UIMP: Redes de sensores, fundamentos y aplicaciones.

Redes de sensoresRedes de sensoresFundamentos y Fundamentos y aplicacionesaplicaciones

Paula Tarrío AlonsoPaula Tarrío Alonso

Cursos de verano UIMPSantander, 2 de julio de 2008

Grupo de Procesado de Datos y SimulaciónUniversidad Politécnica de Madrid

ContenidosContenidos

IntroducciónIntroducción Inteligencia ambientalInteligencia ambiental Redes de sensoresRedes de sensores Historia y evoluciónHistoria y evolución

Fundamentos de las redes de sensoresFundamentos de las redes de sensores Tipos de nodosTipos de nodos Comunicación entre nodosComunicación entre nodos Principios de diseñoPrincipios de diseño

Aplicaciones de las redes de sensoresAplicaciones de las redes de sensores EjemplosEjemplos LocalizaciónLocalización

Inteligencia AmbientalInteligencia Ambiental

Entornos inteligentes que se adaptan a Entornos inteligentes que se adaptan a las necesidades de las personaslas necesidades de las personas

El usuario permanece ajeno a la El usuario permanece ajeno a la tecnología subyacentetecnología subyacente

Redes de sensores

EjemploEjemplo

Portero visor y cerradura electrónica

Portón automático

Calefacción inteligente

Persiana eléctrica

Control del Hogar desde el PC

Cortinas automáticas

Riego automático

Detectores de movimiento

Redes de sensoresRedes de sensores

Formadas por un gran número Formadas por un gran número de nodos densamente de nodos densamente desplegadosdesplegados

Capaces de:Capaces de: medir parámetros, medir parámetros, almacenarlos, almacenarlos, procesarlos y procesarlos y enviarlosenviarlos

Nodos pequeños y baratosNodos pequeños y baratos Pocos recursos Pocos recursos Redes ad hocRedes ad hoc

MideProcesa

Transmite y recibe

Smart dust

(polvo inteligente)

Motes

Redes ad hocRedes ad hoc

Conjunto de nodos que se despliegan con un Conjunto de nodos que se despliegan con un objetivo concreto sin que exista una infraestructura objetivo concreto sin que exista una infraestructura previaprevia

Comunicación inalámbricaComunicación inalámbrica Capacidad de auto-organización Capacidad de auto-organización

CaracterísticasCaracterísticas

Bajo consumo de energíaBajo consumo de energía

Bajo costeBajo coste

Restricciones de hardwareRestricciones de hardware

AutoconfiguraciónAutoconfiguración

SeguridadSeguridad

HistoriaHistoria

Predecesores:Predecesores:

Chain Home (II Guerra Mundial)Chain Home (II Guerra Mundial)

SOSUS (Guerra Fría)SOSUS (Guerra Fría)

NORAD (Guerra Fría) NORAD (Guerra Fría)

Años 80: Proyecto DSNAños 80: Proyecto DSN

EvoluciónEvolución

Ley de Moore: Cada Ley de Moore: Cada 2 años se duplica el 2 años se duplica el número de número de transistores en un transistores en un circuito integradocircuito integrado

10 tecnologías emergentes que cambiarán el mundo (MIT-2003)

En el futuro:

Nodo

Nodo base

Arquitectura de Arquitectura de comunicacióncomunicación

Internet

Tipos de nodosTipos de nodos

MotesMotes: Toman datos del entorno con los : Toman datos del entorno con los sensores y envían la información a la sensores y envían la información a la estación baseestación base

Pasarela (gateway), estación base o Pasarela (gateway), estación base o data sinkdata sink: recoge los datos de la red de : recoge los datos de la red de sensores. Puede tener conexión con sensores. Puede tener conexión con redes externas o estar conectada a un redes externas o estar conectada a un ordenador.ordenador.

Los motesLos motes

BTnode

SUNSpotMica2

MicaZ

Cricket

TelosBImote2IRIS

Los motesLos motes Microprocesador

Radio

Fuente de alimentación

Conector para

sensores externos

SensoresSensores

TemperaturaTemperaturaHumedadHumedadLuzLuzPresión atmosféricaPresión atmosféricaDetector de incendiosDetector de incendiosAceleraciónAceleraciónSonidoSonidoCampo magnéticoCampo magnéticoAgua, vegetación, Agua, vegetación, Humedad del sueloHumedad del suelo

Frecuencia cardiacaPresión arterialFrecuencia respiratoriaTemperatura corporalSaturación de oxígeno en

sangre Actividad eléctrica del cerebro,

músculos y nerviosPresión intracranealDolor Biosensores

La pasarelaLa pasarela

MIB600

MIB520

MIB510

SoftwareSoftware Sistema operativo Sistema operativo

TinyOSTinyOS Lenguaje de Lenguaje de

programación NesCprogramación NesC

Blink.nc

configuration Blink {

}

implementation {

components Main, BlinkM, SingleTimer, LedsC;

Main.StdControl -> SingleTimer.StdControl;

