WIRELESS WIRELESS SENSOR SENSOR

NETWORKSNETWORKSRedes de Redes de sensoressensores

inalinaláámbricasmbricas

Alfonso Calvo MontesAlfonso Calvo MontesIsmael Ismael NistalNistal GonzGonzáálezlez

1. Introducci1. IntroduccióónnDefiniciDefinicióón:n:

-- Es una redEs una red: : AsociaciAsociacióón de nodos que presenta una n de nodos que presenta una configuraciconfiguracióón n ad ad hochoc..

-- Es inalEs inaláámbricambrica: No hay medio f: No hay medio fíísico que se encargue del trasvase sico que se encargue del trasvase de la informacide la informacióón.n.

-- Es de Es de sensoressensores: Peque: Pequeñños os sensoressensores con funcionalidad concreta y con funcionalidad concreta y preestablecida. Recogen datos tales como la preestablecida. Recogen datos tales como la temperatura, movimiento, colorestemperatura, movimiento, colores……

CaracterCaracteríísticas principales:sticas principales:-- Son nodos Son nodos autoconfigurablesautoconfigurables..-- Bajo consumo de energBajo consumo de energíía.a.-- ““Smart dustSmart dust””: : nodos pequenodos pequeñños, eficientes, casi indetectables, os, eficientes, casi indetectables,

baratos, numerosos y gran capacidad informativa hacia sus igubaratos, numerosos y gran capacidad informativa hacia sus igualesales

Nacimiento: Nacimiento: Los inicios de las Los inicios de las WirelessWireless SensorSensor NetworksNetworks ((wsnwsn) fueron ) fueron de la mano de la DARPA, la agencia militar de de la mano de la DARPA, la agencia militar de investigaciinvestigacióón avanzada de los n avanzada de los E.E.U.UE.E.U.U..

2. 2. ÁÁreas de actuacireas de actuacióónnVigilancia y seguridadVigilancia y seguridad: : Capaces de detectar movimiento, sonido, temperatura, Capaces de detectar movimiento, sonido, temperatura, y , en definitiva, cualquier caractery , en definitiva, cualquier caracteríística que sea necesaria controlar para mejorar la stica que sea necesaria controlar para mejorar la seguridad (cseguridad (cáámaras acorazadas de bancos, bases militaresmaras acorazadas de bancos, bases militares……).).

Investigaciones medioambientalesInvestigaciones medioambientales: : Permiten un estudio detallado y Permiten un estudio detallado y objetivo tanto de animales como de parajes o ecosistemas: detectobjetivo tanto de animales como de parajes o ecosistemas: detectar alarmas ar alarmas ecolecolóógicas, perseguir a cazadores furtivos, pirgicas, perseguir a cazadores furtivos, piróómanos...manos...

Control de calidad en la industriaControl de calidad en la industria: : DetecciDeteccióón y correccin y correccióón de fallos puntuales n de fallos puntuales y diminutos con gran facilidad: piezas my diminutos con gran facilidad: piezas máás largas de lo normal, transmisiones que no s largas de lo normal, transmisiones que no llegan al receptorllegan al receptor……

AutomociAutomocióónn: : Accionar limpiaparabrisas si ha empezado a llover, reducciAccionar limpiaparabrisas si ha empezado a llover, reduccióón de la n de la velocidad si hay un automvelocidad si hay un automóóvil delantevil delante……

MedicinaMedicina:: SensoresSensores capaces de indicar las variaciones en el organismo del pacientecapaces de indicar las variaciones en el organismo del pacientey actuar de una manera ry actuar de una manera ráápida y eficiente.pida y eficiente.

DomDomóóticatica: : Alcanzar el concepto de Alcanzar el concepto de ““casa inteligentecasa inteligente””. . InformaciInformacióón sobre la n sobre la temperatura, luminosidad para accionar ciertos electrodomtemperatura, luminosidad para accionar ciertos electrodoméésticossticos

Aplicaciones MilitaresAplicaciones Militares: : SensoresSensores en un determinado paraje con el fin de en un determinado paraje con el fin de detectar movimientos del enemigo, deteccidetectar movimientos del enemigo, deteccióón de misiles en avionesn de misiles en aviones……

3. Conceptos b3. Conceptos báásicos de las sicos de las wsnwsn3.1 Estructura de las redes de 3.1 Estructura de las redes de sensoressensores

SensoresSensores:: Convierte la informaciConvierte la informacióón que observa en sen que observa en seññales elales elééctricas.ctricas.

