Red de Sensores ZigBee - RTLS y Automatización
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Zigbee es un estándar de comunicación inalámbrica diseñado para redes de área personal y redes de sensores, optimizado para dispositivos de bajo consumo en automatización industrial y del hogar. Con múltiples topologías de red y un enfoque en la facilidad de instalación y escalabilidad, Zigbee facilita la conectividad de sensores y actuadores en diversas aplicaciones, desde la salud hasta el seguimiento de inventarios. La plataforma n-core permite el desarrollo y despliegue rápido de aplicaciones Zigbee, ofreciendo un retorno de inversión rápido mediante una infraestructura de bajo costo.
Red de Sensores ZigBee - RTLS y Automatización
- 2. Qué es ZigBee? • Zigbee Es un estándar de comunicación inalámbrica y un conjunto de especificaciones para wireless personal area networking (WPAN) o WSN (Wireless Sensor Network) destinadas a la comunicación radio (RF) entre computadores y distintos dispositivos. • ZigBee se ha desarrollado para satisfacer la creciente demanda de capacidad de red inalámbrica entre varios dispositivos de baja potencia. En la industria ZigBee se esta utilizando para la próxima generación de fabricación automatizada, con pequeños transmisores en cada dispositivo, lo que permite la comunicación entre dispositivos a un ordenador central. • Hace 10 años se formó la alianza Zigbee que incluye, entre otras, empresas importantes como Philips, Freescale, Texas Instrument, Atmel, LG, Samsung o Sony. • Bajo el estándar IEEE 802.15.4, Zigbee Alliance ha creado un sistema estándar abierto de comunicaciones inalámbricas, efectivo, seguro, de bajo coste y baja potencia para usarlo dentro de dispositivos de automatización hogareña (domótica), de edificios, control industrial, periféricos de PC, sensores médicos y muchos otros dispositivos en lo que se ha llamado Intenet of Things (IOT).
- 3. Principales Características CARACTERÍSTICAS ZIGBEE
- 4. Tipos de Dispositivos Coordinador (Abeja-Reina) - Hay uno por red - Configura y establece la red - Determina el canal de acceso - Proporciona servicios de direccionamiento - Alimentación por red o batería Routers (Zánganos) - Permite la interconexión entre nodos para extender la red - Participa en el multi-hop routing - Servicios de E/S de datos - Alimentación por red o batería End-Device (Obreras) - Conecta con su nodo padre - No tiene tareas específicas - Puede actuar como nodo de tipo sensor, actuador o tag localizable - Despierta periódicamente para ver mensajes pendientes y duerme el resto del tiempo -Normalmente alimentado por baterías
- 5. Topologías de Red • A diferencia de otras tecnologías inalámbricas, Zigbee soporta y permite múltiples topologías de red: • Estrella (Star): Nodo central y N dispositivos conectados a él. • Árbol (Tree): Cada nodo padre puede tener N nodos hijos según a profundidad definida para la red. • Punto a punto (Peer To Peer) • Malla o rejilla (Mesh): Esta topología permite la interconexión entre los nodos enrutadores por lo que siempre se aseguran caminos alternativos en caso de caída de cualquier nodo de la red. • La flexibilidad y escalabilidad de estas topologías de red hacen que la tecnología ZigBee puede ser desplegada en cualquier tipo de recinto - ya sea indoor o outdoor – cubriendo áreas muy amplias bajo una única red. • Zigbee presenta mayor tolerancia a obstáculos y presencia de paredes que otras tecnologías pudiendo evitar fácilmente los mismos estableciendo rutas opcionales.
- 6. Security & Vigilance Information & control of energy usage Building Access Control automation Consumption & Retail Environmental Data Health Care Monitoring Patterns analysis Services User/Asset ZigBee Health Mgmt & Location - RTLS Patient Monitoring Applications & Smart Home Markets Energy Personal automation Identification Presence & MEMS Sensors Industrial & Domestic Telecom Remote automation Services Control Light, Heat, Cool & HVAC Geo-fencing
- 7. Plataforma n-Core® n-Core® es una potente plataforma hardware y software que permite desarrollar, integrar y desplegar, de manera fácil y rápida, una amplia variedad de aplicaciones sobre redes inalámbricas de sensores basadas en el estándar IEEE 802.15.4/ZigBee n-Core® ofrece un juego completo de Applications/Services servicios API (librerías dll) para crear rápidamente aplicaciones desde cualquier entorno y lenguaje (.net, Java, Python, C/C++, …) permitiendo: Admin & Conf Tool Autom Network Mgmt RTLS Gestión completa de la red: Creación, configuración, monitorización, Polaris Tool Automation Location parametrización de nodos, etc. Engine Engine Automatización: Control y monitorización de sensores/actuadores, recogida y Hardware – Sirius Devices transferencia de datos, etc. (802.15.4/Zigbee) Localización: Suministra potentes algoritmos para determinar la posición de dispositivos en tiempo real. n-Core® ofrece una infraestructura de bajo coste y rápido retorno de la inversión minimizando enormemente tiempos de desarrollo, instalación e implantación tanto de soluciones de Automatización como de Localización bajo una única plataforma.
