WPAN - WSN
- 1. WPAN - WSN 1
- 2. SUMARIO ❖Redes de sensores 2.2.1 Arquitectura de redes de sensores 2.2.2 El estándar Zegbee 2.2.3 Diseño, despliegue, operación y optimización de redes de sensores 2
- 4. Origen WSN - SONAR ❖WSN Provienen del uso de sensores para diferentes aplicaciones: » En guerras para detectar a los atacantes por mar, aire. » Medir distancias, altitudes, direcciones y velocidades de objetos estaticos o móviles como aeronaves, barcos, vehiculos motorizados, formaciones meteorologicas, terrenos u otros ❖SONAR SONAR (Sound Navigation And Ranging) navegacion y alcance por sonido Técnica que usa propagación del sonido bajo el agua (principalmente) para navegar, comunicarse o detectar otros buques. Se usa como localizador acústico, similar al radar Utiliza impulsos sonoros y no señales de RF. La localizacion acústica se uso en aire antes que el radar, siendo la aplicación SODAR (exploración vertical aérea con sonar) para la investigación atmosférica 4
- 5. Radar 5 ❖RADAR (RAdio Detection And Ranging) detección y medición de distancias por radio ❖Radar Sistema que usa ondas electromagneticas para medir: » Distancias, altitudes, direcciones y velocidades de objetos estaticos o móviles como aeronaves, barcos, vehiculos motorizados, formaciones meteorologicas y el propio terreno. Su funcionamiento se basa: » Emite un impulso de radio, éste se refleja en el objetivo y se recibe típicamente en la misma posición del emisor. A partir de este "eco" se extraé informacion. El uso de ondas electromagneticas permite detectar objetos más alla del rango de otro tipo de emisiones (luz visible, sonido, etc.)
- 6. Tecnología 6 ❖Tecnología ❖La disponibilidad de microsensores y comunicaciones inalámbricas permite desarrollar redes de sensores/actuadores para un amplio rango de aplicaciones en diferentes áreas
- 7. Investigación 7 ❖Investigación sobre diferentes formas de obtener información en diferentes ámbitos ha llevado a que los sensores evolucionen hasta el momento con las redes de sensores inalámbricas ❖Las WSN son capaces de obtener información periódica en diferentes facetas sin tener que estar una persona presente en el medio físico y exentas de mantenimiento ❖Se crean redes de sensores con una gran cantidad de nodos autónomos ❖Son capaces de autoconfigurarse Si uno de ellos deja de funcionar se elige un camino alternativo pero de que se monitorea se monitorea po rinternet.
- 8. WSN –Ad-hoc ❖Redes Inalámbricas de sensores Ad- hoc WSN AD-hoc (Wireless sensor Network Ad-hoc) ❖Ad-hoc Hace referencia a una red en la que no hay un nodo central, sino que todos los dispositivos están en igualdad de condiciones. Es el modo más sencillo para crear una red » Tipo de red formada por un grupo de nodos móviles que forman una red temporal sin la ayuda de ninguna infraestructura externa. ❖Esto en la práctica requiere que los nodos se ayuden mutuamente para conseguir un objetivo comun: Cualquier paquete llegue a su destino aunque el destinatario no sea accesible directamente desde el origen. ❖El protocolo de encaminamiento es el responsable de descubrir las rutas entre los nodos para hacer posible la comunicación 8
- 9. Red AD-hoc 9 ❖Redes de sensores (motas) Cada nodo de la red consta de un dispositivo con microcontrolador, sensores y transmisor/receptor Una red se forma con muchos otros nodos, también llamados motas o sensores. ❖Sensor Un sensor es capaz de procesar una limitada cantidad de datos. Cuando se coordina la información entre un importante número de nodos, éstos tienen la habilidad de medir un medio físico dado con gran detalle.
- 10. WSN - concepto nuevo 10 ❖WSN Son un concepto relativamente nuevo en adquisición y tratamiento de datos con múltiples aplicaciones en distintos campos » Entornos industriales » Domótica » Entornos militares » Detección ambiental, etc. ❖Características WSN Facilidad de despliegue Autoconfigurables » Puede convertirse en emisor, receptor Ofrece servicios de encaminamiento entre nodos sin visión directa Registra datos referentes a los sensores locales de cada nodo.
- 11. Energía WSN y técnicas Ad-hoc 11 ❖Otras características WSN Gestión eficiente de la energia » Permite obtener una alta tasa de autonomía que las hacen plenamente operativas. ❖Técnicas Ad-hoc ❖Las redes de sensores dependen fundamentalmente de las técnicas ad-hoc en las redes wireless. Hay muchos protocolos y algoritmos diseñados para las redes tradicionales wireless ad-hoc Estas no son convenientes para las características únicas que tienen las redes de sensores.
- 12. Diferencias entre WSN y redes Ad-hoc 12 ❖Las diferencias entre redes de sensores y redes ad- hoc: El número de nodos sensores en una red de sensores puede estar varios ordenes de magnitud por encima de los nodos en las redes ad-hoc. Los nodos sensores pueden ser densamente desplegados. Los nodos sensores son más propensos a los fallos. La topologia de la red de sensores cambia frecuentemente. Los nodos sensores utilizan principalmente la comunicación por difusión mientras que la mayoría de las redes ad-hoc están basadas en la comunicación punto a punto. Los nodos sensores están limitados en cuanto a potencia, capacidad computacional y memoria.
