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Estado del Arte y aplicaciones
Por: Francisco Javier Valenzuela Riquelme
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1.- Introducción
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2.- ¿Qué son las Redes de Sensores Inalámbricos (WSN)?
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3.- Elementos de las WSN.
◦ 3.1.- Nodos Sensores.
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4.- Arquitectura Protocolar
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5.- Aplicaciones
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6.- Ventajas y Desventajas
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7.- Tendencias
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8.-Conclusiones
1.-Introducción
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Aspectos Relevantes de las WSN.
Últimas Tendencias en tecnología.
Revolución en Telecomunicaciones.
Computación Ubicua.
Normas IEEE.
Orígenes de las WSN.
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Localización.
Navegación por alcance de sonido (SONAR).
Primera red de sensores fue desarrollada por
EEUU en el marco de la guerra fría
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Las redes de sensores pueden considerarse un campo
específico dentro de la Computación Ubicua.
Una Red de Sensores Inalámbricos (WSN:Wireless Sensor
Network)
es
un
conjunto
de
elementos
autónomos(nodos)
interconectados
de
manera
inalámbrica, que colaboran con el objetivo de resolver
una tarea en común.
Las WSN están conformadas por un grupo de sensores
con ciertas capacidades sensitivas y de comunicación
inalámbrica los cuales permiten formar redes ad-hoc
sin
infraestructura
física
preestablecida
ni
administración central.
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Una red ad hoc es una red inalámbrica descentralizada. La red
es ad-hoc porque cada nodo está preparado para reenviar datos a
los demás y la que los router llevan a cabo esa función. También
difiere de las redes inalámbricas convencionales en las que un nodo
especial, llamado punto de acceso, gestiona las comunicaciones con
el resto de nodos.
Las redes ad hoc antiguas fueron las PRNETs de los años 70,
promovidas por la agencia DARPA del Departamento de Defensa de
los Estados Unidos después del proyecto ALOHAnet
2.-¿Qué son las redes
de sensores
inalámbricos? (WSN)
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El número de nodos en una WSN puede ser varias veces mayor (miles
de nodos) y en un área dada, el número de nodos puede ser muy
elevado (gran densidad).
Un nodo dispone de unos recursos limitados y es propenso a fallos.
Únicamente logrando una cooperación y coordinación real de todos
los nodos, se puede lograr que la red en conjunto funcione
correctamente.
Un nodo sensor usa normalmente mecanismos de broadcast para
comunicarse con su entorno mientras que la mayoría de las redes
ad-hoc están basadas en comunicaciones punto a punto.
Un nodo sensor tiene limitada su capacidad de memoria,
procesamiento y se alimentan con baterías.
Los nodos sensores no suelen tener un identificador global, como
supone una dirección IP, por la sobrecarga computacional y de
memoria que introducen y, por definición, el elevado número de
nodos sensores que hay en la red.
Antecedentes importantes: En 2003 la Comunidad Industrial InalámbricaI WC y la
Oficina para la Renovación y Uso Eficiente de la Energía, del Departamento de
Energíade USA, emitieron un informe conjunto denominado “Industrial Wireless
Technology forthe 21st century“ donde se indican los nuevos paradigmas
industriales para este siglo:
 Mejora continua en la calidad del producto.
 Costos de capital minimizados.
 Vida útil del equipamiento extendida.
 Operaciones en líneas de producción del tipo ráfagas.
 Menores costos de operación.
 Disponibilidad de equipos en continuo crecimiento.
En el informe citado se señala una serie de inconveniente que actualmente aquejan a
las instalaciones de redes cableadas. Entre ellas se citan:
 Altos costos de instalación.
 Altos costos de mantenimiento.
 Aumentos constantes de los costos.
 Alta tasa de falla en conectores.
 Dificultad para detectar los problemas en conectores.
Por lo que proponen que se adopte como
plataforma de comunicación a las redes
inalámbricas porque inducen:
 Bajos costos de instalación y mantenimiento.
 Facilidad en el reemplazo y mejoramiento.
 Tasa de fallas muy baja en las interfaces
físicas.
 Disponibilidad amplia y absoluta en sistemas
micro-electrónico-mecánicos.
