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INTRODUCTION TO WIRELESS SENSOR NETWORKS

Marco Zennaro, ICTP Trieste-Italy

Marco Zennaro, ICTP Trieste-Italy

Introducción a las Redes de Sensores Inalámbricos

Metas de esta clase3

� Comprender para qué sirven las redes de sensores inalámbricos y conocer sus áreas de aplicación

� Dar una idea de sus limitaciones y del estado

Introduction to Wireless Sensor Networks - October 2010

� Dar una idea de sus limitaciones y del estado actual de esta tecnología

� Desarrollos futuros

Esquema4

� Redes de sensores inalámbricos� Anatomia de los “Mote”� Comunicación inalámbrica

� Aplicaciones de las WSN (Wireless Sensor


� Aplicaciones de las WSN (Wireless Sensor Network, -Red de Sensores Inalámbricos-)

� Potencial Vs Realidad� Mercado & Futuro

Redes de Sensores Inalámbricos5

� Concepto alternativo a las MANET: Enfocadas en la interacción con el ambiente en lugar de con las personas� La red está insertada en el ambiente� Los nodos de la red están equipados con sensores y


� Los nodos de la red están equipados con sensores y actuadores para medir/influir sobre el ambiente

� Los nodos procesan la información y la comunican inalámbricamente

� R.I. de Sensores -Wireless Sensor Networks-(WSN)

� O: R.I. de Sensores y Actuadores -Wireless sensor & actuator networks- (WSAN)


� Una Red de Sensores Inalámbricos es una red auto-configurable formada por un pequeño número de nodos sensores que se comunican entre sí usando señales de


se comunican entre sí usando señales de radio, con la finalidad de monitorizar y entender el mundo físico.

� Los nodos sensores inalámbricos son llamados motes en inglés.


� Las WSN constituyen un puente entre el mundo físico real y el mundo virtual.

� Proporcionan la habilidad de observar lo que antes era inobservable con una resolución fina


antes era inobservable con una resolución fina y con una escala espacio-temporal grande.

� Tienen una amplia gama de de aplicaciones potenciales en la industria, ciencia, transporte, infraestructura civil y seguridad.


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[Culler:2004]

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1960 1970 1980 1990 2000 2010

0


El desafío del próximo sigloNext Century

Challenges: Mobile


Challenges: Mobile Networking for “Smart Dust ”

J. M. Kahn,R. H. Katz,

K. S. J. Pister

(MobiCom 1999)

Anatomía del mote10

� El procesador puede estar en diferentes modos (dormido, ocioso, dormido)

� Fuente de alimentación (baterías AA o tipo moneda, paneles solares)


moneda, paneles solares)� Memoria usada por el programa y para

alamcenamiento temporal de los datos� Radio usado para transmitir los datos

adquiridos a algúnl sitio de almacenamiento� Sensores de temperatura, humedad, luz, etc.


Memoria

Sensor(es)/Dispositivo de


ControladorSensor(es)/actuador(es)

Dispositivo decomunicación

Fuente de Alimentación





Tarjeta del sensor

Tarjeta delprocesador

Batería



Comunicación Inalámbrica15

� Los dos estándares inalámbricos utilizados en WNS son 802.15.4 y Zigbee

Ambos son protocolos de bajo nivel


� Ambos son protocolos de bajo nivel

� Las prestaciones son críticas

� La distancia máxima es de unos 100 m

Comunicación Inalámbrica: 802.15.4

16

� Este estándar define una capa de comunicación en el nivel 2 del modelo OSI (Open System Interconnection). Su propósito principal es permitir la comunicación entre dos


principal es permitir la comunicación entre dos dispositivos. Fue creada por el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), entidad dedicada a la elaboración de estándares que faciliten los desarrollos tecnológicos sustentados en una plataforma común.

Comunicación Inalámbrica: Zigbee17

� Este estándar define una capa de comunicación en el nivel 3 y superiores del modelo OSI model. Su propósito principal es crear una topología de red (jerarquizada) que


crear una topología de red (jerarquizada) que permita que varios dispositivos se comuniquen entre sí y establezcan mecanismos tales como autenticación, encriptación, asociación y en al capa superior servicios de aplicación. Fue creado por un grupo de empresas que establecieron la ZigBee Alliance.

Comunicación Inalámbrica18



19

� Como se mencionó antes, este protocolo está en el nivel 2 de OSI, en la llamada capa de enlace. Aquí se manejan y organizan las unidades de información digital (bits) que van


unidades de información digital (bits) que van a ser convertidos en impulsos electromagnéticos (ondas) en el nivel inferior, la capa física.