- 13. Bajo consumo de energía 13 ❖Densidad de nodos sensores ❖Un gran número de nodos sensores pueden desplegarse densamente Los nodos vecinos pueden estar muy cerca unos de otros. Se establece la comunicación multitop en redes de sensores » Utiliza menor consumo de energía que las tradicionales comunicaciones. Las transmisiones a bajos niveles de energía pueden mantenerse así, lo cual es deseable en operaciones secretas. ❖Redes de sensores Ad-hoc distribuidas Las redes de sensores ad-hoc consideradas altamente distribuidas, están constituidas por: » Nodos pequeños inalámbricos, de peso ligero que se despliegan en un área especifica.
- 14. Redes de sensores Ad-hoc distribuidas 14 ❖Redes de sensores Ad-hoc distribuidas … Son redes sin infraestructura y flexibles Las estaciones ofrecen servicios de encaminamiento para permitir la comunicación de estaciones que no tienen conexión inalámbrica directa. ❖La principal característica de las redes móviles ad- hoc es: Todos los dispositivos que forman parte de la red, además de funcionar como terminales finales, realizan también funciones de retransmisión de paquetes típicamente asociadas a routers. Su función es proveer una infraestructura de comunicación inalámbrica que puede servir para poder monitorear algo en especifico (temperatura, presion, movimiento de objetos, etc.).
- 15. MEMS 15 ❖Nodos sensores de la red Se han construido gracias a los avances en el área de sistemas micro electromecánicos (MEMS). ❖MEMS Los MEMS son dispositivos miniatura fabricados con capacidad de sensado, comunicación y procesamiento. ❖Cada nodos sensor se divide en tres subsistemas: El subsistema del sensor: » Sensa o mide un parámetro del medio ambiente. El subsistema de procesado: » Procesa la información recabada por el sensado. El subsistema de comunicación: » Intercambia mensajes entre los nodos sensores vecinos
- 16. Robustez, confiabilidad y precisión 16 ❖Un nodo individual tiene : Una región de sensado Una potencia de procesamiento Una cantidad de energía limitada ❖Gran número de sensores se da un aumento En la robustez En la confiabilidad En la precisión En el área de cobertura de dicha red. ❖Esto se debe Muchos nodos sensores cooperan y colaboran entre si en una región determinada La adquisición de la información es múltiple. Brinda más seguridad en el sensado y reafirma el buen desempeño de la red.
- 17. Retos WSN 17 ❖Los retos que involucra una WSN son: El tipo de arquitectura La diseminación y recolección de la información Técnicas usadas por los nodos sensores para la localización Aumentar la eficiencia en el consumo de energía. » Este es factor primario que limita la vida útil de la red. ❖Sensado o Medición de parámetros o variables El sensado de parámetros es periódica o esporádica. ❖Ejemplo de sensado periódico Medir la temperatura, humedad o radiación nuclear. ❖Ejemplo de sensado esporádico Entrada de un intruso, medir el estrés critico de estructuras o maquinaria.
- 18. Áreas de las WSN 18 ❖Las áreas que hacen que las redes de sensores sean una categoría distinta dentro de las redes inalambricas ad- hoc son: ❖Movilidad de los nodos: La movilidad no es algo que se deba cumplir. El despliegue de nodos para monitorear las propiedades del suelo no lo requiere. ❖Tamaño de la red: El número de sensores en la red puede ser mucho mas grande que una típica red inalámbrica ad-hoc. ❖Densidad de la red: Esto varía de acuerdo al tipo de aplicación. En el ámbito militar, se requiere que la red siempre este disponible y con alto grado de seguridad y redundancia de informacion. ❖Limitacion de Energía: Se espera que WSN funcionen en ambientes agresivos con el mínimo o nula supervisión humana posible.
- 19. Áreas de las WSN… Energía y protocolos 19 Vida útil de una WSN » El uso de WSN, donde la única fuente de alimentación para el nodo sensor es la batería, limita la vida útil de la red Protocolos orientados a control óptimo de energía » LA vida útil de la red exige protocolos de red eficientes a nivel capa de red, capa de enlace de datos y hasta física para brindar un control óptimo de energía. Fuentes de alimentación para WSN » Las fuentes de alimentación en redes de sensores son: • Recargables • No recargables • Regenerativas (capacidad de regenerar energía a partir del parámetro físico de estudio).
- 20. Áreas de las WSN… Fusión información – Distribución de tráfico ❖Fusión de los datos e información: Las limitaciones del ancho de banda y la energía demandan el aumento de bits y de información en los nodos intermedios. Para la fusión de los datos, se necesita el aumento de múltiples paquetes dentro de uno solo antes de su transmisión. Se busca reducir el ancho de banda a utilizar mediante encabezados redundantes en los paquetes y minimizando el retardo al acceder al medio para transmitir los múltiples paquetes. La fusión de la información busca retransmitir la salida del procesamiento del sensado a un nodo de monitoreo. 20
- 21. Áreas de las WSN… Distribución de tráfico 21 ❖Distribución del Tráfico: El patrón de tráfico varía en base al tipo de aplicación de la red. Sensar un variable ambiental, genera de manera periódica pequeños paquetes con datos que indica el estado del parámetro de estudio a una estación central de monitoreo. » Esto demanda un bajo ancho de banda. Si se trata de detectar a un intruso en el ámbito militar » Se genera un tráfico de detección en eventos con limitantes en la transmisión en tiempo real. A diferencia, las redes ad-hoc, generalmente en cuanto al tráfico, utilizan digitalización y empaquetado de comunicación de voz o de datos .