- 8. Infraestructura - Dispositivos n-Core Sirius (I) Sirius A •Permite la conectividad con cualquier sensor/actuador del mercado. •Juego completo de E/S (digitales, salidas relé, SPI, I2C, ADC, RS-232, USB,…) •Solución total para cualquier tipo de aplicaciones de automatización y sensorización. •Medidas: 111.8 x 107.7 x 26.3 mm Sirius D •Con un versátil diseño es el dispositivo idóneo para crear extensas redes bajo cualquier tipo de aplicación. •Interfaces: Entradas digitales, SPI, I2C, ADC, UART •Bajo sistemas RTLS actúa como router / sensor sin requerir línea de vista •Medidas: 65 x 53 x 23 mm Sirius B •Mismo tamaño que Sirius D con botones programables para acciones particulares (alarma). •Actúa como dispositivo final de usuario (tag localizable)
- 9. Infraestructura - Dispositivos n-Core Sirius (II) Sirius RadIOn •Equivalente a Sirius D •Menor tamaño y versatilidad tanto para redes de sensores como para infraestructura de localización •Medidas: 22x 32.7x 5mm Sirius Quantum •El tag ZigBee más pequeño del mundo diseñado especialmente para sistemas RTLS. •Incluye acelerómetro y botones configurables •Medidas: 22x 32.7x 5mm Sirius IOn •Tarjeta de expansión que ofrece todas las posibilidades de programación de E/S (sensores, actuadores, PCs,…) compatible con todos los dispositivos Sirius •3 versiones con múltiples sensores: Development, Motion (Acelerómetro, Brújula) y Environment (Luz, temperatura, humedad, relé). •Medidas: 41 x 42 x 15 mm
- 10. Herramientas n-Core – Config. Tool
- 11. Herramientas n-Core – Polaris Web Tool
- 12. Sistema RTLS – Instalación y despliegue • Instalación de sensores (routers) en el área objetivo (Sirius D / Sirius RadIOn): • Proceso extremadamente sencillo y rápido • Sólo se requiere toma de alimentación (3.5 voltios). • No se requiere cableado añadido entre nodos ni hacia el sistema central • Pueden ocultarse en falso techo. No se requiere línea de vista con los tag objetivo. • Localización Indoor/Outdoor: • Los sensores pueden ser ubicados en zonas exteriores (outdoor) de manera que se cubra no sólo el entorno indoor sino también zonas exteriores (i.e. Campus, aparcamientos, zonas de acceso, etc). • Para cubrir grandes distancias (p.e. distintos edificios) la red ZigBee es fácilmente ampliable a través de conectores 3G/WiFi. • No se requiere calibración de la red desplegada. • La instalación efectuada puede modificarse o ampliarse sin problemas si fuera necesario en fases posteriores (p.e. por requerir mejoras de precisión en ciertas zonas). • Se requiere disponer de los planos a escala para establecer las coordenadas exactas de ubicación de cada sensor (X/Y/Z).
- 13. Plataforma n-Core – Precisión • La red admite múltiples configuraciones dependiendo de la estructura y distribución de cubículos en el área objetivo así como de la precisión requerida. • Pueden conseguirse menos de 2 metros de precisión con un número adecuado de sensores. • Estos despliegues pueden ser probados en cuestión de minutos (sensores con batería) antes de pasar a la instalación final. Despliegue Perimetral: Se dispone de Despliegue Interior: Precisión a nivel ubicación precisa dentro de las habitación (1 sensor/cubículo) que habitaciones, pasillo central y hall puede ser suficiente en muchos casos de derecho. uso (hospital, hotel, despacho, …)
- 14. Plataforma n-Core – Proceso Localización Id_TAG RSSI /LQI Rx Level GetNodePosition GetNodeParams ID_ROUTER GetTagsTable SetNodeParams RTLS/Location API Location Engine Network DB • Los TAGS (objeto localizable) envían periódicamente un mensaje de broadcast a todos los sensores próximos. Este periodo es configurable por cada dispositivo dependiendo del tiempo real requerido para obtener su posición. • Los ROUTERS (sensores) recopilan la información de cada tag en una tabla interna que transmitirán periódicamente al nodo colector (TagsTable message). • El colector transmite toda esta información al módulo de cálculo que determina la posición X/Y/Z de cada tag. • El API permite obtener fácilmente las coordenadas X/Y/Z de cualquier nodo de la red así como obtener y/o modificar los parámetros de configuración que intervienen en este proceso.
