REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS WSN (UPT-ARAGUA)

  

¿QUÉ SON LAS REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS?

Una gran cantidad de pequeños dispositivos, autónomos, distribuidos físicamente, llamados nodos de sensores, instalados alrededor de un fenómeno para ser monitoreado, con la capacidad de almacenar y comunicar datos en una red en forma inalámbrica.

¿EN QUE CONSISTEN LAS REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS WSN?

La WSN se basa en dispositivos de bajo coste y consumo (nodos) que son capaces de obtener información de su entorno, procesarla localmente, y comunicarla a través de enlaces inalámbricos hasta un nodo central de coordinación. Los nodos actúan como elementos de la infraestructura de comunicaciones al reenviar los mensajes transmitidos por nodos más lejanos hacia al centro de coordinación. La red de sensores inalámbricos está formada por numerosos dispositivos distribuidos espacialmente, que utilizan sensores para controlar diversas condiciones en distintos puntos, entre ellas la temperatura, el sonido, la vibración, la presión y movimiento o los contaminantes. Los sensores pueden ser fijos o móviles.

LAS WSN SE CONSTITUYEN EN BASE A:

• SENSORES: De distintos tipos y tecnologías los cuales toman del medio la infamación y la convierten en señales eléctricas.
•  NODOS DE SENSOR: Toman los datos delsensor a través de sus puertas de datos, y envían la información a la estación base.
•  GATEWAY: Elementos para la interconexión entre la red de sensores y una red TCP/IP.
•  ESTACIÓN BASE: Recolector de datos.
•  RED INALÁMBRICA: Típicamente basada en el estándar 802.15.4 ZigBee.

CARACTERÍSTICAS DE LAS WSN:

Las WSN tienen capacidad de auto restauración, es decir, si se avería un nodo, la red encontrará nuevas vías para encaminar los paquetes de datos. De esta forma, la red sobrevivirá en su conjunto, aunque haya nodos individuales que pierdan potencia o se destruyan. Las capacidades de auto diagnóstico,

Autoconfiguración, auto organización, auto restauración y reparación, son propiedades que se han desarrollado para este tipo de redes para solventar problemas que no eran posibles con otras tecnologías.

• Integración con otras tecnologías:

         Agricultura, biología, medicina, minería, etc.

• Posibilita aplicaciones impensadas.

         Interacción de los seres humanos con el medio.

         Redes vehiculares, etc.

• Menor uso de recursos.

ARQUITECTURA DE UN SISTEMA WSN:

La tecnología inalámbrica ofrece varias ventajas para aquéllos que requieren construir sistemas cableados e inalámbricos y aprovechan de la mejor tecnología para su aplicación. Para hacer esto, necesita una arquitectura de software flexible como NI LabVIEW, una plataforma gráfica de diseño de sistemas. LabVIEW ofrece la flexibilidad requerida para conectar un amplio rango de dispositivos con cable e inalámbricos

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SENSORES INALÁMBRICOS:

1.  TIEMPO DE VIDA
2.  COBERTURA
3.  COSTOS Y FACILIDAD DE INSTALACIÓN
4.  TIEMPO DE RESPUESTA
5.  BAJO CONSUMO DE POTENCIA
6.  PRECISIÓN Y FRECUENCIA DE LAS MEDICIONES
7.  SEGURIDAD

Algunas restricciones las encontramos en :

ENERGÍA, CAPACIDAD DE CÓMPUTO, MEMORIA

• Redes desatendidas (sin intervención humana), con alta probabilidad

de fallo, lo cual se desea aminorar con el MONITOREO de estas.

ELEMENTOS DE UNA RED DE SENSORES INALÁMBRICAS WSN:

Dos enfoque se han adoptados. El primero de integrar todos los componentes (sensores, radiotransmisores y micro controladores) en una sola placa iniciado por Moteiv Corporation (ahora Sentilla1). Tienen un menor costo de producción y resultan más robustos en entornos duros o adversos. La segunda aproximación comenzada por Crossbow Technology Inc.2 es la de desarrollar una placa con los transceptores que se puede conectar a la placa del micro controlador. Esta aproximación es más flexible. Los nodos suelen estar formados por una placa de sensores o de adquisición de datos y un “mote o mota” (placa de procesador y transmisión/recepción de radio). Estos sensores se pueden comunicar con un gateway, que tiene capacidad de comunicación con otros ordenadores y otras redes (LAN, WLAN, WPAN...) e Internet.

En relación con el software que necesitan, existen sistemas operativos específicos, como el TinyOS3para sistemas embebidos. Los sistemas de enrutamiento y la seguridad son fundamentales en la estructura de una red inalámbrica de sensores.