- 22. Áreas de las WSN… Escalabilidad y Seguridad 22 ❖Escalabilidad: En algunos tipos de redes, el número de nodos puede crecer hasta llegar a varios miles. Como no existe un access point concreto, la incorporación y descarte de nodos es un proceso sencillo y transparente. ❖Seguridad: Las redes inalámbricas son vulnerables a ataques, y las redes ad-hoc lo son especialmente. Se puede padecer » Ataques activos como pasivos » Del atacante una emulación de un nodo legítimo » Captura de paquetes de datos y control » Destrucción de tablas de encaminamiento, etc. Es por ello que se utilizan técnicas de encriptación como AES.
- 23. Hardware WSN 23
- 24. Arquitectura Nodo Sensor ❖Mota o Nodo Sensor - Hardware Los nodos inalámbricos se llaman motas » Motas (mote) por su ligereza y reducido tamaño. Son dispositivos electrónicos » Captan información del entorno en el que se encuentran » Procesan la información » Transmiten inalámbricamente hacia otro destinatario. ❖Diseño de una mota Diseñar un mota no es miniaturizar un ordenador personal. Se debe tener en cuenta: » Espacio reducido » Consumo muy bajo de energía » Coste de los dispositivos reducido. 24
- 25. Lo que no hay que considerar en una mota 25 ❖Una mota no debe: Tener un potencial de ejecución de programas elevado Una transmisión de datos eficaz Una amplia longitud de emisión. ❖Partes de una Mota o nodo sensor ❖Un nodo sensor - mota Es un elemento computacional con capacidad de procesamiento, memoria, interfaz de comunicación y puede formar conjuntos de sensores. ❖El Hardware básico de un nodo sensor lo componen Un transceptor (transmisor/receptor) Procesador Uno o más sensores Memoria Batería.
- 26. Comunicación y Arquitectura de una mota 26 ❖Comunicación Los componentes de la mota brindan » Opción de comunicación para enviar o recibir información » Ejecutar tareas que requieren procesamiento más allá de efectuar funciones de sensado.
- 27. Capacidades de la mota ❖Capacidad de procesamiento depende Depende del tipo de microprocesador empleado y su memoria interna ❖Comunicación Esta la realiza un transceptor (transmisor/receptor). 27
- 28. Capacidades de la mota… 28 ❖Alimentación Se tiene una fuente de alimentación que varía dependiendo el tipo de tecnología con la cual la batería este fabricada. ❖Sensado Lo realiza un sensor Con el se monitorea la variable o parámetro de interés e informar del mismo. El hardware de sensores varía según sus características y su evolución. ❖Motes Los motes o partículas, son pequeños dispositivos inalámbricos basados en tecnología MEMS, que detectan parámetros o factores físicos.
- 30. Módulos básicos del HW de un mota ❖Módulos básicos de una mota 1 Módulo de procesamiento - CPU 2 Módulo de suministro de energía 3 Módulo de comunicación 4 Módulo de Memoria 5 Módulo de Sensores ❖1 MÓDULO DE PROCESAMIENTO ❖Este módulo realiza las funciones: Interpreta y procesa datos a transmitir a otra estación. Gestiona el almacenamiento de datos en la memoria Gestiona la comunicación Gestiona la adquisición de datos mediante sensores, etc… 30
- 31. Productos a usar como procesadores 31 ❖Tipos a usar como procesadores Hay muchos tipos diferentes de productos en el mercado para ser integrados en un nodo como unidad procesadora. FPGA: » Ventaja: Se diseña una arquitectura custom » Desventaja. El consumo es no es lo suficientemente bajo para estas aplicaciones » Esto no significa que en un futuro los FPGAs sean buena opción si se reduce el consumo. Microprocesadores μP » Hoy son obsoletos » Han sido sustituidos por los microcontroladores Microcontroladores μC » Procesador que incluye memoria, ADCs, UART, SPI, temporizadores y contadores. » Hay de 4 hasta 64 bits » Varían en No. Timers, consumos de energia, etc.