20

� Canales:� 868.0 - 868.6MHz -> 1 canal (Europa)� 902.0-928.0MHz -> 10 canales (EEUU)� 2.40-2.48GHz -> 16 canales (Mundial)


� 2.40-2.48GHz -> 16 canales (Mundial)

� Tasas de bits:� 868.0 - 868.6MHz -> 20/100/250 kb/s� 902.0-928.0MHz -> 40/250 kb/s� 2.40-2.48GHz -> 250 kb/s


21

� Porqué es de bajo consumo :� Está pensado para operar con bajos ciclos de

trabajo. Es decir, el transceptor puede estar “dormido” la mayor parte del tiempo (hast el 99%


“dormido” la mayor parte del tiempo (hast el 99% en promedio) y las tareas de recepción y transmisión pueden programarse para que consuman apenas una pequeña parte de la energœa del dispositivo.

� Este porcentaje depende de la clase de modelo de comunicación utilizado.

Comunicación Inalámbrica: Zigbee22

� ZigBee ofrece básicamente cuatro clases diferentes de servicios:

� Servicios de Encriptación (las capas de aplicación y de red implementan la encriptación AES de 128 bitsAsociación y Autenticación


� Asociación y Autenticación (sólo los nodos válidos pueden unirse a la red).

� Protocolo de Enrutamiento : AODV (Ad-hoc On demand Distance Vector), un protocolo reactivo ad hoc, ha sido implementado para realizar el enrutamiento y reenvío de los datos a cualquier nodo de la red.

� Servicios de Aplicación : se introduce el concepto abstracto de "cluster”. Cada nodo pertenece a un cluster predefinido y puede emprender un cierto número predefinido de acciones. Por ejemplo, el “cluster de luces de la casa” puede realizar dos acciones “encender las luces” y “apagar las luces”.

Esquema23

� Redes Inalámbricas de Sensores� Anatomía del Mote� Comunicación Inalámbrica

� Aplicaciones de las WSN


� Aplicaciones de las WSN� Potencial Vs Realidad� Mercado & Futuro

Ejemplos de aplicaciones de WSN24

� Operaciones de recuperación de desastres� Lanzar nodos sensores desde una

aeronave sobre un incendio de vegetación


aeronave sobre un incendio de vegetación� Cada nodo mide la temperatura� Priduece un “mapa de temperatura”

� Mapeo de Biodiversidad� Use nodos sensores para observar la vida

silvestre


� Edificios (o puentes) inteligentes� Reducción del desperdicio de energía

por el control apropiado de la Humedad, Ventilación y Aire


Humedad, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC)

� Se requiere medir la ocupación de los ambientes, temperatura, flujo de aire, …

� Monitorización de esfuerzo mecánico después de un terremoto


� Supervisión y mantenimiento preventivo de maquinaria� Incrustrar funciones de sensado/control en

lugares inaccesibles para los cables

Por ej., monitorización de la presión de neumáticos


� Por ej., monitorización de la presión de neumáticos

� Agricultura de precisión� Suministro de fertilizantes/pesticidas/irrigación sólo

donde sea necesario

� Medicina y salud� Cuidados intensivos post-operatorios

� Supervisión a largo plazo de pacientes con enfermedades crónicas o de ancianos


� Monitorización de puentes� Monitorización de la Salud Estructural (Structural

health monitoring -SHM-) es un método preventivo basado en sensores

� En California, 13% de los 23,000 puentes tienen deficiencias estructurales, y el 12% de los


� En California, 13% de los 23,000 puentes tienen deficiencias estructurales, y el 12% de los 600,000 puentes de EEUU también.

� New York es el primer estado de EEUU con un sistema de monitorización de puentes 24/7

� En Bogotá se han instalado sensores inalámbricos en la totalidad de los puentes de la ciudad



Agricultura

Ej. desplegado en TU Delft

Roles de los participantes en una WSN

29

� Fuentes de los datos: medirlos y reportarlos “a alguna parte”

� Equipados típicamente con diferentes clases de sensores


� Sumideros de datos: interesados en recibir los datos de la WSN

� Pueden ser parte de la WSN o de una entidad externa, PDA, pasarela, …

� Actuadores : controlan algún dispositivo en función de los datos, usualmente también un sumidero

Estructuración de los tipos de aplicación de las WSN

30

� Patrones de interacción entre fuentes y sumideros� Detección de eventos : Los nodos detectan los

eventos localmente (quizás con la ayuada de vecinos) y los reportan a los sumideros interesados


y los reportan a los sumideros interesados� Medidas periódicas� Aproximación de funciones : usar la red de

sensores para aproximar una función del espacio y/o tiempo (por ej. Un mapa de temperaturas)

� Detección de bordes : encontrar los bordes (u otras estructuras) en dicha función por ej., donde está la frontera de los cero grados?)

� Rastreo : reportar (o por lo menos conocer) la posición de un intruso observado (“elefante rosado”)

Opciones de despliegue de WSN31

� Cómo se despliegan los nodos de sensores en el ambiente? � Lanzados desde una aeronave: despliegue aleatorio

� Usualmente supone una distribución alaatoria unifome de los nodos sobre un área uniformeEs ésta una proposición aceptable?