Parámetros de una WNS:

Los valores principales que caracterizan una red inalámbrica de sensores son los siguientes:

· Tiempo de vida

· Cobertura de la red

· Coste y facilidad de instalación

· Tiempo de respuesta

· Precisión y frecuencia de las mediciones

· Seguridad

· Los valores principales que caracterizan al nodo sensor son los siguientes:

· Flexibilidad

· Robustez

· Seguridad

· Capacidad de comunicación

· Capacidad de computación

· Facilidad de sincronización

· Tamaño y coste

· Gasto de energía

SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS :

Los sensores son de distinta naturaleza y tecnología. Toman del medio la información y la convierten en señales eléctricas. En el mercado existen placas con sensores de medida de muy diversos parámetros, como sensores de presión barométrica, GPS, luz, medida de radiación solar, humedad en suelo, humedad aire, temperatura, sonido, velocidad del viento y un largo etc. Ejemplos: MTS300/310, sensor capaz de detectar aceleración, luminosidad, micrófono, sonido, magnetómetro, temperatura, y el MTS420 Sensor capaz de detectar temperatura, humedad, luminosidad, es fotosensible a la luz, contiene un barómetro.

Para entornos de control de sistemas en tiempo real, los transceptores inteligentes cumplen con el estándar IEEE 1451.5 4. De normalización de Sensores: Es una familia de estándares propuestos para definir una interfaz para sensores y actuadores, que sea independiente de los protocolos de la red de comunicaciones utilizada. Los transceptores son sensores o actuadores equipados con micro controladores que les provee de “inteligencia local” y capacidad de comunicación. Diseñado como interfaz entre 802.11 (WiFi), 

802.15.4 (Bluetooth) y 802.15.5 (ZigBee).

802.15.4 ZIGBEE. Norma 802.15.4

ZigBee es una alianza, sin ánimo de lucro, de 25 empresas, la mayoría de ellas fabricantes de semiconductores, con el objetivo de auspiciar el  desarrollo e implantación de una tecnología inalámbrica de bajo costo.

Características:

La aplicación principal es para la monitorización y control.

 La memoria necesaria es de 4KB a 32KB.

Tiene una velocidad de transmisión de 250 Kbps y un rango de cobertura de 10 a

75 metros.

• A pesar de coexistir en la misma frecuencia con otro tipo de redes como WiFi o Bluetooth su desempeño no se ve afectado, esto debido a su baja tasa de transmisión y, a características propias del estándar IEEE 802.15.4.

• Capacidad de operar en redes de gran densidad, esta característica ayuda a aumentar la confiabilidad de la comunicación, ya que entre más nodos existan dentro de una red, entonces, mayor número de rutas  alternas existirán para

garantizar que un paquete llegue a su destino.

• Cada red ZigBee tiene un identificador de red único, lo que permita que coexistan varias redes en un mismo canal de comunicación sin  ningún problema.

Teóricamente pueden existir hasta 16 000 redes diferentes en un mismo canal y cada red puede estar constituida por hasta 65 000 nodos, obviamente estos límites se ven truncados por algunas restricciones físicas (memoria disponible, ancho de banda, etc.).

• Es un protocolo de comunicación multi-salto, es decir, que se puede establecer comunicación entre dos nodos aún cuando estos se encuentren fuera del rango de transmisión, siempre y cuando existan otros nodos intermedios que los interconecten, de esta manera, se incrementa el área de cobertura de la red.

• Su topología de malla (MESH) permite a la red auto recuperarse de problemas en la comunicación aumentando su confiabilidad.

APLICACIONES ACTUALES Y POSIBLES DE LOS SENSORES INALÁMBRICOS WSN:

USOS:

Donde se requiera recoger lecturas. Estas pueden ser en un entorno inaccesible u hostil como también en empresas, fabricas, oficinas u el propio

hogar, durante un período de tiempo, para así detectar cambios, tendencias y datos suficientes para poder generar algún cambio o intervención.

 Como por ejemplo:

 En agricultura.

 En casas domo.

 Tecnología militar.

 Tecnología civil (bomberos)

                                        

                                           

MOTAS:

Las motas pueden incluir sensores de vibración, temperatura, humedad, presión, así como químicos, biológicos y nucleares. Un valor diferenciador de una mota es el hecho de que admita de forma sencilla la conexión de cualquier tipo de sensor, puesto que los datos que se transfieren son independientes de la gestión de red, mencionado posteriormente.