- 32. Productos a usar como procesadores… 32 ❖Familias ARM7 y Atmel AVR ❖El mercado de μC es amplio y los más usados por su bajo consumo son: ARM7: » Microprocesadores RISC » Diseñados por Acorn Computers y desarrollados por Advanced RISC Machines Ltd. http://www.arm.com/ Atmel AVR: » Microcontroladores RISC de Atmel. » AVR es una arquitectura Harvard. » Tiene 32 registros de 8 bits. » Algunas instrucciones solo operan en un subconjunto de estos registros. http://www.atmel.com/products/avr/
- 33. Productos a usar como procesadores… ❖Familias Intel Xscale Intel Xscale: » El Intel XScale con nucleo de microprocesador de la quinta generacion de la arquitectura ARM. » Esta basado en el ISA v5TE sin las instrucciones de coma flotante. » El XScale usa un entero de 7 niveles y 8 niveles de memoria Superpipeline de arquitectura RISC. » Es el sucesor de la linea de microprocesadores y microcontroladores Intel StrongARM, que Intel adquirio de la division de Semiconductores Digitales de DEC como efecto colateral de un pleito entre las dos companias. http://www.marvell.com/ 33
- 34. Productos a usar como procesadores… ❖Familias Intel 8051 Intel 8051 - μC » μC Intel (1980) aplicaciones embebidas. » μC muy popular. » Los núcleos 8051 se usan en más de 100 μC’s de más de 20 fabricantes independientes como Atmel, Dallas Semiconductor, Philips, Winbond, entre otros. » Tiene Arquitectura Harvard » Originariamente fue diseñado para aplicaciones simples, » Direcciona 64 KB de ROM externa y 64 KB de RAM por medio de líneas separadas chip select para programa y datos. » http://www.intel.com/design/mcs51/ 34
- 35. Productos a usar como procesadores… ❖Familias PIC y TI MSP430 PIC o PICmicro » Familia de μC’s RISC de Microchip Technology Inc. • Derivados del PIC1650 de General Instruments. » Series: 12, 16 (16F84a), 17, 18 (18F4550) » Muy popular » Diseñado para aplicaciones empotradas de bajo costo y bajo consumo de energía. » http://www.microchip.com/ TI MSP430 » Familia de μC’s de Texas Instruments » Para aplicaciones empotradas, de bajo costo y bajo consumo de energía e inalámbricas. » La arquitectura tiene reminiscencias del DEC PDP-11. » Carece de memoria para indexar memoria. • Rutinas de interrupcion se escribieran sin utilizar registros, no usa pila. » http://www.ti.com/msp430 35
- 36. MÓDULO DE SUMINISTRO DE ENERGÍA ❖2 MÓDULO DE SUMINISTRO DE ENERGÍA ❖Las fuentes de suministro de energía son: Baterías Transformadores conectados a energía eléctrica. ❖Batería Es lo más recomendable para aplicaciones de motas Hay técnicas para alimentar al sensor, como placas solares. Tiene vida útil limitada_ hay que realizar una gestión eficiente del consumo de energía. ❖Consumo de energía en las motas El suministro de energía permite trabajar a sensores, la comunicación o transferencia de información y procesado. La mayor cantidad de energía la consume la transmisión de información, siendo menor en el procesado y uso de los sensores. 36
- 37. Baterías y material ❖Ejemplo de consumo de energía El coste de transmisión de 1 Kb. a una distancia de 100 metros es aproximadamente el mismo que ejecutar 3 millones de instrucciones por un procesador de 100 millones de instrucciones por segundo. ❖Tipos de baterías Recargables N recargables. ❖Material electroquímico usado por las baterias NiCd (niquel-cadmio) NiZn (niquel -zinc) Nimh (niquel metal hidruro) Litio-Ion. ❖Energías Renovables Se trabaja en energía renovable de tipo: » Energía solar » Termo generación » Energía basada en vibraciones, etc. 37
- 38. Fuentes de energía para motes 38
- 39. MÓDULO DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA ❖3 MÓDULO DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA El sistema de comunicación envía y recibe datos vía radio en un rango de frecuencias. ❖BANDA ISM Los nodos usan la banda ISM » Bandas de radiofrecuencia EM para áreas industrial, científica y médica. Estas bandas de frecuencia son abiertas » Se debe respetar las regulaciones que limitan los niveles de potencia transmitida. 39
- 40. Bandas más usadas ❖Medios de comunicación inalámbrica ❖Hay de varios tipos. Radio frecuencia » La más adecuada para usar en aplicaciones inalámbricas » Las WSN usan frecuencias de comunicación entre 433 MHz y 2.4 Ghz. Óptica » Mediante laser e infrarrojos. Infrarrojos como el laser » No necesitan antena » Está bastante limitado en su capacidad de transmisión. Laser » La que menos energía consume » Requiere comunicación visual entre emisor y receptor » Depende de las condiciones atmosféricas. 40
- 41. Transceptor ❖Transceptor Combina las funciones de emisión y recepción Sus estados de operación son: emitir, recibir, dormir e inactividad. ❖Consumo del Modo inactivo En modelos actuales, el modo inactivo el consume de energía es semejante al que consume el modo recepción. » Es mejor apagar la comunicación en este modo cuando no se está emitiendo ni recibiendo información. ❖Consumo de energía de modo durmiente al modo transmisión de datos. Es significativa la cantidad de energía consumida cuando se cambia de modo durmiente al modo de transmisión de datos. 41
- 42. Transceptores comerciales ❖Transceptores comerciales ❖Los sistemas más populares dentro de los sistemas de comunicación de radio para WSN: Chipcon CC1000 http://www.chipcon.com/ Chipcon CC1020 http://www.chipcon.com/ Chipcon CC2420 http://www.chipcon.com/ Xemics XE1205 http://www.semtech.com/ 802.15.4 Chipsets and SoC http://www.jennic.com/ 42