 Encargo rápido
Años
1980’s
1993
1999-2003
Eventos
Sensores distribuidos conectados mediante cables.
Proyecto LWIN en la UCLA
Proyecto DARPA (Defense Advanced Research Project Agency)SensIT. UC Berkeley, University Southern California, University Cornell
2001
Laboratorio de investigación de Intel se enfoca a las WSN.
2002
NSF (National Science Foundation) funda el Center for Embedded
Networked Sensing.
2001-2002
2003-2004
2005-2006
Emerge la industria de las WSN; comienza con compañías tales como
Sensoria, Crossbow,EmberCorp, SensiCast. Luego se instalan Intel,
Bosch, Motorola, Genera lElectric, Samsung.
Norma IEEE802.15.4. ZigBee Alliance.
Establecimiento del modelo TELOS (Universidad de California
Berkeley&Moteiv Corp) de sensor, que implementa totalmente el
concepto de software empotrado.
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CONSERVACIÓN DE ENERGÍA: Debido al tamaño reducido de los
nodos el ahorro de consumo de energía es vital en este tipo de
redes, ya que es casi imposible la recarga y se pretende lograr su
máxima eficiencia.
COMUNICACIONES DE BAJA CALIDAD: Se pretende aplicar
sensores en ambientes cuyas condiciones climáticas son
extremas, por lo que la calidad de la radio comunicación puede
ser muy pobre, dificultando así la detección.
OPERACIÓN EN AMBIENTES HOSTILES: Se deben establecer
protocolos que sean fuertes ante posibles fallas de los sensores,
debido a que los ámbitos de acción serán ambientes hostiles que
requieren nodos físicos diseñados con mucho cuidado.
PROCESAMIENTO OBLIGADO DE LOS RECURSOS: Los recursos
disponibles son aún más críticos en este tipo de redes que en las
redes ad-hoc, por lo que los protocolos a desarrollar deberían
conseguir una Calidad del Servicio lo más alta posible.
3.- Elementos
de las WSN
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SENSORES: Toman del medio la información y
la convierten en señales eléctricas.
NODOS (Motas): Toman los datos del sensor y
envían la información a la estación base.
GATEWAY: Elementos para la interconexión
entre la red de sensores y una red de datos
(TCP/IP).
ESTACIÓN BASE: Recolector de datos basado
en un ordenador común o sistema embebido.
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Un
nodo
sensor
es
un
elemento
computacional
con
capacidad
de
procesamiento,
memoria,
interfaz
de
comunicación y puede formar conjuntos de
sensores
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En general, un nodo genérico dispondrá de los siguientes bloques funcionales:
- Unidad de proceso: Por su coste, se suelen emplear microcontroladores. Está
encargado de gestionar todas las actividades del nodo entre las que destacan la
captura de datos y su procesado, labores críticas de comunicación con otros
nodos y la gestión eficiente de la energía disponible.
- Memoria: Para realizar las funciones anteriormente mencionadas, la unidad de
proceso se apoya en el módulo de memoria (almacenamiento de datos de los
sensores, información relevante para las tareas de comunicaciones, etc.).
- Módulo sensor: se trata de un sensor o un grupo de ellos, conectados con la
unidad de proceso. Miden parámetros físicos de su entorno (temperatura, presión,
intensidad lumínica, humedad, movimiento, etc.).
- Módulo de comunicaciones inalámbricas o transceiver: Es la interfaz a través de
la cual el nodo interacciona y se comunica con sus nodos vecinos. Debido a las
restricciones son dispositivos de corto alcance (metros) y baja velocidad (varios
Kbps).
- Sistema de alimentación: Cada nodo debe estar equipado con su propia fuente
de alimentación y es el recurso que limita la vida útil del nodo y una de las
principales restricciones y requisitos de diseño. Normalmente son baterías
autónomas aunque, también se contempla el uso de placas solares.
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Las principales casas que disponen de
tecnologías para redes de sensores
inalámbricos son las siguientes:
Crosssbow: Ha estado a la vanguardia de la
tecnología de sensores inteligentes durante
más de una década desarrollando
plataformas de software y hardware que dan
soluciones en redes. Entre sus productos de
módulos inalámbricos podemos encontrar las
plataformas Mica, Mica2, Micaz, Mica2dot,
telos, telosb, Iris e Imote2.