- 15. Casos de Uso Hoteles • Tarjeta ZigBee para clientes • Automatización de habitaciones (luz, música, temperatura, humedad,…) • Control de consumo energético • Detección de presencia: Dentro/Fuera de la habitación • Botón pánico • Gestión de entrada y salida de clientes • Gestión del personal del hotel (empleados, limpieza, seguridad,…). • Tag/Pulsera Zigbee. • Localización y seguimiento dentro del hotel incluyendo zonas exteriores como parking o piscina. • Control de accesos Supermercados • Tag Zigbee enganchado en el carro de la compra. • Seguimiento continuo dentro del supermercado y zonas limítrofes • Análisis de rutas y comportamientos de consumidores • Estadísticas de consumo – gestión útil de empleados y demanda de productos. • Localización a nivel área/zona del supermercado puede ser suficiente • Opcionalmente: Aplicación móvil con mapas indoor para guiar al cliente, mostrarle descuentos, buscar productos,….
- 16. Casos de Uso Seguridad y Vigilancia • Tag ZigBee para el personal de seguridad • Control de presencia automático: Chequeo de rondas periódicas tanto en zonas indoor como en zonas exteriores. • Localización precisa en caso de alarma • Botones de Alarma configurables para eventos programables • Control de accesos Policía • Tag ZigBee para personal de comisarías y dependencias policiales • Pulsera ZigBee temporal para detenidos y visitantes • Localización continua o bajo demanda de detenidos • Geo-fencing • Control de Accesos
- 17. Casos de Uso Hospitales, Residencias y Centros de Salud • Pulsera ZigBee para pacientes y, opcionalmente, visitas. • Botones de alarma para uso del paciente. • Seguimiento continuo – análisis de rutas y comportamientos • Detección de caídas • Gestión de zonas restringidas por usuario (geo-fencing indoor) • Tag ZigBee para personal médico y, opcionalmente, empleados del hospital (limpieza, seguridad). • Localización bajo demanda • Control de accesos • Tag Zigbee para instrumental y objetos de valor • Gestión de inventario • Localización bajo demanda: Capas espaciales de objetos Teleasistencia: • Tag ZigBee para el paciente asistido en su domicilio • Botón Pánico/Alarma • Detección de entrada/salida (geofencing en zona) • Tag ZigBee para asistente domiciliario • Control de presencia y asistencia efectiva en domicilio
- 18. Casos de Uso Almacenaje y control de enseres • Localización de conteiners en interiores y exteriores. • Control de inventario • Alarmas por robo Minas • Localización y seguimiento de mineros • Botón pánico
- 19. Conclusiones • Muchas aplicaciones de localización requieren la incorporación de sensores y automatización (i.e. Aplicaciones de control de accesos). Zigbee proporciona tanto la gestión de localización como la integración con cualquier tipo de sensor/actuador. • Zigbee es la opción adecuada para multitud de casos donde se requiere seguridad y fiabilidad en las comunicaciones y no se requieren alta transferencia de datos. Las topologías de red Zigbee permiten adaptarse a cualquier tipo de entorno y distribución tanto interior como exterior. • Zigbee no está presente en los teléfonos móviles por lo que el objeto a localizar (usuario, recurso) debe portar un tag Zigbee: • Muchos casos de uso están orientados a grupos de usuarios específicos y controlados por lo que no se requiere el uso adicional de un teléfono móvil. • El teléfono movil puede usarse como canal de entrada y salida para enviar o recibir datos en base a la posición del tag Zigbee asociado. • En otros casos el tag Zigbee operará objeto a localizar en interiores (y, opcionalmente, en exterior) mientras que, en exteriores, el usuario podrá ser localizado por Celda/GPS o WiFi a través de su terminal móvil. El dispositivo Zigbee puede incluir sensores de movimiento (MEMS) de gran calidad cuyo uso puede ser independiente o cooperativo para la obtención de la posición precisa del objeto a localizar.