Main.StdControl -> BlinkM.StdControl;

BlinkM.Timer -> SingleTimer.Timer;

BlinkM.Leds -> LedsC;

}

BlinkM.nc

module BlinkM {

provides {

interface StdControl;}

uses {

interface Timer;

interface Leds;}

}

implementation {

command result_t StdControl.init() {

call Leds.init();

return SUCCESS;}

command result_t StdControl.start() {

return call Timer.start(TIMER_REPEAT, 1000);}

command result_t StdControl.stop() {

return call Timer.stop();}

event result_t Timer.fired(){

call Leds.redToggle();

return SUCCESS;}

}

Topologías de redTopologías de red

En estrellaEn estrella

En mallaEn malla

ComunicaciónComunicación

Tecnologías inalámbricasTecnologías inalámbricas

ZigBee (IEEE 802.15.4)ZigBee (IEEE 802.15.4)

UWB (Ultra Wide Band)UWB (Ultra Wide Band)

Bluetooth (IEEE 802.15.1)Bluetooth (IEEE 802.15.1)

RFID (Radio Frequency Identification) RFID (Radio Frequency Identification)

WiFi (IEEE 802.11)WiFi (IEEE 802.11)

……

Consumo de energíaConsumo de energía

La energía es un recurso muy escaso Hay que gestionar eficientemente la energía

consumida A nivel físico A nivel de enlace A nivel de red A nivel de transporte A nivel de aplicación A nivel de sistema operativo …

Una aplicación típicaUna aplicación típica

sleep

wak

eup

Co

nsu

mo

Tiempo

Adquisición de datos

Procesado

Comunicación

AplicacionesAplicaciones

Aplicaciones militares: Aplicaciones militares: monitorización de fuerzas y equipos enemigos, monitorización de fuerzas y equipos enemigos, vigilancia en el campo de batalla, vigilancia en el campo de batalla, reconocimiento del terreno, reconocimiento del terreno, detección de ataques biológicos, químicos o nucleares, etc.detección de ataques biológicos, químicos o nucleares, etc.

Aplicaciones medioambientales: Aplicaciones medioambientales: seguimiento de animales, seguimiento de animales, monitorización de las condiciones ambientales en cultivos, monitorización de las condiciones ambientales en cultivos, riego, riego, agricultura de precisión, agricultura de precisión, detección de incendios forestales, detección de incendios forestales, detección de inundaciones, detección de inundaciones, estudios de contaminación, estudios de contaminación, prevención de desastres, prevención de desastres, monitorización de áreas afectadas por desastres, etc.monitorización de áreas afectadas por desastres, etc. Estudios sísmicosEstudios sísmicos Seguridad de estructurasSeguridad de estructuras

AplicacionesAplicaciones

Aplicaciones médicas: Aplicaciones médicas: telemonitorización de datos fisiológicos en pacientes, telemonitorización de datos fisiológicos en pacientes, diagnóstico, diagnóstico, administración de medicamentos, administración de medicamentos, seguimiento de médicos y pacientes en hospitales, etc.seguimiento de médicos y pacientes en hospitales, etc.

Aplicaciones en el hogar/edificios: Aplicaciones en el hogar/edificios: domótica, domótica, control de electrodomésticos, control de electrodomésticos, entornos inteligentes, entornos inteligentes, control ambiental, etc.control ambiental, etc.

Aplicaciones industriales: Aplicaciones industriales: seguimiento de vehículos, seguimiento de vehículos, control de flota, control de flota, control de inventarios, etc.control de inventarios, etc.

Aplicaciones turísticas: Aplicaciones turísticas: interactividad en museos y espacios turísticos, interactividad en museos y espacios turísticos, control de acceso, etc.control de acceso, etc.

Modos de uso de las redes Modos de uso de las redes de sensoresde sensores

Monitorización continua: Monitorización continua: Nodos midiendo los mismos parámetros en un área de interés. Envío Nodos midiendo los mismos parámetros en un área de interés. Envío

periódico de la información recogida. periódico de la información recogida. Aplicación: control de agricultura, microclimas, etc.Aplicación: control de agricultura, microclimas, etc.

Monitorización basada en eventos: Monitorización basada en eventos: Nodos monitorizando entornos continuamente. Pero sólo hay envío de Nodos monitorizando entornos continuamente. Pero sólo hay envío de

información cuando ocurre algún evento. información cuando ocurre algún evento. Aplicación: control de edificios inteligentes, detección de incendios, Aplicación: control de edificios inteligentes, detección de incendios,

aplicaciones militares, etc.aplicaciones militares, etc. Localización y seguimiento: Localización y seguimiento:

Los nodos se usan para etiquetar y localizar objetos en una zona Los nodos se usan para etiquetar y localizar objetos en una zona determinada. determinada.

Aplicación: rastreo de animales, seguimiento de un trabajador, etc.Aplicación: rastreo de animales, seguimiento de un trabajador, etc. Redes híbridas: Redes híbridas:

Escenarios de aplicación que contienen aspectos de las 3 categorías Escenarios de aplicación que contienen aspectos de las 3 categorías anteriores.anteriores.