NodosNodos:: FFíísicamente son los sicamente son los sensoressensores, pero env, pero envíían estas sean estas seññales ales elelééctricas a la estacictricas a la estacióón base.n base.

GateawayGateaway:: InterconexiInterconexióón entre una red de n entre una red de sensoressensores y una de datos.y una de datos.

EstaciEstacióón basen base:: Recolector de datos.Recolector de datos.

3.2 Estado de los nodos de una red de 3.2 Estado de los nodos de una red de sensoressensores

SleepSleep (durmiendo)(durmiendo):: Estado en el que el nodo pasa la mayor parte Estado en el que el nodo pasa la mayor parte del tiempo para ahorrar energdel tiempo para ahorrar energíía.a.

WakeWake UpUp (despertando)(despertando):: Estado de transiciEstado de transicióón entre el n entre el sleepsleep y y active.active.

Active Active (activo)(activo): : Momento de transmisiMomento de transmisióón de la informacin de la informacióón.n.

NotaNota: : Se trata de buscar Se trata de buscar transiciones entre estados lo transiciones entre estados lo mmáás rs ráápido posibles para pido posibles para alcanzar alcanzar sleepsleep cuanto antes y cuanto antes y conseguir asconseguir asíí, el bajo consumo , el bajo consumo energenergéético.tico.

3.3 Caracter3.3 Caracteríísticas de las redes de sticas de las redes de sensoressensores

Topología dinámica: Facilidades para cambiar su forma.

Variabilidad del canal: Canal radio por el que se transmiten los datos puede estar expuesto a frecuentes variaciones que perjudiquen la comunicación.

Tolerancia a errores: Inmunidad frente a caídas en nodos.

Ausencia de infraestructura de red: Los nodos actúan de transmisores, receptores o enrutadores. No necesitan periféricos para realizar estas funciones.

Comunicaciones multisalto o broadcast.

Bajo consumo.

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 Estimaci3.4 Estimacióón de las distancias en las redes n de las distancias en las redes de de sensoressensores inalinaláámbricasmbricas

Permite determinar cuPermite determinar cuáál es el mejor camino a seguir para la l es el mejor camino a seguir para la informaciinformacióón.n.

RSSI: RSSI: ReceivedReceived SignalSignal StrenghStrengh IndicatorIndicator: : Se basan en el conocimiento de Se basan en el conocimiento de la potencia de transmisila potencia de transmisióón y el coeficiente de pn y el coeficiente de péérdidas del medio.rdidas del medio.

ToAToA, , ToDAToDA: Time : Time ofof ArrivalArrival, Time , Time DifferenceDifference ofof ArrivalArrival:: Se basan en el Se basan en el conocimiento de la potencia de transmisiconocimiento de la potencia de transmisióón, velocidad de propagacin, velocidad de propagacióón y momento n y momento de recepcide recepcióón.n.

Posicionamiento por solapamientoPosicionamiento por solapamiento:: Se basan en el uso de Se basan en el uso de nodos anclanodos ancla..

TriangulaciTriangulacióón y solapamienton y solapamiento:: DeterminaciDeterminacióón y solapamiento de los n y solapamiento de los tritriáángulos de los ngulos de los nodos anclanodos ancla en los que se encuentra el nodo a posicionar.en los que se encuentra el nodo a posicionar.

Posicionamiento por solapamiento Posicionamiento por solapamiento TriangulaciTriangulacióón y solapamienton y solapamiento

4. Factores de dise4. Factores de diseññoo4.1 Consumo4.1 Consumo

≤≤ 1.2 V1.2 V≤≤ 0.5 Ah (Amperios/hora)0.5 Ah (Amperios/hora)Bajo consumo CPU Bajo consumo CPU

-- TransceptorTransceptor y y sensorsensor

-- Memoria externa y perifMemoria externa y perifééricosricos-- Ciclos de relojCiclos de reloj

Disminuir los tiempos de activaciDisminuir los tiempos de activacióón y n y desactivacidesactivacióón.n.Incluir nodos intermedios, alimentados por la red Incluir nodos intermedios, alimentados por la red elelééctrica que hicieran las funciones de ctrica que hicieran las funciones de routersrouters para para el encaminamiento de datos (evitan que todos los el encaminamiento de datos (evitan que todos los nodos estnodos estéén en espera en comunicaciones n en espera en comunicaciones multisaltomultisalto).).

