WIRELESS SENSOR NETWORKS Redes de sensores inalámbricas Alfonso Calvo Montes Ismael Nistal González
1. Introducción
Definición: - Es una red:
Asociación de nodos que presenta una configuración ad hoc.
- Es inalámbrica: No hay medio físico que se encargue del trasvase de la información. - Es de sensores: Pequeños sensores con funcionalidad concreta y preestablecida. Recogen datos tales como la temperatura, movimiento, colores…
Características principales: - Son nodos autoconfigurables. - Bajo consumo de energía. - “Smart dust”: nodos pequeños, eficientes, casi indetectables, baratos, numerosos y gran capacidad informativa hacia sus iguales
Nacimiento: Los inicios de las Wireless Sensor Networks (wsn) fueron de la mano de la DARPA, la agencia militar de investigación avanzada de los E.E.U.U.
2. Áreas de actuación
Vigilancia y seguridad: Capaces de detectar movimiento, sonido, temperatura,
Investigaciones medioambientales: Permiten un estudio detallado y
Control de calidad en la industria: Detección y corrección de fallos puntuales
Automoción: Accionar limpiaparabrisas si ha empezado a llover, reducción de la
Medicina: Sensores capaces de indicar las variaciones en el organismo del paciente
y , en definitiva, cualquier característica que sea necesaria controlar para mejorar la seguridad (cámaras acorazadas de bancos, bases militares…).
objetivo tanto de animales como de parajes o ecosistemas: detectar alarmas ecológicas, perseguir a cazadores furtivos, pirómanos...
y diminutos con gran facilidad: piezas más largas de lo normal, transmisiones que no llegan al receptor…
velocidad si hay un automóvil delante…
y actuar de una manera rápida y eficiente.
Domótica: Alcanzar el concepto de “casa inteligente”. Información sobre la
Aplicaciones Militares: Sensores en un determinado paraje con el fin de
temperatura, luminosidad para accionar ciertos electrodomésticos
detectar movimientos del enemigo, detección de misiles en aviones…
3. Conceptos básicos de las wsn 3.1 Estructura de las redes de sensores
Sensores: Convierte la información que observa en señales eléctricas. Nodos: Físicamente son los sensores, pero envían estas señales eléctricas a la estación base.
Gateaway: Interconexión entre una red de sensores y una de datos. Estación base: Recolector de datos.
3.2 Estado de los nodos de una red de sensores
Sleep (durmiendo): Estado en el que el nodo pasa la mayor parte del tiempo para ahorrar energía.
Wake Up (despertando): Estado de transición entre el sleep y active.
Active (activo): Momento de transmisión de la información.
Nota: Se trata de buscar transiciones entre estados lo más rápido posibles para alcanzar sleep cuanto antes y conseguir así, el bajo consumo energético.
3.3 Características de las redes de sensores Î
Topología dinámica: Facilidades para cambiar su forma.
Î
Variabilidad del canal: Canal radio por el que se transmiten los
Î
Tolerancia a errores: Inmunidad frente a caídas en nodos.
Î
Ausencia de infraestructura de red: Los nodos actúan de
datos puede estar expuesto a frecuentes variaciones que perjudiquen la comunicación.
transmisores, receptores o enrutadores. No necesitan periféricos para realizar estas funciones.
Î
Comunicaciones multisalto o broadcast.
Î
Bajo consumo.
Î
Limitación en el hardware: Hay que tener en cuenta el lugar del
emplazamiento de los nodos para el desarrollo de su soporte físico.
3.4 Estimación de las distancias en las redes de sensores inalámbricas Permite determinar cuál es el mejor camino a seguir para la información.
RSSI: Received Signal Strengh Indicator: Se basan en el conocimiento de
la potencia de transmisión y el coeficiente de pérdidas del medio.
ToA, ToDA: Time of Arrival, Time Difference of Arrival: Se basan en el
conocimiento de la potencia de transmisión, velocidad de propagación y momento de recepción.
Posicionamiento por solapamiento: Se basan en el uso de nodos ancla. Triangulación y solapamiento: Determinación y solapamiento de los triángulos de los nodos ancla en los que se encuentra el nodo a posicionar.
Posicionamiento por solapamiento
Triangulación y solapamiento
4. Factores de diseño 4.1 Consumo
≤ 1.2 V ≤ 0.5 Ah (Amperios/hora) Bajo consumo CPU - Transceptor y sensor -
Memoria externa y periféricos Ciclos de reloj
Disminuir los tiempos de activación y desactivación. Incluir nodos intermedios, alimentados por la red eléctrica que hicieran las funciones de routers para el encaminamiento de datos (evitan que todos los nodos estén en espera en comunicaciones multisalto).
4.2 Topología de la red La topología varía en función del uso que se le de a las redes de sensores inalámbricas: ¾ ¾
Red Mallada: Clásica estructura en forma de rejilla. Red en estrella: Es la más usada. Entran en juego los routers para conseguir que los nodos sigan siendo sencillos y de baja poca potencia.