- 43. Datos de los transceptores ❖Datos de los transceptores 43
- 44. MÓDULO DE MEMORIA ❖4 MÓDULO DE MEMORIA ❖Por consumo de energía, las clases más importantes de memoria son: Memoria integrada en el chip (interna de microcontrolador) Memoria flash Memoria RAM externa al microcontrolador raramente usada. ❖Memorias Flash De bajo costo y gran capacidad de almacenamiento. Es una mejora a las memorias EEPROM ❖Funcionamiento Memorias Flash Permite múltiples escrituras y lecturas en diferentes localidades a la vez, mediante impulsos eléctricos Esta función incrementa la velocidad respecto a otras memorias. 44
- 45. Otras características de las memorias Flash ❖Otras ventajas de la memoria Flash ❖No volátil La información almacenada no se pierde cuando se desconecta de la corriente. » Excelente para aplicaciones embedded ❖Requerimientos de memoria Dependen mucho de la capacidad que necesite la aplicacion. ❖Categorías de memorias según el propósito del almacenamiento: Memoria usada para almacenar los datos colectados por la aplicación. Memoria usada para almacenar el programa del dispositivo. 45
- 46. Módulo Sensores ❖5 Módulo de Sensores ❖Sensores Son dispositivos hardware y producen una respuesta medible ante un cambio en un estado físico en temperatura, presión, humedad, posición, etc. Detectan o miden cambios físicos en el área que están monitorizando y entregan una señal analógica o digital. ❖Si el sensor entrega señal analógica Se acondiciona la señal: Amplifica y filtra Se digitaliza con un ADC Se enviada a un controlador para que la procese. 46
- 47. Características y requerimiento de un sensor ❖Las características y requerimientos que un sensor debe tener son: Tamaño pequeño Bajo consumo de energía Operar en densidades volumétricas altas Ser autónomo Funcionar desatendidamente Capacidad para adaptarse al ambiente. 47
- 48. Tres categorías de los sensores ❖Los sensores se pueden clasificar en tres categorias: ❖Sensores pasivos omnidireccionales: Captan los datos sin necesidad de manipular el entorno. Son autoalimentados Sólo usan la energía para amplificar la senal analógica captada. No hay noción de ‘dirección’ involucrada en estas mediciones. ❖Sensores pasivos unidireccionales: Sensores pasivos que tienen bien definida la dirección desde donde deben captar la información. Ejemplo una cámara. ❖Sensores activos: Sondean el ambiente como el un radar, sonar o sensor sísmico que generan ondas expansivas a través de pequeñas explosiones. 48
- 49. Nodo Sensor ❖Sensores en un nodo sensor ❖Cada nodo sensor puede ser equipado con: Dispositivos sensores diversos: acústicos, sísmicos, infrarrojos, video cámaras, mecánicos, de calor, temperatura, radiación, entre otros. 49
- 50. Algunos sensores y uso ❖Alguno sensores que pueden pertenecer a nodo sensor son: Micrófono: Para captar señales del medio ambiente Fotómetro: Mide la cantidad de fotones recibidos Diodo detector de luz Acelerómetro: Para medir la aceleración de un objeto Sensor de humedad Sensor de radiación Sensor de luz ultravioleta Sensor de fuerza motriz Etc. 50
- 51. Tendencia de los sensores ❖La tendencia de los sensores Producción de sensores a gran escala Precios bajos Mejor capacidad de cómputo Tamaño reducido 51
- 52. SOFTWARE WSN 52
- 53. Software de un Nodo Sensor ❖Software de un Nodo Sensor ❖Muchos son los sistemas operativos existentes para sistemas embebidos No todos satisfacen las restricciones que imponen las Redes de Sensores Inalámbricas (RSI - WSN), Muchos OS’s se descartan. ❖Algunos requisitos para los OS’s en una WSN Capa de abstracciones para independizar al programador de los niveles inferiores (hardware). Drivers que comunican la aplicación y el hardware, al igual que los sistemas operativos para arquitecturas x86. Manejo de tareas y eventos que ocurren en cada nodo. 53
- 54. OS`s para WSN ❖Ejemplos de OS’s para WSN son: 1 PalOS 2 SOS 3 TinyOS 4 Linux 5 NET Micro Framework 6 eCos 7 uC/OS 8 Contiki 9 MANTIS 10 BTnut 54
- 55. 1 Pal OS ❖1 Sistema operativo PAL Desarrollado por la UCLA (Universidad de California) En el modelo de ejecución cada tarea mantiene una propia cola de eventos. La tarea puede interactuar con una entrada o salida fisica. En la fase de inicialización del programa, cada tarea registra una tarea de eventos en la programacion del sistema. Si la tarea 1 desea hablar con la tarea 2, postea un evento en la cola de eventos de la tarea 2 mediante un Scheduler (organizador o programador) del sistema, para que luego la tarea 2 capture ese evento al preguntar al Scheduler si tiene algún evento para el. 55
- 56. Pal OS Topologia cluster-tree de una red ad-hoc ❖Funcionamiento de la estructura de software Se necesita un “timer” para manejar la periodicidad con que una tarea registra eventos (Tarea timer) . 56
- 57. Tarea timer ❖La tarea timer posee tres colas: 1. Cola Nexo » Eencargada de interactuar con las demás tareas (recibe el envio de otras tareas). 2. Cola Delta » Se ordenan distintos eventos dependiendo del tiempo de expiracion 3. Eventos Expirados » Se van colocando para su posterior ejecución 57
- 58. Modelo de ejecución de la tarea timer 58