� Es ésta una proposición aceptable?

� Bien planeada, fija: despliegue regular� Por ej., en mantenimiento preventivo o similar� No necesariamente en un estructura geométrica, pero a

menudo una suposición conveniente

� Nodos sensores móviles� Pueden moverse para compensar limitaciones en el

despliegue� Pueden ser movidos pasivamente por alguna fuerza externa

(viento, agua)� Pueden buscar activamente áreas “interesantes”

Opciones de mantenimiento32

� Es factible y/o práctico realizar mantenimiento de nodos sensores?� Por ej., para reemplazar baterías?� O para operación desasistida? � Imposible pero irrelevante? El tiempo de vida de la

misión puede ser muy corto


misión puede ser muy corto

� Suministro de energía? � Limitado desde el punto del despliegue? � Algún tipo de recarga, captación de energía desde el

ambiente?� Por el., celdas solares

Requerimientos característicos de WSN

33

� Tipo de servicios de WSN� No la simple transferencia de bits como otras redes� Más bien: suministrar respuestas (no simplemente

números)Aspectos como el enfoque geográfico son


� Aspectos como el enfoque geográfico son requerimientos naturales, no presentes en otras redes

� Calidad de servicio� Las métricas de QoS tradicionales no son aplicables� Sin embargo, el servicio proporcionado por las WSN

debe ser “bueno”: la respuesta adecuada en el momento adecuado


34

� Tolerancia a fallas� Ser robustas respecto a fallas de los nodos

(agotamiento de la energía, destrucción física, …)

� Tiempo de vida


� Tiempo de vida� La red debe cumplir su cometido por tanto tiempo

como sea posible -la definición depende de la aplicaión-

� El Tiempo de vida de los nodos individuales relativamente poco importante

� Pero a menudo se consideran equivalentes


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� Escalabilidad� Soportar gran número de nodos

� Amplia gama de densidades� Gran variedad en el n¨mero de nodos por unidad de área

requeridos, muy dependiente del tipo de aplicaciónProgramabilidad


� Programabilidad� La re-programación de los nodos en el campo puede ser

necesaria, incremento de la flexibilidad� Mantenabilidad

� Las deben adaptarse a los cambios, auto-monitorización, adaptarse a la operación

� Posible incorporación de recursos adicionales por ej., nuevos nodos

Mecanismos requeridos36

� Comunicación inalámbrica multisalto� Operación eficiente en términos de consumo de

energía � Sea para comunicación, cómputo, sensado o

accionamiento


accionamiento

� Auto-configuración� La configuración manual simplemente no es una

opción

� Colaboración y procesamiento dentro de la red� Los nodos en la red colaboran hacia el fin común� El pre-procesamiento de los datos en la red (en

contraposición a hacerlo en los bordes) puede incrementar significativamente la eficiencia

Esquema37




� Aplicaciones de las WSN� Potencial Vs realidad� Mercado & Futuro

Potencial38

� Reporte del US National Research Council ("Embedded Everywhere"): el uso de las WSN podría ser una piedra miliar muy significativa en la revolución de la información.La Technology Review del MIT en febrero


� La Technology Review del MIT en febrero 2003 predijo: las WSN serán una de las tecnologías más importantes en el futuro próximo.

� Nature, en el reporte “2020 computing: Everything, everywhere”, dijo que las WSN serán una de las tecnologías más interesantes.

Potencial39


Potencial40

� The Economist, en abril 2007, ejemplar titulado “When everything connects”.


Potencial41


Realidad42


Realidad43


Realidad44


Realidad45


Outline46

� Infrastructure for wireless?� (Mobile) ad hoc networks� Wireless sensor networks

� Mote Anatomy


� Mote Anatomy� Wireless communication

� Applications of WSN� Potential VS Reality� Market & Future

Esquema47




� Aplicaciones de las WSN� Potencial Vs realidad� Mercado & Futuro

Mercado48

� Hay varias empresas que producen WSN: Sun, Sentilla y Libelium son algunas.

� Los productos que venden son muy diferentes, pero todavía requieren de un experto para


pero todavía requieren de un experto para configurarlos y usarlos.

� Los productos de Sun y Sentilla están basados en Java.

� Libelium está basado en Arduino y software Open Source.

Futuro49


Futuro: moviles como sensores?

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Conclusión54

� Las WSN están aquí para quedarse!

� Son una tecnología nueva, interesante y compleja


compleja

� Queda mucha investigaciøn por hacer

� Lo que se necesita son aplicaciones!

Créditos55

� Se agradece la colaboración en las láminas de:� Bhaskar Raman� Muneeb Ali


� Muneeb Ali� Holger Karl� David Gascon� Antoine Bagula� Claro Noda

Gracias56

Marco [email protected]


www.wsnblog.com

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