4.3 Conformación de hardware El hardware que compone los nodos se puede dividir en 4 unidades:
Unidad sensora: Consta de los sensores que se van a encargar de recibir la información externa, junto con un convertidor analógico/digital, necesario para la transmisión digital por el canal. Los sensores dependen de parámetros electrónicos tales como: - Voltaje de operación, corriente de operación - Factor de reducción
Unidad de potencia: potencia Se encarga de la alimentación del nodo
Unidad de transmisión-recepción
Unidad de proceso: Puede contener un dispositivo de proceso almacenamiento de pequeño tamaño necesario para albergar datos de utilidad (algoritmos para el cálculo de distancias, posición de las gateway, etc)
5. ZigBee
5.1 Introducción
Definición:
Objetivos:
ZigBee o “el zumbido de las abejas” es el estándar que define las redes de sensores inalámbricas con el estándar IEEE 802.15.4 que usará como base para las capas inferiores.
- Transmisión de pocas cantidades de datos. - Bajo consumo de potencia. - Seguridad y bajo coste.
Origen: Nace a partir de la
ZigBee Alliance, complejo de más de 100 empresas (Mitsubishi, Philips, Motorola…).
5.2 Características de ZigBee
Consumo eléctrico bajo: 30 mA transmitiendo y 3 mA en reposo.
Velocidad máxima de transmisión: 256 kbps.
Potencia de transmisión: 1 mW, con un radio de acción entre los 10 y 100 metros.
Número máximo de nodos: 65534.
Utiliza la banda ISM: 868 MHz en Europa, 915 MHz en EEUU y 2.4 GHz en todo el mundo.
Coste de cada módulo de aproximadamente 2 €.
5.3 Comparativa Ancho de Banda
Consumo de potencia
Wi-Fi
Bluetooth
Estándar
ZigBee
Ventajas
Aplicaciones
Hasta 54Mbps
400ma transmitiendo, 20ma en reposo
Gran ancho de banda
Navegar por Internet, redes de ordenadores, transferencia de ficheros
1 Mbps
40ma transmitiendo, 0.2ma en reposo
Interoperatividad, sustituto del cable
Wireless USB, móviles, informática casera
250 kbps
30ma transmitiendo, 3ma en reposo
Batería de larga duración, bajo coste
Control remoto, productos dependientes de la batería, sensores , juguetería
5.4 Tipos de dispositivos
Coordinador ZigBee (ZC): Dirige la red y permite la comunicación entre otras redes, posee memoria y capacidad de cómputo.
Dispositivo de funcionalidad completa (FFD): Funciona como coordinador o enrutador, permite la comunicación con el usuario.
Dispositivo de funcionalidad reducida (RFD): Nodos.
5.5 Arquitectura ZigBee (I) 5.5.1 Capa física (PHY) Permite inicializar el transmisor de radio frecuencia (RF) para la transmisión de bits, recibir bits, seleccionar el canal libre y evaluar la calidad tanto de paquetes como del canal. Banda
Tasa de bit
Tasa de símbolo
Canales disponibles
Modulación
Tasa de chip
868.3 MHz
20 kbps
20 ksymbol/s
1
BPSK
300 kchip/s
902/928 MHz
40 kbps
40 ksymbol/s
10
BPSK
600 kchip/s
2,4 GHz
250 kbps
62,5 ksymbol/s
16
O-QPSK
2 Mchip/s
El bit de entrada “0” pasara a corresponder al valor de chip 111101011001000 El bit de entrada “1” pasara a corresponder al valor de chip 000010100110111
5.5 Arquitectura ZigBee (II) 5.5.2 Capa de enlace (MAC) Es una de las capas más importantes ya que permite obtener el mínimo consumo en los Nodos. ¾
Mecanismos de acceso al canal: - Redes sin balizas: Utiliza un estándar ALOHA CSMA-CA que envía
reconocimientos por paquete recibido. Se puede transmitir en cualquier momento y los demás nodos pueden interferir. Coordinador siempre alimentado. Puede estar el canal ocupado.
- Redes con balizas: Coordinador elige tiempos de balizamiento entre 4 ms y 4 minutos. Se hace un broadcast y al nodo que le toque transmite y sino, se duerme. ¾ ¾
Direccionamiento con 64 bits y un direccionamiento opcional de 16 El estándar 802.15.4 proporciona distintos niveles de seguridad.
5.5 Arquitectura ZigBee (III) 5.5.3 Capa de red (NWK) Se encarga de enrutar y encaminar paquetes para los distintos nodos de la red; cifra, filtra y autentifica los distintos paquetes recibidos, implementa la seguridad, crea la red y asigna las direcciones a cada nodo. Diseña las distintas topologías de red que soporta ZigBee:
5.5 Arquitectura ZigBee (IV) 5.5.4 Capa de aplicación ¾
¾
¾
Destinada a la interacción entre el nodo y el usuario. Se divide en: - APS: Comunicación entre los nodos de la red - ZDO: Supervisa APS y permite establecer enlaces con dispositivos externos. Se permiten 240 objetos ya que el 0 se reserva para la interfaz ZDO, el 255 para el broadcast y los restantes para usos futuros.
GRACIAS
