José Ulloa Suárez

Cesar León Soledispa

Ingeniería WiseConn S.A.

IntroducciónIntroducción

¿En qué consisten?ElementosMétricas

AplicacionesProblemas

Estrategias ahorro de energía

Wireless Sensor Wireless Sensor NetworkNetwork

La 1ra de las 10 tecnologías emergentes en el 2003 según el MIT.

El número de empresas que fabrican sensores en un país, está considerado como un indicador tecnológico.

Integración con otras tecnologíasAgricultura, Biología, Medicina.

Posibilita aplicaciones antes impensables.Interacción de los seres humanos con el medio.

¿En qué consisten?¿En qué consisten?

Dispositivos pequeños, autónomos, distribuidos geográficamente, llamados nodos sensores instalados alrededor de un fenómeno objeto para monitorizarlo, con capacidad de cómputo (realizar mediciones), almacenamiento y comunicación en una red conectada sin cable.

SENSAR + CPU + RADIO = MILES DE APLICACIONES

Redes desatendidas (sin intervención humana), con alta probabilidad de fallo (en los nodos, en la topología), habitualmente construidas ad-hoc para resolver un problema muy concreto (es decir, para ejecutar una única aplicación).

Elementos de Elementos de una WSNuna WSN

SensoresSensoresDe distinta naturaleza y tecnología toman del medio la información y la convierten en señales eléctricas.

Nodo SensorNodo SensorO procesadores de radio, toman los datos del sensor a través de sus puertas de datos, y envían la información a la estación base.

GatewayGatewayElementos para la interconexión entre la red de sensores y una red TCP/IP por ejemplo.

Estación BaseEstación BaseRecolector de datos basado en un ordenador común o sistema embebido.

Red InalámbricaRed InalámbricaTípicamente basada en el estándar 802.15.4 ZigBee.

Métricas de una WSNMétricas de una WSN

EVALUACIÓN WSNTiempo de vida.Cobertura.Coste y facilidad de instalación.Tiempo de respuesta.Precisión y frecuencia de las mediciones.Seguridad.

EVALAUCIÓN NODO SENSOR

EnergíaFlexibilidadRobustezSeguridadComunicaciónComputaciónSincronizaciónTamaño y costo

Aplicaciones con Aplicaciones con WSNWSN

Monitorización de EntornoAplicación donde un científico quiere recoger lecturas de un entorno inaccesible y hostil en un período de tiempo para detectar cambios, tendencias, etc.

Monitorización de SeguridadAplicación para detección de anomalías u ataques en entornos monitorizado continuamente por sensores.

TrackingAplicación para controlar objetos que están etiquetados con nodos sensores en una región determinada.

Redes HíbridasEn general, los escenarios de aplicación contienen aspectos de las tres categorías anteriores.

Automatización Industrial

Potenciales industriasPotenciales industrias

AcuiculturaTelemetría

ForestalMinería

Domótica

Problemas WSNProblemas WSN

Optimización en el consumo de energía:La comunicación es el principal consumidor.CPU debe estar en estado “sleep”.Economizar las distancias de las comunicaciones.Técnicas de software: Programación eficiente.

Ancho de banda y cobertura de red limitados.Recursos de hardware limitados:

MemoriaCPU

Topología dinámica de la redElementos móvilesNodos con alta probabilidad de falloNodos que entran en el sistema

Estrategias ahorro Estrategias ahorro energíaenergía

SleepLa mayor parte del tiempo.

WakeupMinimizar este tiempo para pasar rápidamente al estado de trabajo.

ActiveMínimo período de tiempo de trabajo y retorno inmediato al estado sleep.

Estados generales de un nodo sensor

ArquitecturaArquitectura

Arquitecturas propuestasElementos lógicos y físicos

Comunicación

Red de tránsito INTERNET

Gateway1

Gateway2

Estación Base

Servidor Central

WSN1 instalada en fenómeno 1

WSN2 instalada en fenómeno 2

Arquitectura Arquitectura CentralizadaCentralizada

Arquitectura Arquitectura DistribuidaDistribuida

Red de tránsito INTERNET

Gateway1

Estación Base

Servidor Central

WSN1 instalada en fenómeno 1

Cluster Head 1

Cluster Head 2

Humedad Relativa y Temperatura

Radiación Total y PAR

Antena Integrada

Puerto Expansión(ADC, I/O)

•IEEE 802.15.4 compatible (2.4 GHz, 250 kbps)•Bajo consumo (2 pilas AA)•Tamaño (6.3 cm x 3.2 cm)•Hasta 150 metros de alcance y 400 metros con antena externa

Puerto JTagMódulo de

comunicación inalámbrica

Microcontrolador(Contiene Sistema

Operativo Embebido)

Nodo SensorNodo Sensor

Diseñado para sensores y aplicaciones industriales.Se basa en estándar IEEE 802.15.4. (2003)Especificaciones públicas el 2005.Hasta 200 m de alcance.