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Sentilla: También llamada anteriormente
MoteIV. Es la encargada de los motes Tmote
Sky y Tmote Invent.
4.-Arquitectura
protocolar de
WSN
-PalOs: Es un sistema operativo desarrollado por la
UCLA (Universidad de California). El modelo de
Para un correcto funcionamiento de esta estructura
de software, es necesario que un“timer” maneje
la periodicidad con que una tarea registra
eventos. La forma en que se implementa es a
través de una tarea “timer”. Esta posee tres colas:
1. “Cola Nexo”, encargada de interactuar con las
demás tareas (recibe el envío de otras tareas).
2. “Cola Delta”, en la cual se ordenan los distintos
eventos dependiendo del tiempo de expiración
3. “Eventos Expirados”, donde se van colocando
para su posterior ejecución.
-SOS: Fue desarrollado en la Universidad de UCLA específicamente
en el “Networked and Embedded Systems Lab (NESL)”.
Implementa un sistema de mensajería que permite múltiples
hebras entre la base del sistema operativo y las aplicaciones, las
cuales pasan a ser módulos que pueden ser cargadas o
descargadas en tiempo de ejecución sin interrumpir la base del
sistema operativo. Además procura remediar algunos de las
limitaciones propias de la naturaleza estática de muchos de los
sistemas precursores a este (por ejemplo TinyOS).
El principal objetivo de SOS es la reconfigurabilidad.
Además de las técnicas tradicionales usadas en el diseño de
sistemas embebidos, las características del kernel de SOS son:
• Módulos cargados dinámicamente.
• Programación flexible de prioridades.
• Subsistema para manejo de memoria dinámica.
Las capas de abstracción de hardware y drivers son de la misma
forma que para el sistema PalOS.
-TinyOS: Fue desarrollado por la Universidad de Berkeley (California). TinyOS
puede ser visto como un conjunto de programas avanzados, el cual cuenta
con un amplio uso por parte de comunidades de desarrollo, dada sus
características de ser un proyecto de código abierto (Open Source). Este
“conjunto de programas” contiene numerosos algoritmos, que nos permitirán
generar enrutamientos, así como también aplicaciones pre-construidas para
sensores.
Está escrito en base a NesC, un meta-lenguaje que se deriva de C, diseñado
para responder a las necesidades que existen en los sistemas embebidos. El
método de diseño es orientado a componentes. Cada componente usa
eventos y comandos que rápidamente permitan la transición de un estado a
otro. Además existen tareas, que solicitan el contexto de ejecución de la CPU
para realizar cómputos o procesamientos duraderos. Estas tareas se ejecutan
completamente con respecto a otras tareas, es decir, las tareas no pueden
dividirse para comenzar con otra y luego retomarlas, más si pueden ser
interrumpidas periódicamente por acontecimientos de una prioridad más alta
(eventos).
Actualmente se utiliza una cola FIFO (primero en entrar, primero en salir) para
el scheduler, no obstante un mecanismo alternativo podría ser agregado
fácilmente.
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-CONTIKI: Es un Sistema Operativo de libre distribución para usar en
un limitado tipo de computadoras, desde los 8 bits a sistemas
embebidos en microcontroladores, incluidas motas de redes
inalámbricas.
-CORMOS: Es un sistema operativo para comunicaciones de tiempo
real aplicado específicamente para redes de sensores inalámbricas
-ECOS (Embedded Configurable Operating System): Es un sistema
operativo gratuito, en tiempo real, diseñado para aplicaciones y
sistemas embebidos que sólo necesitan un proceso. Se pueden
configurar muchas opciones y puede ser personalizado para cumplir
cualquier requisito, ofreciendo la mejor ejecución en tiempo real y
minimizando las necesidades de hardware.
-MagnetOS: Sistema operativo distribuido para redes de sensores
adhoc, cuyo objetivo es ejecutar aplicaciones de red que requieran
bajo consumo de energía, adaptativas y fáciles de implementar.