Monitorización continuaMonitorización continua

Monitorización basada en Monitorización basada en eventoseventos

Localización y Localización y seguimientoseguimiento

Aplicación híbridaAplicación híbrida

Aplicaciones de Aplicaciones de localizaciónlocalización La posición de un usuario en un La posición de un usuario en un

parámetro de contexto muy importanteparámetro de contexto muy importante La información de posición en una red de La información de posición en una red de

sensores es útil para:sensores es útil para: Interpretar la datos medidos y actuar en Interpretar la datos medidos y actuar en

consecuenciaconsecuencia Desarrollar algoritmos de encaminamiento Desarrollar algoritmos de encaminamiento

más eficientesmás eficientes

Localización en redes de Localización en redes de sensoressensores ¿En qué consiste la localización en redes de ¿En qué consiste la localización en redes de

sensores?sensores? Determinar la posición de los nodos de la redDeterminar la posición de los nodos de la red

¿Qué limitaciones hay?¿Qué limitaciones hay? Recursos limitadosRecursos limitados Bajo consumo Bajo consumo

Técnicas de localización:Técnicas de localización: GPSGPS InfrarrojosInfrarrojos UltrasonidosUltrasonidos Radio (RSS, TOA, AOA, etc.)Radio (RSS, TOA, AOA, etc.)

Dos grupos de métodosDos grupos de métodos

Mapa de potencia:Mapa de potencia: Modelo de propagación:Modelo de propagación: Medida Medida Distancia Distancia

Distancias Distancias Posiciones Posiciones

0 50 100 150 200 250 300 350

-95

-90

-85

-80

-75

-70

-65

-60

-55

Prx

(d

Bm

)

d (cm)

Localización basada en Localización basada en mapa de potenciamapa de potencia Fase de calibración:Fase de calibración:

Fase de localización:Fase de localización:

P1EP1DP1CP1BP1Ay1x1

PEPDPCPBPAyx

P2EP2DP2CP2BP2Ay2x2

P3EP3DP3CP3BP3Ay3x3

…………………

Localización basada en Localización basada en mapa de potenciamapa de potencia Fase de calibración:Fase de calibración: Fase de localización:Fase de localización:

P1EP1DP1CP1BP1Ay1x1

PEPDPCPBPAyx

P2EP2DP2CP2BP2Ay2x2

P3EP3DP3CP3BP3Ay3x3

…………………

PEPDPCPBPA

y3x3

Localización basada en Localización basada en modelo de canalmodelo de canal Idealmente:Idealmente:

En un entorno real:En un entorno real: MultitrayectoMultitrayecto RuidoRuido InterferenciaInterferencia

0 50 100 150 200 250 300 350

-95

-90

-85

-80

-75

-70

-65

-60

-55

Prx

(d

Bm

)

d (cm)

dctedBmPdBmP TXRX log20)()(

0 100 200 300 400 500-85

-80

-75

-70

-65

-60

-55

-50

Pote

ncia

s (d

Bm)

Distancias (cm)

0 100 200 300 400 500

-80

-75

-70

-65

-60

-55

-50

Pote

ncia

s (d

Bm)

Distancias (cm)

PlanteamientoPlanteamiento

M nodos de referenciaM nodos de referencia

N nodos de posiciones desconocidasN nodos de posiciones desconocidas

Cálculo de la posiciónCálculo de la posición

Individual: Individual: Se calcula la posición de cada Se calcula la posición de cada

nodo a partir de las medidas de nodo a partir de las medidas de distancia entre ese nodo y varios distancia entre ese nodo y varios nodos de referencianodos de referencia

Cooperativa:Cooperativa: Se utiliza la información recogida Se utiliza la información recogida

por todos los nodos y se hallan por todos los nodos y se hallan las posiciones de todos ellos las posiciones de todos ellos simultáneamente simultáneamente

Localización individualLocalización individual

(x1, y1)

(x2, y2)

(x3, y3)(x4, y4)

(x5, y5)

(x6, y6)

(x, y)

Posicionamiento circularPosicionamiento circular

Minimizar la suma de los errores en distancia Minimizar la suma de los errores en distancia al cuadradoal cuadrado

Mediante algoritmo iterativo, por ejemplo, Mediante algoritmo iterativo, por ejemplo, descenso del gradientedescenso del gradiente

kk yyxx

kky

xy

x

y

x

ˆ,ˆ

1 ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

n

iiii dyyxx

1

222

Posicionamiento Posicionamiento hiperbólicohiperbólico Transformar el problema en un problema Transformar el problema en un problema

lineallineal

Resolver por mínimos cuadradosResolver por mínimos cuadrados

iiiii yyyxxxdd 22 2221

2

21

222

21

22

22

2222

2

2

2

2

ddyx

ddyx

y

x

y

y

x

x

VVVVV

bxH

bHHHx TT 1

011 yx

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