- 59. SOS ❖2 SOS Desarrollado en la Universidad de UCLA » Networked and Embedded Systems Lab (NESL) Implementa un sistema de mensajería » Permite múltiples hebras entre la base del sistema operativo y las aplicaciones » Estas pasan a ser módulos que pueden ser cargadas o descargadas en tiempo de ejecución sin interrumpir la base del sistema operativo. » Procura remediar algunos de las limitaciones propias de la naturaleza estática de muchos de los sistemas precursores a este (ejemplo TinyOS). 59
- 60. Objetivo SOS ❖El objetivo principal de SOS Es la reconfigurabilidad. ❖Reconfigurabilidad. Habilidad para modificar el software de nodos individuales de una red de sensores, una vez que estos han sido desplegados físicamente e inicializado su funcionamiento. Si encuentra un problema y no cuenta con la solución, recolecta información de todos los nodos para modificar su software. ❖Tolerante a fallas La capacidad dinámica de agregar o remover módulos, permite la construcción de software mucho mas tolerante a fallos. Esto presenta dos grandes ventajas: » Realizar actualizaciones de forma fácil, » Capacidad de anular el funcionamiento de algún módulo defectuoso, de algún nodo que pertenece a la red. 60
- 61. Características del kernel - SOS ❖Las características del kernel de SOS son: Módulos cargados dinamicamente. Programacion flexible de prioridades. Subsistema para manejo de memoria dinamica. Capas de abstraccion de hardware y drivers son de la misma forma que para el sistema PalOS. 61
- 62. 3 TinyOS ❖3 TinyOS Desarrollado por la Universidad de Berkeley (California). Puede ser visto como un conjunto de programas avanzados » Cuenta con un amplio uso por parte de comunidades de desarrollo, dada sus características de ser un proyecto de código abierto (Open Source). El conjunto de programas contiene numerosos algoritmos, que permiten generar enrutamientos, aplicaciones pre- construidas para sensores. ❖NesC y TinyOS TinyOS está escrito en base a NesC o meta-lenguaje que se deriva de C y 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. 62
- 63. Tareas en TinyOS ❖Tareas en TinyOS Hay 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 » Las tareas no pueden dividirse para comenzar con otra y luego retomarlas, mas si pueden ser interrumpidas periódicamente por acontecimientos de una prioridad más alta (eventos). ❖Scheduler de TinyOS Se utiliza una FIFO para el scheduler, no obstante un mecanismo alternativo podría ser agregado fácilmente. 63
- 64. Planificador (Scheduler) Kernel TinyOS 64
- 65. Scheduler ❖Scheduler Está basado en un modelo de programación por componentes » Esto propaga las abstracciones del hardware en el software. Tal como el hardware responde a cambios de estado en sus pines de entrada/salida » Las componentes responden a eventos y a los comandos en las interfaces de entrada/salida. ❖En general TinyOS consta Un pequeño scheduler Un gráfico de componentes. 65
- 66. Partes de una componente ❖Partes de una componente 1. Manejador de comandos. 2. Manejador de eventos 3. Frame de tamaño fijo y estáticamente asignado, en el cual se representa el estado interno de la componente. » El frame proporciona el contexto donde se ejecuta el programa y almacenan variables. 4. Un bloque con tareas simples. » El buen desempeño y desarrollo abierto, han afectado positivamente en el mejoramiento del sistema en si » Ha influido en la creación de herramientas que facilitan el diseño y trabajo, tales como simuladores, administradores de bases de datos, máquinas virtuales que permiten reprogramacion en linea, etc. 66
- 67. Modelo de componentes de TinyOS ❖Modelo de componentes de TinyOS y interaccion de componentes 67
- 68. Aplicaciones Preconstruidas TinyOS ❖Aplicaciones de TinyOS Cuenta con numerosa aplicaciones preconstruidas » Estas implementan procesamientos de datos y algoritmos de enrutamiento. 68
- 69. Principales variables a considerar 69
- 71. Lenguajes de programación WSN ❖Programación de sensores Es complicada ❖Limitantes programación Capacidad de cálculo Cantidad de recursos. No hay entornos de programación prácticos y eficientes para depurar código y simular. ❖Lenguages para WSN nesC » Lenguaje utilizado para las motas » Está relacionado con TinyOS. » Es el más utilizado 71
- 72. Lenguages para WSN Protothreads: » Diseñado para la programacin 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, » Lenguaje que permite programar de manera más facil y eficiente. » Sustituto de nesc para crear librerias de alto nivel a combinar con las aplicaciones más eficientes. c@t: » Iniciales que hincan computación en un punto del espacio en el tiempo (Computation at a point in space (@) Time ) 72
- 73. Lenguages para WSN DCL: » Lenguaje de composicion distribuido (Distributed Compositional Language) galsC: » Disenado para ser usado en TinyGALS, » Lenguaje programado mediante el modelo orientado a tarea » Fácil de depurar » Permite concurrencia » Compatible con los módulos nesc de TinyOS SQTL(Sensor Query and Tasking Language): » Herramienta para realizar consultas sobre redes de motas. 73
- 74. Nesc ❖Lenguage Nesc ❖Network Embedded Systems C) Sintaxis similar a C Optimizado para las limitaciones de memoria en las redes inalámbricas de sensores. Orientado a componentes Diseñado para programar en redes de sensores bajo el sistema operativo TinyOS. ❖Partes de una aplicación Nesc Uno o más componentes enlazados entre ellos » De esta manera forman un ejecutable. 74