Los componentes de una mota son:

• La batería: actualmente tienen una duración aproximada de hasta 1 año realizando una adecuada gestión del tiempo de transmisión y de procesamiento. La vida de las motas depende de la aplicación y de cómo de optimizadas estén las cosas. Generalmente son pilas de Niquel-Cadmio. Las baterías empleadas actualmente son pilas, aunque ya se está investigando energía alternativa a través de la luz e incluso a través de las vibraciones.
• El microprocesador: su velocidad suele ser de varios Megahertzios y tiene una RAM bastante reducida (alrededor de los 256 Kbytes para RAM y otros 256 KBytes para EEPROM).
• La radio: actualmente, nos encontramos varias alternativas siendo la IEEE 802.15.4 y la Zigbee(futuro estándar de facto que combina la mencionada IEEE 802.15.4 y HomeRFLite) las más prometedoras por el amplio respaldo de las industrias a nivel mundial. Emplean diversas bandas de frecuencia de radio: 2.4 GHz con una velocidad de transmisión de 250 Kbps, 915 MHz (banda americana) con una velocidad de transmisión de 40 Kbps y 868 MHz (banda europea) con unavelocidad de transmisión de 40 Kbps; tienen un alcance entre 5 y 200 metros, siendo 50 metros lo habitual. Bluetooth y la IEEE 802.11b (WLAN) no se emplean en las redes de motas por el alto consumo de energía que conllevan, por el contrario ofrecen velocidades de transmisión de 1 Mbps y 11 Mbps, respectivamente. Sin embargo, se pueden utilizar como punto de acceso o gateways. Estos hechos van a afectar decididamente en la selección de los fabricantes porque no todos están implementando la IEEE 802.15.4.
• Los sensores: cada vez son más pequeños, más potentes y consumen menos energía. Además, de acuerdo a la ley de Moore, se prevé que para el año 2006 cada sensor tenga un coste de 10$. Como ya hemos comentado, el catálogo de sensores es muy amplio y se puede encontrar fabricantes  de diferentes tipos de sensores.
• El software: se suele emplear el lenguaje NESC (similar al lenguaje C) sobre sistemas operativos empotrados como el TinyOS. No obstante, están surgiendo nuevas plataformas. En cuanto a las herramientas de desarrollo SW son aplicables las empleadas en otros desarrollos de sistemas empotrados.

COMPONENTES DE UN NODO WSN:

Un nodo WSN contiene varios componentes técnicos. Estos incluyen el radio, batería, micro controlador, circuito analógico y una interfaz a sensor. Cuando utilice tecnología de radio WSN, debe hacer compensaciones importantes. En sistemas alimentados con batería, altas tasas de datos y uso frecuente de radio consumen mayor energía. A menudo es un requerimiento tres años de vida de una batería, así que hoy en día muchos de los sistemas WSN están basados en ZigBee debido al bajo consumo de potencia. 

Para extender la vida de la batería, periódicamente un nodo WSN se enciende y transmite datos alimentándose del radio y posteriormente apagándose para conservar energía. La tecnología de radio WSN debe eficientizar la transmisión de una señal y permitir al sistema regresar al modosleep con un uso mínimo de energía. Esto significa que el procesador involucrado debe ser capaz de despertar, encenderse y volver a sleep de manera eficiente. La tendencia del microprocesador para WSN incluye la reducción de consumo de energía mientras mantiene o incrementa la velocidad de procesador. Parecido a su opción de radio, la compensación de consumo de energía y velocidad de procesamiento es clave al seleccionar procesador para WSN. Esto hace a la arquitectura x86 una opción difícil para dispositivos alimentados con batería.

GATEWAY  

Es un equipo que permite interconectar redes con protocolos y arquitecturas completamente diferentes a todos los niveles de comunicación. La traducción de las unidades de información reduce mucho la velocidad de transmisión a través de estos equipos.

Operan en los niveles más altos del modelo de referencia OSI y realizan conversión de protocolos para la interconexión de redes con protocolos de alto nivel diferentes.

Los Gateway incluyen los 7 niveles del modelo de referencia OSI, y aunque son más caros que un bridge o un router, se pueden utilizar como dispositivos universales en una red corporativa compuesta por un gran número de redes de diferentes tipos.

Los Gateway tienen mayores capacidades que los routers y los bridges porque no sólo conectan redes de diferentes tipos, sino que también aseguran que los datos de una red que transportan son compatibles con los de la otra red. Conectan redes de diferentes arquitecturas procesando sus protocolos y permitiendo que los dispositivos de un tipo de red puedan comunicarse con otros dispositivos de otro tipo de red.

INTEGRANTES DEL BLOG:

José G. Montes Arráiz

Alfredo Geraldo

2do Año de Informática

UPT-ARAGUA, MARACAY