MSc. Ebert San Román Castillo

Temario

Introducción a las Redes de Sensores Inalámbricos

Objetivos específicos

Explicar los posibles aportes de la tecnología WSN. Explicar los componentes que conforman las WSN.

Comunicaciones Inalámbricas – La Internet de las Cosas

Inteligencia Ambiental

Entornos inteligentes que se adaptan a las necesidades de las personas

El usuario permanece ajeno a la tecnología subyacente

WSN en el Hogar Digital

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Redes de sensores inalámbricaFormada por nodos sensores que recolectan información

del ambiente, procesan los datos y los transmiten a una estación base o nodo sink. Son un tipo de red ad-hoc

• En general el número de sensores es muy grande. Los nodos son fijos.

• La estructura de la red es cambiante.• Los nodos sensores, en general, no tienen

identificación.• Son redes con restricciones en energía y en

ancho de banda.

Microsensor inalámbrico de 100 milímetros cúbicos

ORIGEN DE LAS REDES DE SENSORES INALAMBRICOS

Primer Micro Sensor con Interfaz RF

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Nodo sensor

IEEE Wireless Communications • December 2004

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CARACTERÍSTICAS DE UNA RED DE SENSORESTolerancia a fallasTiempo de vidaCalidad de servicioEscalabilidad Amplio rango de densidad de nodosOperación eficiente en energíaAutoconfiguración Colaboración entre nodos y procesamiento

distribuido en la red.Ruteo centrado en datos

GENERALIDADES La tecnología de redes de sensores inalámbricos se encuentra en

la vanguardia de la investigación en las redes y podría ser el siguiente mercado tecnológico de miles de millones de dólares.

Los dispositivos de sensores inalámbricos pueden detectar cambios en la temperatura, presión, humedad, luz, sonido o magnetismo y un radio inalámbrico que puede reportar los hallazgos. Todo energizado por un par de baterías AA.

Un avance de la tecnología WSN es su configuración en “redes tipo malla” (Mesh)

El potencial de ahorro en los costos sobre los sensores alámbricos tradicionales es enorme, además, cobra interés porque se pueden usar con RFID para identificar a bajo costo y rastrear los productos, la maquinaria o los elementos químicos peligrosos.

APLICACIONES DE LAS REDES DE SENSORESEstos pueden ser claramente diferenciados

entre:

Monitoreo espacial

Monitoreo de objetos

Monitoreo de la interacción de objetos entre si, y con el espacio circundante.

TELEMETRÍA POR SENSORESSe pueden encontrar algunos ejemplos claros de

valor de negocios en la telemetría por Sensores, en una cantidad de industrias.

Varios factores están convergiendo para que sea éste el momento de adoptar masivamente las tecnologías por sensores y las comunicaciones móviles bi-direccionales

Reducción de costos de tecnologíaAvances en tecnología

MONITOREO AMBIENTAL Muchas de las redes inalámbricas de sensores han sido

instaladas para el monitoreo de habitats

Un ejemplo es el monitoreo de los microclimas para todo el volumen de Secoyas; ayuda el monitoreo de una porción del bosque.

Factores climáticos determinan el grado de la fotosíntesis, transporte de agua, nutrientes y patrones de crecimiento.

Se conoce que existen variaciones substanciales en el grupo completo y en un espécimen individual

El clima alrededor de un árbol, creando efectivamente su propio ambiente, todos estos factores, los habitats dinámicos, existen tanto arriba o bajo el árbol.

SENSOR DE MONITOREO AMBIENTAL

La figura muestra una moderna WSN usada para monitoreo ambiental

La WSN realizan muestras del clima cada 5 minutos y calculan un promedio para cada punto de elevación.

MONITOREO DE ESTRUCTURASUna estructura física como un motor, avión, ala, emisiones

acústicas o respuesta a una estimulación.Variaciones de estos comportamientos indican fatiga u

otros cambios mecánicos.El análisis de la respuesta estructural, por ejemplo en

puentes, edificios, lugares que en futuros requieran usar datos recolectados en diferentes puntos en análisis espacio temporal.

Los rangos de muestreo son mucho mas altos que en monitoreo ambiental, típicamente alrededor de 100Hz por vibración.

El buffering de los datos requiere de grandes cantidades de almacenamiento, y el sistema potencialmente presenta un extensivo procesamiento local en los datos muestreados intermitentemente.