- 75. Componentes e interfaces Cada componente » Proporciona y utiliza interfaces bidireccionales » Única forma de comunicación hacia otros componentes » Se pueden realizar múltiples instancias hacia una misma » Ejemplo un componente necesite dos temporizadores, en tal caso tendrá que hacer dos instancias a la interfaz que proporcione el temporizador. Con las interfaces se consigue » Una unión de componentes de manera estática » Mejor análisis del programa » Aumento de la eficiencia en lo que a tiempos de ejecución se refiere y en la robustez del diseño. 75
- 76. Módulos y configuraciones ❖La implementación de los componentes en Nesc Se realiza mediante módulos y configuraciones. ❖Los módulos Proporcionan el código de la aplicación Se programan los eventos de una o varias interfaces Las interfaces son un grupo de comandos y eventos » Se da respuesta a algún suceso determinado como puede ser al recibir cierto mensaje desde cierto componente. ❖Las configuraciones O wiring Se utilizan para ensamblar otros componentes » Unen diferentes componentes en función de sus interfaces ya sea mediante comandos o eventos. 76
- 77. Ejemplo de código Nesc ❖El componente B proporciona la interfaz X al componente A para que este la utilice. 77
- 78. DISEÑO DE LA RED WSN 78
- 79. Diseño de Red ❖El diseño de Red Parte importante en las WSN ❖Consideraciones al diseñar la red Tipo de aplicación Topología Ruteo Energía Sincronía Escalabilidad Calidad de servicio Tolerancia a fallas Auto organización Puerta de Enlaces Estación Base Topologías 79
- 80. Topología en el diseño de la WSN ❖Topologia ❖Es cambiante para las redes de Sensores Ad hoc. Los nodos se despliegan de manera aleatoria. Desplegados los nodos no se requiere la intervención humana ❖La configuración y el mantenimiento se hacen completamente autónomos. ❖En la organización de la topología Cada nodo busca información completa de la red o parte de ella De esta forma mantiene las estructuras de la información de la red actualizadas. 80
- 81. Ruteo en el diseño de la WSN ❖RUTEO ❖La responsabilidad de un protocolo de ruteo Para el intercambio de información, busca el camino más confiable para alcanzar el destino deseado. ❖El protocolo de ruteo toma en cuenta La distancia Requerimiento mínimo de energía Tiempo de vida del enlace inalámbrico Búsqueda de la información en el caso de que la conexión falle Reparación de los enlaces caídos Gasto mínimo de potencia en el procesamiento y ancho de banda. 81
- 82. Energía en el diseño de la WSN ❖Energía ❖Para los Sensores La vida útil del sensor depende del tipo de batería usada » Ni-Cd, Ni-Mh, Li-Ion. ❖Hardware WSN Se diseña para un consumo óptimo de energía como requerimiento primordial. El microcontrolador, el OS y el SW de aplicación deberán optimizar la conservación de energía » Se deben escoger las instrucciones y codificación más ocupadas para que utilicen la menor potencia posible. Otras consideraciones para optimizar consumo energía: » Minimización de sistemas síncronos » Sistemas asíncronos globales y síncronos solamente en pequeñas porciones locales que lo necesiten. 82
- 83. Sincronía en el diseño de la WSN ❖Sincronía ❖Los nodos sensores deben ser capaces de: Sincronizarse de manera distribuida, Esto permite calendarizar el multiplexado en tiempo para imponer y ordenar de forma temporal la detección de eventos sin ninguna ambigüedad. ❖Los nodos en una WSN operan de forma independiente Sus relojes podrán o no estar sincronizados. Esto podría causar dificultades cuando se trate de integrar e interpretar información sensada en diversos nodos. 83
- 84. Escalabilidad en el diseño de la WSN ❖Escalabilidad ❖El número de sensores puede aumentar Los fallos en la comunicación entre los nodos se incrementa de manera exponencial. Esto exige un mejor control que mantenga a la red conectada a pesar del decremento en el ancho de banda utilizable. ❖La escalabilidad y la certeza en la red son rubros que se contraponen Al tener una red más densa, es más probable tener fallos en base a la comunicación de los nodos. 84
- 85. QoS en el diseño de la WSN ❖Calidad de Servicio ❖QoS puede interpretarse en las WSN por: Enlace Flujo de información Funcionamiento de nodo. ❖La Red como el host requieren de buena coordinación. Una mala coordinación central y un limite de recursos puede desencadenar un problema. ❖El nivel de servicio y sus parámetros están asociados al tipo de aplicación. La comunicación en tiempo real sobre una red de sensores deberá de ser garantizada a pesar de tener un. » Máximo de retraso » Ancho de banda mínimo » Otros parámetros involucrados en la calidad del servicio. 85
- 86. Tolerancia a fallos en el diseño de la WSN ❖TOLERANCIA A FALLOS ❖La red debe ser capaz De modificar algún aspecto de ella donde se presente un fallo. La falla deberá ser identificada y resuelta en un tiempo promedio. » Este rubro es muy importante primordialmente para aplicaciones militares y para aplicaciones civiles donde existe un riesgo de perdida de vida por fallo de un equipo electrónico. ❖Falta de una comunicación central y medio compartido La red es vulnerable a ataques más que en redes alambradas » Existen muchos puntos de acceso a la red, que cuando no existen mecanismos de detección de intrusos, facilitan los ataques. 86