-EYESOS: Se define como un entorno para escritorio basado en Web,
permite monitorizar y acceder a un sistema remoto mediante un
sencillo buscador.
La programación de sensores es complicada, entre otras dificultades está
la limitada capacidad de cálculo y la cantidad de recursos. Y así como en
los sistemas informáticos tradicionales encontramos entornos de
programación prácticos y eficientes para depurar código y simular.
Podemos encontrar lenguajes como:
nesC: Lenguaje que utilizamos para nuestras motas, y que está
directamente relacionado con TinyOS.
Protothreads: Específicamente diseñado para la programación concurrente,
provee hilos de dos bytes como base de funcionamiento.
SNACK: Facilita el diseño de componentes para redes de sensores
inalámbricas, sobre todo cuando la información o cálculo a manejar es
muy voluminoso, complicado con nesc, este lenguaje hace su
programación más fácil y eficiente. Luego es un buen sustituto de nesc
para crear librerías de alto nivel a combinar con las aplicaciones más
eficientes.
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c@t: Iniciales que hincan computación en un punto del
espacio en el tiempo (Computation at a point in space (@)
Time).
DCL: Lenguaje de composición distribuído (Distributed
Compositional Language).
galsC: diseñado para ser usado en TinyGALS, es un
lenguaje programado mediante el modelo orientado a
tarea, fácil de depurar, permite concurrencia y es
compatible con los módulos nesc de TinyOS.
SQTL: (Sensor Query and Tasking Language): Como su
nombre indica es una interesante herramienta para
realizar consultas sobre redes de motas.
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Los protocolos WSN comprenden las capas:
Física
Enlace de Datos
Red
Las aplicaciones de los usuarios se forman
sobre la capa de red.
Escalabilidad: Las redes de sensores son por definición dinámicas,
y el agregar nodos es totalmente normal. Por tanto, debe estar
preparado para trabajar con diferentes números de nodos.
Predecir los tiempos de retrasos: Los protocolos deben contener un
mecanismo que evite tener que preocuparse del correcto
funcionamiento en función de la disposición de los nodos,
proximidad, calidad del canal, entre otros.
Adaptabilidad a los cambios mencionados anteriormente.
Eficientes a la hora de gestionar la energía, como principal desafío
de las redes de sensores, la cantidad de energía utilizada en el
envío, recepción de paquetes en las redes inalámbricas es
esencial, ya que a menor energía utilizada mayor tiempo de vida
para la red.
Fiables, evitando los bloqueos, la pérdida de paquetes, la
desaparición de nodos y respondiendo a interferencias o ataques
externos a la red.
Los estándares consisten en una recopilación de especificaciones que regulan la
realización de procesos para garantizar la interoperabilidad de diversos
productos.
En el entorno de las comunicaciones inalámbricas podemos mencionar algunos
como:
• Bluetooth (IEEE802.15.1): permite comunicaciones radio de 720 kbps (1 Mbps
de capacidad bruta) en radios de cobertura de entre 10 y 100 metros con un
consumo de corriente de 40 mA. Los datos son sincronizados entre
ordenadores, teléfonos móviles y otros periféricos tales como impresoras,
PDAs, etc.
• Wimax (IEEE802.16): permite trabajar a una tasa de transmisión de 70 Mbps
en radios de cobertura de hasta 48 kilómetros a frecuencias de 2,5 y 3,5
Ghz.
• Wifi (IEEE802.11): permite transmisiones de datos de entre 11 Mbps
(IEEE802.11b) y 54 Mbps (IEEE802.11g) y opera en las bandas de radio de 2,4
- 2,5 Ghz. 8 Localización de nodos en una red inalámbrica de sensores.
• IEEE802.15.4: permite transmisiones de datos de entre 20 a 250 kbps en
radios de cobertura de entre 10 y 75 metros soporta bandas de radio de
2400-2483,5 MHz (utilizado en todo el mundo) empleando 16 canales.
También es compatible en las bandas de 868-868,8 MHz (Europa) y 902928 MHz (Norte América), hasta diez canales (2003) extendidos a treinta
(2006).
