Ing. Albino Goncalves Redes Inalámbricas de Sensores Junio 2012.

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1 Ing. Albino Goncalves Redes Inalámbricas de Sensores Junio 2012

2 Ing. Albino Goncalves Una Red Inalámbrica de Sensores (WSN) es una red inalámbrica de dispositivos autónomos distribuidos de forma espacial, que utilizan sensores para monitorear condiciones físicas y ambientales. Estos dispositivos autónomos, o nodos, se combinan con enruteadores y gateway para crear un sistema WSN típico. Los nodos de medida distribuidos se comunican se manera inalámbrica a un gateway central, el cual proporciona una conexión al entorno cableado donde se puede adquirir, procesar, analizar y presentar sus datos de medida. Redes Inalámbricas de Sensores

3 Ing. Albino Goncalves MIT en febrero de 2003: Las redes inalámbricas de sensores serán una de las tecnología emergentes que cambiará el mundo. Integración con otras tecnologías: agricultura, biología, medicina, etc. Aplicaciones antes impensables: interacción de los seres humanos con el medio, computación ubicua, inteligencia ambiental, entre otras. Científicos e investigadores de gran renombre se han subido al tren de las redes de sensores inalámbricos. El número de empresas que fabrican sensores en un país está considerado como un indicador tecnológico. Redes Inalámbricas de Sensores

4 Ing. Albino Goncalves Características Facilidad de despliegue. No se utiliza infraestructura de red. Topología dinámica con nodos autoconfigurables para tolerancia a fallos. Utilización de broadcast. Ultrabajo consumo. Funcionamiento con pilas de larga autonomía. Muy bajo coste. Operación sin mantenimiento durante varios meses o años.

5 Ing. Albino Goncalves Aplicaciones El monitoreo embebido cubre una amplia variedad de áreas de aplicación, incluyendo aquellas donde las limitaciones de potencia o infraestructura hacen que una solución cableada sea costosa, desafiante o hasta imposible. Usted puede colocar las redes de sensores inalámbricas al lado de los sistemas cableados para crear un sistema completo de medidas y control, cableado e inalámbrico.

6 Ing. Albino Goncalves Aplicaciones Un sistema WSN es ideal para una aplicación como monitoreo ambiental en el cual los requerimientos obligan a una solución desplegada a largo plazo. Para utilidades como la cuadrícula de electricidad, semáforos y agua municipales, los sensores inalámbricos ofrecen un método de menor costo para compilar datos del sistema de salud para reducir el uso de energía y obtener mejores recursos administrativos. En el monitoreo de la estructura de salud, usted puede usar sensores inalámbricos para monitorear de manera efectiva carreteras, puentes y túneles. También puede desplegar esos sistemas para monitorear continuamente edificios de oficinas, hospitales, aeropuertos, fábricas, plantas de energía o plantas de producción.

7 Ing. Albino Goncalves Elementos SENSORES: Toman del medio la información y la convierten en señales eléctricas. NODOS (Motas): Toman los datos del sensor y envían la estación base. ESTACIÓN BASE: Recolector de datos basado en un procesador o sistema embebido. GATEWAY: Elementos para la interconexión entre la red de sensores y una red de datos.

8 Ing. Albino Goncalves Arquitectura

9 Arquitectura

10 Arquitectura

11 Permite conexión entre la red inalámbrica y el computador. Almacena datos si falla conexión al PC Coordina la Red Obtención de datos de sensores Interpretar comandos y registrar eventos y fallas. Arquitectura

12 Ing. Albino Goncalves Nodos o Motas Los nodos son pequeñas unidades del tamaño de una caja de fósforos (motas) que tienen:  unos pocos kilobytes de memoria  un procesador de unos cuantos MHz  Una radio de pocos metros de alcance  Una o dos pilas (tipo AA, AAA o tipo botón)

13 Ing. Albino Goncalves 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 JTag Módulo de comunicación inalámbrica Microcontrolador (Contiene Sistema Operativo Embebido) Nodos o Motas

14 Ing. Albino Goncalves Nodos o Motas

15 Ing. Albino Goncalves Nodos o Motas

16 Ing. Albino Goncalves Nodos o Motas

17 Ing. Albino Goncalves Nodos o Motas

18 Ing. Albino Goncalves Potencia del Nodo En las aplicaciones WSN, la duración de batería es un requisito, así que hoy en día varios de los sistemas WSN están basados en protocolos ZigBee o IEEE 802.15.4 por su bajo consumo de potencia, los cuales con frecuencia duran tres años. Además de los requerimientos de larga duración, debe considerar el tamaño, peso y disponibilidad de las baterías, así como estándares internacionales para envíos de baterías. El bajo costo y la amplia disponibilidad de las baterías de zinc-carbono y alcalinas las hace una opción muy común. Las técnicas para recolección de energía también se están volviendo más frecuentes en redes de sensores inalámbricas. Con dispositivos que utilizan celdas solares o colectan calor del ambiente, se puede reducir o hasta eliminar la necesidad de usar baterías.

19 Ing. Albino Goncalves Estados del Nodo Sleep (durmiendo): la mayor parte del tiempo. Wakeup (despertando): minimizar este tiempo para pasar rápidamente al estado de trabajo. Active (activo): trabajando el mínimo tiempo posible y retorno inmediato al estado sleep.

