Transcript José Ulloa Suárez Cesar León Soledispa Ingeniería WiseConn S.A.

José Ulloa Suárez
Cesar León Soledispa
Ingeniería WiseConn S.A.
Introducción
¿En qué consisten?
Elementos
Métricas
Aplicaciones
Problemas
Estrategias ahorro de energía
Wireless Sensor
Network
La 1ra de las 10 tecnologías emergentes en el 2003
según el MIT.
El número de empresas que fabrican sensores en
un país, está considerado como un indicador
tecnológico.
Integración con otras tecnologías
Agricultura, Biología, Medicina.
Posibilita aplicaciones antes impensables.
Interacción de los seres humanos con el medio.
¿En qué consisten?
Dispositivos pequeños,
autónomos, distribuidos
geográficamente, llamados
nodos sensores instalados
alrededor de un fenómeno
objeto para monitorizarlo, con
capacidad de cómputo (realizar
mediciones), almacenamiento y
comunicación en una red
conectada sin cable.
SENSAR + CPU + RADIO = MILES DE APLICACIONES
Redes desatendidas (sin intervención humana), con alta
probabilidad de fallo (en los nodos, en la topología),
habitualmente construidas ad-hoc para resolver un problema
muy concreto (es decir, para ejecutar una única aplicación).
Elementos de
una WSN
Sensores
De distinta naturaleza y tecnología toman del medio la
información y la convierten en señales eléctricas.
Nodo Sensor
O procesadores de radio, toman los datos del sensor 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 por ejemplo.
Estación Base
Recolector de datos basado en un ordenador común o sistema
embebido.
Red Inalámbrica
Típicamente basada en el estándar 802.15.4 ZigBee.
Métricas de una WSN
EVALUACIÓN WSN
Tiempo de vida.
Cobertura.
Coste y facilidad de
instalación.
Tiempo de respuesta.
Precisión y frecuencia de
las mediciones.
Seguridad.
EVALAUCIÓN NODO SENSOR
Energía
Flexibilidad
Robustez
Seguridad
Comunicación
Computación
Sincronización
Tamaño y costo
Aplicaciones con WSN
Monitorización de Entorno
Aplicación donde un científico quiere recoger lecturas de un
entorno inaccesible y hostil en un período de tiempo para
detectar cambios, tendencias, etc.
Monitorización de Seguridad
Aplicación para detección de anomalías u ataques en entornos
monitorizado continuamente por sensores.
Tracking
Aplicación para controlar objetos que están etiquetados con
nodos sensores en una región determinada.
Redes Híbridas
En general, los escenarios de aplicación contienen aspectos de
las tres categorías anteriores.
Potenciales industrias
Telemetría
Minería
Acuicultura
Domótica
Forestal
Automatización Industrial
Problemas WSN
Optimización en el consumo de energía:
La comunicación es el principal consumidor.
CPU debe estar en estado “sleep”.
Economizar las distancias de las comunicaciones.
Técnicas de software: Programación eficiente.
Ancho de banda y cobertura de red limitados.
Recursos de hardware limitados:
Memoria
CPU
Topología dinámica de la red
Elementos móviles
Nodos con alta probabilidad de fallo
Nodos que entran en el sistema
Estrategias ahorro
energía
Estados generales de un nodo sensor
Sleep
La mayor parte del tiempo.
Wakeup
Minimizar este tiempo para
pasar rápidamente al
estado de trabajo.
Active
Mínimo período de tiempo
de trabajo y retorno
inmediato al estado sleep.
Arquitectura
Arquitecturas propuestas
Elementos lógicos y físicos
Comunicación
Arquitectura
Centralizada
WSN1 instalada
en fenómeno 1
Gateway1
Servidor Central
Red de tránsito
INTERNET
Estación Base
Gateway2
WSN2 instalada
en fenómeno 2
Arquitectura
Distribuida
WSN1 instalada
en fenómeno 1
Cluster Head 1
Gateway1
Servidor Central
INTERNET
Red de tránsito
Estación Base
Cluster Head 2
Nodo Sensor
Humedad Relativa y
Temperatura
Puerto Expansión
(ADC, I/O)
Antena Integrada
Radiación Total y PAR
Puerto JTag
Módulo de
comunicación
inalámbrica
Microcontrolador
(Contiene Sistema
Operativo Embebido)
•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
Comunicación
WiMax
50 Km
200 m
50 m
Z
i
g
B
e
e
250 Kbps
802.11b
802.11a / 802.11g
Bluetooth 2
Bluetooth 1
2 Mbps
Diseñado para sensores y aplicaciones
industriales.