4.2 Topolog4.2 Topologíía de la reda de la red

La topologLa topologíía vara varíía en funcia en funcióón del uso que se le de a las redes n del uso que se le de a las redes de de sensoressensores inalinaláámbricas:mbricas:

Red Red MalladaMallada: : ClCláásica estructura en forma de rejilla.sica estructura en forma de rejilla.

Red en estrellaRed en estrella: : Es la mEs la máás usada. Entran en juego los s usada. Entran en juego los routersrouters para conseguir para conseguir que los nodos sigan siendo sencillos y de baja poca potencia.que los nodos sigan siendo sencillos y de baja poca potencia.

4.3 Conformaci4.3 Conformacióón de hardwaren de hardware

El hardware que compone los nodos se puede dividir en 4 unidadesEl hardware que compone los nodos se puede dividir en 4 unidades::

Unidad Unidad sensorasensora: : 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 potenciaUnidad de potencia: Se encarga de la alimentación del nodo

Unidad de transmisiUnidad de transmisióónn--recepcirecepcióónn

Unidad de procesoUnidad de proceso: Puede contener un dispositivo de almacenamiento de pequeño tamaño necesario para albergar datos de utilidad (algoritmos para el cálculo de distancias, posición de las gateway, etc)

5. 5. ZigBeeZigBee5.1 Introducci5.1 Introduccióónn

DefiniciDefinicióónn:: ZigBeeZigBee o o ““el el zumbido de las abejaszumbido de las abejas”” es el es el estestáándar que define las redes de ndar que define las redes de sensores inalsensores inaláámbricas con el mbricas con el estestáándar IEEE 802.15.4 que ndar IEEE 802.15.4 que usarusaráá como base para las capas como base para las capas inferiores.inferiores.

ObjetivosObjetivos::-- TransmisiTransmisióón de pocas n de pocas

cantidades de datos.cantidades de datos.-- Bajo consumo de Bajo consumo de

potencia.potencia.-- Seguridad y bajo coste.Seguridad y bajo coste.

OrigenOrigen:: Nace a partir de la Nace a partir de la ZigBeeZigBee AllianceAlliance, , complejo de mcomplejo de máás s de 100 empresas (de 100 empresas (MitsubishiMitsubishi, , PhilipsPhilips, , MotorolaMotorola……).).

5.2 Caracter5.2 Caracteríísticas de sticas de ZigBeeZigBee

Consumo elConsumo elééctrico bajo: ctrico bajo: 30 30 mAmA transmitiendo y 3 transmitiendo y 3 mAmA en reposo.en reposo.

Velocidad mVelocidad mááxima de transmisixima de transmisióón: n: 256 256 kbpskbps..

Potencia de transmisiPotencia de transmisióón: n: 1 1 mWmW, con un radio de acci, con un radio de accióón entre los 10 n entre los 10 y 100 metros.y 100 metros.

NNúúmero mmero mááximo de nodos:ximo de nodos: 65534.65534.

Utiliza la banda ISM:Utiliza la banda ISM: 868 868 MHzMHz en Europa, 915 en Europa, 915 MHzMHz en EEUU y 2.4 en EEUU y 2.4 GHzGHz en todo el mundo.en todo el mundo.

Coste de cada mCoste de cada móódulo de aproximadamente 2 dulo de aproximadamente 2 €€..

5.3 Comparativa5.3 Comparativa

Control remoto, productos dependientes de la batería,

sensores , juguetería

Batería de larga duración, bajo coste

30ma transmitiendo, 3ma en reposo

250 kbpsZigBee

Wireless USB, móviles, informática casera

Interoperatividad, sustituto del cable

40ma transmitiendo,

0.2ma en reposo1 MbpsBluetooth

Navegar por Internet, redes de ordenadores, transferencia de

ficherosGran ancho de banda

400ma transmitiendo,

20ma en reposoHasta 54MbpsWi-Fi

AplicacionesVentajasConsumo de potenciaAncho de BandaEstándar

5.4 Tipos de dispositivos5.4 Tipos de dispositivos

Coordinador Coordinador ZigBeeZigBee (ZC)(ZC):: Dirige la red y permite la comunicaciDirige la red y permite la comunicacióón n entre otras redes, posee memoria y capacidad de centre otras redes, posee memoria y capacidad de cóómputo.mputo.

Dispositivo de funcionalidad completa (FFD)Dispositivo de funcionalidad completa (FFD):: Funciona como Funciona como coordinador o coordinador o enrutadorenrutador, permite la comunicaci, permite la comunicacióón con el usuario.n con el usuario.

Dispositivo de funcionalidad reducida (RFD)Dispositivo de funcionalidad reducida (RFD):: Nodos.Nodos.