- 87. Auto organización en el diseño de la WSN ❖AUTO-ORGANIZACION ❖Propiedad importante en una red Ad-hoc y entre las principales actividades son: Búsqueda de nodos adyacentes Organización de la topología Reorganizacion de la topologia. ❖Fase de búsqueda Cada nodo de la red recolecta información acerca de los vecinos Mantiene la información en estructuras. Periódicamente se transmitan pequeños paquetes llamados beacons, ❖Beacon Vigila el canal para detectar cualquier actividad del vecino. 87
- 88. Auto organización en el diseño de la WSN ❖Fase de reorganización ❖Se requiere información confiable de la topología. Por movilidad de los nodos Por la cantidad de energía de los nodos Por la Eficiencia en los enlaces Todo en caso de que se haya suscitado un cambio de último momento. ❖Nodos Sensores ❖Las redes de sensores están formadas por un conjunto de pequeños dispositivos denominados nodos sensores 88
- 89. para el diseño de la WSN ❖Nodo de sensor Capacidad limitada de cómputo Comunicación Tiempo de vida depende de una batería adjunta al dispositivo. ❖Tiempo de vida de la red de sensores Depende del tiempo de vida de la batería de sus nodos. Estos dispositivos se encuentran dispersos de manera ad- hoc en una determinada área a monitorizar. ❖Modelo seguido por las aplicaciones Se realiza una serie de mediciones sobre el medio Se transforma la información en digital en el nodo Se transmite a fuera de la red de sensores vía un gateway a una estación base 89
- 90. La estación base almacena la información y trata temporalmente La información se envía a un servidor con mayor capacidad que permita componer un histórico o realizar análisis de datos. ❖En una WSN, por lo tanto, se tienen: Nodos inalámbricos Puertas de enlace Estaciones base 90
- 91. Puerta de Enlace en el diseño WSN ❖Puerta de enlace o Gateway ❖Son dispositivos que interconectan dos redes de diferente naturaleza Actúa como puente entre dos redes de diferente tipo. Interconecta WSN y una red de datos (TCP/IP). No contiene sensores ❖La red de sensores puede actuar de manera aislada Pero se requiere monitorear y accesar a la información de WSN. Esto exige que la red de sensores se pueda conectar a infraestructuras de redes existentes » Internet » Redes de area local (LAN) » PVNs » Intranets. 91
- 92. Estación base en el diseño de una WSN ❖Estación base ❖Es una computadora o sistema embedded Recolecta datos ❖En una estructura normal Todos los datos van a parar a un servidor ❖El servidor contiene una base de datos El usuario puede » Accesar a la DB » Observar DB » Estudiar o procesar DB » Generar reportes 92
- 93. Topologías ❖Topologías ❖Hay varias arquitecturas para implementar una aplicaci´0on de WSN Estrella Malla Hibrida (Estrella – malla) ❖Cada topología presenta Componentes Desafíos Ventajas Desventajas. 93
- 94. Componentes de una WSN ❖La topología es la configuración de los componentes hardware y como los datos se transmiten a través de esa configuració ❖Una topología puede ser Apropiada bajo ciertas circunstancias Inapropiada para otras ❖Los componentes de una WSN son ❖Nodos finales: Son dispositivos con sensores/actuadores que capturan los datos de los sensores. En redes ZigBee los nodos son RFD (Reduced Functional Devices). 94
- 95. Componentes: routers y puertas de enlace ❖Routers: Dan cobertura a redes muy extensas Resuelven problemas de » Obstáculos » Congestión en la emisión de la información » Posibles fallos en alguno de los aparatos. ❖Puertas de enlace: Recogen los datos de la red Son punto de unión con una red LAN, Internet, PVN, etc. 95
- 96. Topología en estrella ❖Una topología en estrella (monosalto) La información enviada sólo da un salto Todos los nodos sensores se comunican directamente con la puerta de enlace Las distancias van de 30 a 100 metros. Los nodos sensores son idénticos La puerta de enlace capta la información de todos ellos. La puerta de enlace también se usa para transmitir datos al exterior y permitir la monitorización de la red. Los nodos finales no intercambian información entre ellos » Utilizan la puerta de enlace para ello, si es necesario. Tiene menor gasto de energía Está limitada por la distancia de transmisión vía radio entre cada nodo y la puerta de enlace. No tiene camino de comunicación alternativo por lo que la información de ese nodo se perderá. 96
- 98. Topología malla ❖La topología en malla Es un sistema multisalto » Todos los nodos son routers e idénticos. Un nodo puede enviar información a: » Otro nodo: Comunicación entre nodos » Puerta de enlace ❖Uso de la puerta de enlace Hace posible, en teoría, crear redes de extensión ilimitada. Es tolerante a fallos » Hay varios camino entre un nodo y la puerta de enlace. La red se reconfigurara alrededor del nodo fallido automáticamente. ❖Número de nodos y distancia Definen periodos de espera elevados en el envío de la información 98
- 100. Topología Hibrida ❖La topología hibrida estrella-malla ❖Combina las ventajas de los otros dos tipos, Simplicidad y bajo consumo de la topología estrella Cubertura extensa y reorganizarse ante fallos de la topologia malla. ❖La red híbrida crea: Una red en estrella alrededor de routers Router pertenecientes a una red en malla. ❖Los routers Dan la posibilidad de ampliar la red y de corregir fallos en estos nodos ❖Nodos finales Se conectan con los routers cercanos ahorrando energía. 100
- 102. Figura Monitoreo en bozque 102
- 103. Aplicaciones WSN 103
- 104. Aplicaciones de las WSN ❖Aplicaciones ❖Las aplicaciones de las WSN son: Medio ambiente Militar Salud Estructuras Agricultura Automoción Domótica 104
- 105. Tecnologías inalámbricas WSN y Otras 105