Las principales características de este estándar son:
• Flexibilidad en la red debido a la facilidad de integración en la
red mostrada por sus dispositivos ya que cada nodo puede
iniciar su participación en la red, y el intercambio de información
se realiza sin demasiado esfuerzo de instalación.
• Bajo coste, debido al uso de componentes de coste reducido.
• Bajo consumo de energía: se trata de uno de los objetivos
primordiales de este estándar ya que al tratarse del uso de
dispositivos inalámbricos, deberemos utilizar baterías y
conseguir un consumo mínimo para evitar de reponer las
baterías de manera frecuente. Para ello utilizamos una potencia
de transmisión y un radio de alcance limitados (10 y 75 metros) y
además utilizando unos ciclos de trabajos bastante bajos del
orden de un 0,5%. Por ejemplo, en caso de que utilicemos una
batería de una capacidad de 750 mAh en un rango de 10 metros,
con un consumo de 10 mA de corriente en estado activo, nuestra
batería podría alcanzar una duración de dos años si el ciclo de
trabajo es inferior a 0,5%.
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Las comunicaciones inalámbricas son inherentemente inseguras.
En el comienzo de esta tecnología, el principal objetivo era el ahorro de
potencia. Es por esto que los protocolos creados y el software
correspondiente se centraban en esta tarea más que en proporcionar una
comunicación relativamente segura.
El método que se utiliza excluyentemente es la encriptación por clave
simétrica (por ser relativamente sencillo de implementar). Aún así, estos
algoritmos deben ser implementados cuidadosamente. Actualmente existen
dos protocolos que cumplen esta función: μTESLA y SNEP. El primero provee
autenticación, mientras que el segundo provee confidencialidad,
autenticación y frescura.
La encriptación a nivel enlace y los mecanismos de autenticación
mencionados, si bien proveen un nivel básico de seguridad contra intrusos
de pequeño poder computacional, no son suficiente protección contra
ataques de mayor escala. El diseño de protocolos seguros para redes de
sensores inalámbricos es un área que todavía se encuentra en desarrollo.
5.-Aplicaciones
en WSN
6.-Ventajas y
Desventajas en
WSN
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Dentro de las ventajas que encontramos en las WSN, podemos
mencionar las siguientes
- Tiempo de vida
- Cobertura
- Costos y facilidad de instalación
- Tiempo de Respuesta
- Bajo consumo de potencia
- Precisión y frecuencia de las mediciones
- Seguridad (aún es un campo en desarrollo, sin embargo han
logrado introducirse algoritmos criptográficos que proveen de
seguridad y eficiencia a la red).
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.
7.-Tendencias
8.-Conclusiones
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Debido a las excelentes características de este tipo de
redes, en la actualidad se están utilizando las redes de
sensores en infinidad de proyectos relacionados con
distintos campos como pueden ser: medio ambiente,
salud, el ámbito militar, construcción y estructuras,
automoción, demótica, agricultura, etc.
Gracias a la utilización de esta tecnología en los diversos
campos se está alcanzando un mayor nivel de control y
monitorización lo cual lleva a una mejora del manejo del
medio en que se están utilizando y de respuesta frente a
inconvenientes o simplemente para el perfeccionamiento
del mismo. El incremento de estos nodos en nuestro día a
día conlleva un mayor interés por conseguir un mejor
rendimiento y funcionamiento.
Estamos ante una “tecnología” bastante reciente:
• Mucho diseño, poco funciona.
• No existe la “killer application”
• ¿Wireless? Sensor Networks -> el 99% de las redes de hoy son cableadas
• No existe una tendencia clara:
• En S.O.
• En plataforma HW.
• ¿Qué nos impide avanzar?
• Diseño “verticalmente integrado” que impide sinergia entre diferentes grupos de
investigación.
• Falta de estándares y protocolos comunes.
• Limitación de los recursos: energía y capacidad de CPU, memoria.
• En palabras de David Culler: the lack of an overall sensor network architecture
• En un futuro:
• Nanotecnología, MEMS, acabarán con la limitación de recursos como CPU o
memoria.
• Persistirá la limitación de energía
FIN…
Gracias por su
atención
Estado del Arte y aplicaciones
Por: Francisco Javier Valenzuela Riquelme