5.5 Arquitectura 5.5 Arquitectura ZigBeeZigBee (I)(I)

5.5.1 Capa f5.5.1 Capa fíísica (PHY)sica (PHY)Permite inicializar el transmisor de radio frecuencia (RF) para Permite inicializar el transmisor de radio frecuencia (RF) para la transmisila transmisióón de bits,n de bits,recibir bits, seleccionar el canal libre y evaluar la calidad tarecibir bits, seleccionar el canal libre y evaluar la calidad tanto de paquetes como delnto de paquetes como delcanal.canal.

El El bitbit de entrada de entrada ““00”” pasara a corresponder al valor de chip 111101011001000pasara a corresponder al valor de chip 111101011001000El El bitbit de entrada de entrada ““11”” pasara a corresponder al valor de chip 000010100110111 pasara a corresponder al valor de chip 000010100110111

2 Mchip/sO-QPSK1662,5 ksymbol/s250 kbps2,4 GHz

600 kchip/sBPSK1040 ksymbol/s40 kbps902/928MHz

300 kchip/sBPSK120 ksymbol/s20 kbps868.3 MHz

Tasa dechipModulaciónCanales

disponiblesTasa de símboloTasa de bitBanda

5.5 Arquitectura 5.5 Arquitectura ZigBeeZigBee (II)(II)

5.5.2 Capa de enlace (MAC)5.5.2 Capa de enlace (MAC)Es una de las capas mEs una de las capas máás importantes ya que permite obtener el ms importantes ya que permite obtener el míínimo consumo en losnimo consumo en losNodos.Nodos.

Mecanismos de acceso al canal:Mecanismos de acceso al canal:-- Redes sin balizas: Redes sin balizas: Utiliza un estUtiliza un estáándar ALOHA CSMAndar ALOHA CSMA--CA que envCA que envíía a

reconocimientos por paquete recibido. Se puede transmitir en reconocimientos por paquete recibido. Se puede transmitir en cualquier cualquier momento y los demmomento y los demáás nodos pueden interferir. Coordinador siempre s nodos pueden interferir. Coordinador siempre alimentado. Puede estar el canal ocupado.alimentado. Puede estar el canal ocupado.

-- Redes con balizas: Redes con balizas: Coordinador elige tiempos de balizamiento entre 4 Coordinador elige tiempos de balizamiento entre 4 msms y y 4 minutos. Se hace un 4 minutos. Se hace un broadcastbroadcast y al nodo que le toque transmite y sino, se y al nodo que le toque transmite y sino, se duerme.duerme.

Direccionamiento con 64 bits y un direccionamiento opcional de 1Direccionamiento con 64 bits y un direccionamiento opcional de 166El estEl estáándar 802.15.4 proporciona distintos niveles de seguridad.ndar 802.15.4 proporciona distintos niveles de seguridad.

5.5 Arquitectura 5.5 Arquitectura ZigBeeZigBee (III)(III)

5.5.3 Capa de red (NWK)5.5.3 Capa de red (NWK)Se encarga de Se encarga de enrutarenrutar y encaminar paquetes para los distintos nodos de lay encaminar paquetes para los distintos nodos de lared; cifra, filtra y autentifica los distintos paquetes recibidored; cifra, filtra y autentifica los distintos paquetes recibidos, implementa las, implementa laseguridad, crea la red y asigna las direcciones a cada nodo.seguridad, crea la red y asigna las direcciones a cada nodo.

DiseDiseñña las distintas topologa las distintas topologíías de red que soporta as de red que soporta ZigBeeZigBee::

5.5 Arquitectura 5.5 Arquitectura ZigBeeZigBee (IV)(IV)

5.5.4 Capa de aplicaci5.5.4 Capa de aplicacióónn

Destinada a la interacciDestinada a la interaccióón entre el nodo y el usuario.n entre el nodo y el usuario.

Se divide en:Se divide en:-- APS: APS: ComunicaciComunicacióón entre los nodos de la redn entre los nodos de la red-- ZDO: ZDO: Supervisa APS y permite establecer enlaces con dispositivos Supervisa APS y permite establecer enlaces con dispositivos

externos.externos.

Se permiten 240 objetos ya que el 0 se reserva para la interfaz Se permiten 240 objetos ya que el 0 se reserva para la interfaz ZDO, el ZDO, el 255 para el 255 para el broadcastbroadcast y los restantes para usos futuros.y los restantes para usos futuros.

GRACIASGRACIAS