20 Ing. Albino Goncalves Estados del Nodo

21 Ing. Albino Goncalves Topologías Para aumentar la distancia que una red puede cubrir, puede implementar una topología de cluster o árbol. En esta arquitectura más compleja, cada nodo mantiene una sola trayectoria de comunicación directa al gateway pero puede usar otros nodos para enrutar sus datos a esa trayectoria. Esta topología tiene un problema. Si el nodo ruteador falla, todos los nodos que dependen de ese ruteador también pierden sus trayectorias de comunicación con el gateway. La topología de malla soluciona este problema al usar trayectorias de comunicación redundante para aumentar la fiabilidad del sistema. En una red de malla, los nodos mantienen múltiples trayectorias de comunicación al gateway, así si el nodo ruteador falla, la red automáticamente enruta los datos a través de una trayectoria diferente. La topología de malla, aunque es muy confiable, sufre de incremento de latencia de red ya que los datos deben hacer múltiples saltos antes de llegar al gateway.

22 Ing. Albino Goncalves Topologías

23 Ing. Albino Goncalves Sistema Operativo (TinyOS, SOS, Contiki) CC2420 (ChipCon) Programación

24 Ing. Albino Goncalves TinyOS Es un sistema operativo, desarrollado en la Universidad de Berkeley, como sistema base para la construcción de aplicaciones en redes inalámbricas de sensores Soporta diferentes plataformas de sensores Puede ser aplicado a otros sistemas embebidos. Contiene numerosas aplicaciones pre-construidas Dispone de herramientas que facilitan el desarrollo El lenguaje de TinyOS es NesC, un metalenguaje que deriva de C Es un proyecto de código abierto (Open Source) En www.tinyos.net hay soporte y un tutorial on-line Moteiv tiene una versión particularizada de TinyOS para sus motas

25 Ing. Albino Goncalves TinyOS

26 Ing. Albino Goncalves Estándares Inalámbricos

27 Ing. Albino Goncalves Zigbee

28 Ing. Albino Goncalves Aplicaciones militares: monitorización de fuerzas y equipos enemigos, vigilancia en el campo de batalla, reconocimiento del terreno, detección de ataques biológicos, químicos o nucleares, etc. Aplicaciones medioambientales: seguimiento de animales, monitorización de las condiciones ambientales en cultivos, riego, agricultura de precisión, detección de incendios forestales, detección de inundaciones, estudios de contaminación, prevención de desastres, monitorización de áreas afectadas por desastres, etc. Estudios sísmicos Seguridad de estructuras Aplicaciones

29 Ing. Albino Goncalves Aplicaciones médicas: telemonitorización de datos fisiológicos diagnóstico, administración de medicamentos, seguimiento de médicos y pacientes Aplicaciones en el hogar/edificios: domótica, control de electrodomésticos, entornos inteligentes, control ambiental, etc. Aplicaciones industriales: seguimiento de vehículos, control de flota, control de inventarios, etc. Aplicaciones turísticas: interactividad en museos y espacios turísticos, control de acceso, etc. Aplicaciones

30 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado

31 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado

32 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado

33 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado

34 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado

35 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado

36 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado

37 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado

38 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado

39 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado Fuente: Libelium (2012)

40 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado Fuente: Libelium (2012)

41 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado Fuente: Libelium (2012)

42 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado Fuente: Libelium (2012)

43 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado Fuente: Libelium (2012)

44 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado Fuente: Libelium (2012)

45 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado Fuente: Libelium (2012)

46 Ing. Albino Goncalves Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado Fuente: Libelium (2012)

47 Ing. Albino Goncalves Over the Air Programming OTA Fuente: Libelium (2012)

48 Ing. Albino Goncalves Modos de uso de las redes de sensores Monitorización continua: Nodos midiendo los mismos parámetros en un área de interés. Envío periódico de la información recogida. Aplicación: control de agricultura, microclimas, etc. Monitorización basada en eventos: Nodos monitorizando entornos continuamente. Pero sólo hay envío de información cuando ocurre algún evento. Aplicación: control de edificios inteligentes, detección de incendios, aplicaciones militares, etc. Localización y seguimiento: Los nodos se usan para etiquetar y localizar objetos en una zona determinada. Aplicación: rastreo de animales, seguimiento de un trabajador, etc. Redes híbridas: Escenarios de aplicación que contienen aspectos de las 3 categorías anteriores.

49 Ing. Albino Goncalves Monitorización Continua

50 Ing. Albino Goncalves Monitorización Basada en Eventos

51 Ing. Albino Goncalves Localización y Seguimiento

52 Ing. Albino Goncalves Aplicación Híbrida

53 Ing. Albino Goncalves Herramientas de Software

54 Ing. Albino Goncalves

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56 Móvil: 0414-0616035 / 0414-6733934 E-mail: albinogoncalves@hotmail.com Twiter: @albinogoncalves Facebook: www.facebook.com/albino.goncalves Blog: albinogoncalves.wordpress.com Slideshare: http://www.slideshare.net/albinogoncalves