Se basa en estándar IEEE 802.15.4.
(2003)
Especificaciones públicas el 2005.
Hasta 200 m de alcance.
70 Mbps
Hasta 65.000 nodos.
2,4 GHz, 915 y 868 MHz
Hasta 250 kbps y 16 canales.
Topologías Mesh, Cluster tree,
Structural.
Programación
Sistema Operativo para
WSN
(TinyOS, SOS, Contiki)
CC2420 (ChipCon)
TinyOS
Características
Modelo de ejecución y programación
NesC
Integración
TinyOS
Creado por la universidad Berkeley.
Para ejecutar sobre motes: mica, mica2, micadot, micaz, telos.
Diseñado específicamente para sensores en red
Capaz de manejar capacidades limitadas de HW.
Diseñado para escalar con tendencias tecnológicas de la
actualidad.
Operaciones intensivas de concurrencia y garantiza
atomicidad.
Modelo de ejecución
Basado en eventos.
Soporta altos niveles de concurrencia en poca cantidad de
espacio.
Concurrencia
Tareas que se ejecutan hasta completarse en background sin
interferir con otros eventos del sistema. Pueden ser
interrumpidas por eventos del sistema de bajo nivel.
Proporciona mecanismos para crear exclusión mutua en
secciones de código (concepto de atomicidad).
Modelo de
Programación
Basado en componentes (módulos).
Cada módulo es diseñado para operar continuamente
respondiendo a eventos de entrada (alarmas, timers, radio,
etc.).
Cuando llega un evento, trae con él el contexto de ejecución
requerido.
Tareas, Eventos y
Comandos
Conjunto de Tareas
Realizan trabajo principal.
Ejecutan atómicamente respecto
a otras tareas.
Ejecutan concurrentemente con
otros comandos o eventos.
Conjunto de Eventos/Comandos:
Pequeña cantidad de trabajo,
motivada por interrupciones de
HW o señales.
Constituyen la interfaz del
componente.
Grafo de
Componentes
Programación permite:
Modularidad eficiente
Fácil composición.
Tipos de componentes:
Abstracciones de HW
• Mapean HW físico en el modelo
de componentes de TinyOS. Ej:
RFM
Hardware sintético
Grafo de componentes para una
aplicación de enrutamiento
• Simulan el comportamiento de
HW avanzado. Ej: RadioByte
Comp. De SW de alto nivel
• Control, enrutamiento,
transferencia de datos,
cálculos, agregación de datos.
Lenguaje de
Programación
NESC
NesC
Lenguaje de programación diseñado para programar
componentes.
APLICACIÓN = COMPONENTE 1 + COMPONENTE 2 + COMPONENTE 3 + …
Sintaxis parecida a C (dirigido por eventos).
Semántica:
Implementación de interfaces.
Programación orientada a eventos.
Programación de componentes:
Implementación -> qué componentes se proporciona
Configuración -> qué componentes se usan para proporcionar la
interfaz a un componente.
Estructura de un
componente
Lógicamente
Configuration
• En general vacía. Sólo contendrá algo si se pretende crear un
componente no mediante su implementación directa (en Module) sino
ensamblando otros componentes ya creados.
Implementation
• Define las conexiones que hay entre los diferentes componentes que
usa la aplicación.
Module
• Contiene la implementación del comportamiento del componente.
Físicamente (2 Ficheros)
Configuración e Implementación (miaplicacion.nc).
Módulos (miaplicacionM.nc).
Se pueden incluir librerías (.h)
Ejemplo de un
componente