Hasta 65.000 nodos.2,4 GHz, 915 y 868 MHzHasta 250 kbps y 16 canales.Topologías Mesh, Cluster tree, Structural.

WiMax

802.11b

802.11a / 802.11g

Bluetooth 1

Bluetooth 2

ZigBee

50 Km

200 m

50 m

250 Kbps 2 Mbps 70 Mbps

ComunicaciónComunicación

Sistema Operativo para WSN

(TinyOS, SOS, Contiki)

CC2420 (ChipCon)

ProgramaciónProgramación

TinyOSTinyOS

CaracterísticasModelo de ejecución y programación

NesCIntegración

TinyOSTinyOS

Creado por la universidad Berkeley.Para ejecutar sobre motes: mica, mica2, micadot, micaz, telos.

Diseñado específicamente para sensores en red

Capaz de manejar capacidades limitadas de HW.

Diseñado para escalar con tendencias tecnológicas de la actualidad.

Operaciones intensivas de concurrencia y garantiza atomicidad.

Modelo de ejecuciónModelo de ejecución

Basado en eventos.

Soporta altos niveles de concurrencia en poca cantidad de espacio.

ConcurrenciaTareas que se ejecutan hasta completarse en background sin interferir con otros eventos del sistema. Pueden ser interrumpidas por eventos del sistema de bajo nivel.

Proporciona mecanismos para crear exclusión mutua en secciones de código (concepto de atomicidad).

Modelo de Modelo de ProgramaciónProgramación

Basado en componentes (módulos).

Cada módulo es diseñado para operar continuamente respondiendo a eventos de entrada (alarmas, timers, radio, etc.).

Cuando llega un evento, trae con él el contexto de ejecución requerido.

Tareas, Eventos y Tareas, Eventos y ComandosComandos

Conjunto de TareasRealizan trabajo principal.Ejecutan atómicamente respecto a otras tareas.Ejecutan concurrentemente con otros comandos o eventos.

Conjunto de Eventos/Comandos:

Pequeña cantidad de trabajo, motivada por interrupciones de HW o señales.Constituyen la interfaz del componente.

Grafo de Grafo de ComponentesComponentes

Programación permite:Modularidad eficienteFácil composición.

Tipos de componentes:Abstracciones de HW

• Mapean HW físico en el modelo de componentes de TinyOS. Ej: RFM

Hardware sintético• Simulan el comportamiento de

HW avanzado. Ej: RadioByte

Comp. De SW de alto nivel• Control, enrutamiento,

transferencia de datos, cálculos, agregación de datos.

Grafo de componentes para una aplicación de enrutamiento

Lenguaje de Lenguaje de ProgramaciónProgramación

NESCNESC

NesCNesC

Lenguaje de programación diseñado para programar componentes.

Sintaxis parecida a C (dirigido por eventos).

Semántica:Implementación de interfaces.Programación orientada a eventos.

Programación de componentes:Implementación -> qué componentes se proporcionaConfiguración -> qué componentes se usan para proporcionar la interfaz a un componente.

APLICACIÓN = COMPONENTE 1 + COMPONENTE 2 + COMPONENTE 3 + …

Estructura de un Estructura de un componentecomponente

LógicamenteConfiguration

• En general vacía. Sólo contendrá algo si se pretende crear un componente no mediante su implementación directa (en Module) sino ensamblando otros componentes ya creados.

Implementation• Define las conexiones que hay entre los diferentes componentes

que usa la aplicación.

Module• Contiene la implementación del comportamiento del componente.

Físicamente (2 Ficheros)Configuración e Implementación (miaplicacion.nc).Módulos (miaplicacionM.nc).Se pueden incluir librerías (.h)

Ejemplo de un Ejemplo de un componentecomponente