MONITOREO DE ESTRUCTURAS

En el asfalto del centro de San Francisco para la gestión de las plazas de aparcamiento

MONITOREO DE ESTRUCTURAS

Sembrados en los bosques de Massachusetts para prevenir incendios forestales

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Monitorización de Temperatura y Presión de Neumáticos de Camiones Mineros Neumáticos entre los suministros más caros. Él integró hardware e implementó protocolo

• Sensores: OEM de Freescale• Microcontrolador TI• RF Module OEM de Aerocomm

Wireless linkTambién es unaRed de Sensores Inalámbricos

Abril 2009 elo.utfsm.cl 19

Agricultura de Precisión:El problema

Recolección manualde datos

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Agricultura de Precisión: Solución

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

NodoNodo

Nodo

GTW

Nodo

Estación meteorológica

HARDWARE Una red inalámbrica de sensores (WSN) consiste de un

microprocesador, almacenamiento de datos, sensores, conversores Analógico Digitales (ADC), transductores, controladores que permiten el trabajo conjunto de los componentes y una fuente de energía.

CONSUMO Y OBTENCIÓN DE ENERGÍAOperan a potencias cercanas a 1mW.

Cuando un dispositivo esta activo durante un porcentaje de tiempo, la potencia promedio esta alrededor de solo pocos micro vatios.

Estos rangos de potencia pueden ser obtenidos de diversas formas

Celdas solares generan alrededor de 10mW por centímetro cuadrado en el exterior y entre 10 y 100 μW por centímetro cuadrado en el interior.

MICRO RADIOS Los componentes de radios pueden ser fabricados con

tecnología CMOS convencionalRadios para WSN consumen alrededor de 20mW, y sus

rangos son típicamente medidos en decenas de metros.

SISTEMA OPERATIVOLos sistemas operativos usados en este tipo de

redes son sistemas pequeños o Tiny OSLos componentes de más bajo nivel abstraen el

nivel físico y reparten interrupciones físicas como eventos asincrónicos.

Involucra un completo stack en el que los niveles mas bajos acceden al canal de radio y del entramado de los datos que los nodos de recepción pueden reconocer.

Estos componentes realizan corrección de errores, y manejo del canal, así como también detectan la llegada de paquetes y los procesan en los buffers de entrada.

PRIVACIDADNumerosos instrumentos de acceso en tiempo real y procesamiento en

red hacen una diferencia cualitativa en su habilidad de percepción de qué esta pasando por toda la larga estructura física.

Y el proceso de diseminación son transparentes.

Mas detalles tal como sensar un movimiento de ocupación y un nivelado estado futuro amplia propósitos concernientes sobre uso y diseminación.

Estos factores sociales son inherentes en o que concierne a sensores de tecnología de red.

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Arquitectura General

Node n

Sensor 3Sensor 2

Sensor 1

Node 1

Sensor 3Sensor 2

Sensor 1

Internet

LAN Monitor/control/alarms

DBAcquisition

system

Gateway

Oficinas

Remote Monitor 1

Remote Monitor n

Nodos autónomos (meses/años)

WSN/Ethernet

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Nuevo requerimiento de clientes

¿Qué pasa si un cliente tiene varios campos disjuntos?

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Agricultura de Precisión:Extensión

Usamos un gateway WSN-GPRS

30

Arquitectura

Usamos un modem GSM/GPRS

RS-232

Enrutamiento Multi-Salto

Relación entre ZigBee y el estándar IEEE 802.15.4

• Cada capa es responsable de ofrecer servicios para las capas superiores.

Capa Física

Capa de Enlace de Datos

• Modulación

• Interferencia

• Tipos de Dispositivos

Estándar IEEE 802.15.4

Capa Física

Estándar IEEE 802.15.4

• Modulación

Estándar IEEE 802.15.4

• Interferencia

Estándar IEEE 802.15.4

Capa de Enlace de Datos

Estándar IEEE 802.15.4

Capa de Enlace de Datos

• Tipos de Dispositivos

Según el papel en la red:

• Coordinador ZigBee (ZC)

• Router ZigBee (ZR)

• Dispositivo final (ZED)

Según su funcionalidad:

• Dispositivo de funcionalidad completa (FFD)

• Dispositivo de funcionalidad reducida (RFD)

Estándar IEEE 802.15.4

FABRICANTES

GRACIAS