Redes de Sensores Inalámbricos (WSN)Hardware, herramientas, aplicaciones
Ing. Pablo Godoy
ITIC - UnCuyo
Temario
Introducción a WSN. Plataformas de Hardware. Aplicaciones. Herramientas (Tesbeds) Ensayos y cálculos de consumo.
Temario
• Introducción a WSN. Plataformas de Hardware. Aplicaciones. Herramientas (Tesbeds). Ensayos y cálculos de consumo.
Temario Introducción a WSN. Plataformas de Hardware. Aplicaciones. Herramientas (Tesbeds) Ensayos y cálculos de consumo.
Requisitos de Hardware 1
• Bajo costo. • Bajo consumo (energía limitada).• El nodo debe consumir toda la energía de las
baterías (Ejemplo: Nodo con Vimin=2.7 V, alimentado con dos baterias, V de corte=1.8 V, dejará sin uso 50% de la energía 1).
• Robustez y confiabilidad mecánica de los nodos.
1 Joseph Polastre, Robert Szewczyk, and David Culler, University of California, Berkeley
Requisitos de Hardware 2
Calidad del radio enlace. Canales de conversión analógico-digital o puertos
seriales. Capacidad de procesamiento y memoria reducida,
pero suficiente.
Componentes de un nodo sensor
Microcontrolador Transceptor Sensores y/o
actuadores Fuente de
alimentación
Crossbow Technology Inc.
Componentes de un nodo sensor: Microcontrolador
Capacidad de memoria y procesamiento limitado, pero suficiente (8 Mhz, 10Kb, 1Mb).
Modos de bajo consumo de energía (reduciendo velocidad, voltaje o apagando perifericos sin uso).
Algunas veces embebidos en un mismo chip con la radio (MC13213).
Ejemplos: Ember EM250, HCS08, MSP430, ATMEGA 128L.
Componentes de un nodo sensor: Transceptor
El componente que más consume. Diferentes modos de operación. Diferentes potencias de transmisión. Soportan la capa física del estándar 802.15.4 Opera en las bandas libre de licencia (2,4 Ghz). Ancho de banda de 250 kbps.
Componentes de un nodo sensor: Sensores y/o actuadores.
Activos, Pasivos Analógicos, Digitales
El estándar IEEE 1451.4:
Standard IEEE1451 and IEEE1451.4, University of Siena, Electronics and electonic measurements group.
Componentes de un nodo sensor: Fuente de alimentación
Baterias (generalmente 2 baterías tipo AA). Definen la vida útil del nodo. Es necesario cuidar el capacity effect (uso de
capacitores o supercapacitores 1). Investigación sobre harvesting energy (paneles
solares, viento, etc). Ejemplo: ZebraNet.
1 Bahareh Gholamzadeh, and Hooman Nabovati, Sadjad Institute of Higher Education, Mashhad, Iran.
Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado
Digi: XBee ZB; XBee PRO ZB, XBee y XBee-PRO 802.15.4.
Simples de usar. X-CTU. Entradas analógicas
(4) Modo sleep < 1µA 120 m – 1.5 Km Modos AT y API.
Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado
Freescale: MC13213, MC13192
PHY 802.15.4 Microcontrolador
HCS08 BeeKit/CodeWarrior
Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado
Texas Instrument: CC2430, CC2480.
Radio IEEE802.15.4 + MCU.
Transceiver ZigBee (CC2480)
IAR Embedded Workbench
TinyOS
Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado
Crossbow: TelosB; MicaZ
TelosB: CC2420 y MSP430 de TI.
Investigación. MicaZ: CC2420 y
ATMEGA 128L. Uso industrial. TinyOS
Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado
Microchip: MRF24J40MA
MRF24J40 + antena + regulador.
PHY y MAC layer de IEEE 802.15.4
Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado
Atmel: AT86RF230 Jn5121 de Jennic IRIS 2.4 de Crossbow
Uso de FPGA en WSN Plataformas para prototipado rápido. Nodos de arquitectura reconfigurable
dinámicamente.
Technische Universitat Darmstadt, Germany
Temario
• Introducción a WSN.• Plataformas de Hardware.• Aplicaciones.• Tesbeds• Ensayos y cálculos de consumo.
Campos de aplicación
Sensado de variables ambientales y agrícolas Investigación Monitoreo y control
Domótica Ahorro energético Seguridad Bienestar Comunicación
Campos de aplicación
Seguimiento médico de pacientes. Logística. Control de tráfico. Aplicaciones militares y de supervivencia. Monitoreo de desastres naturales. Exploración de ambientes peligrosos.
Aplicaciones existentes
PinPtr (Sistema de detección de francotiradores): Mica2 + placa propietaria con 3 sensores. US Army MOUT (Military Operations in Urban
Terrain). 3D, 1.3 metros, latencia 2 segundos.
Institute for Software Integrated Systems, Vanderbilt University
Aplicaciones existentes
Macroscope of redwood: Sensores de T, H y R 5 minutos, 2 metros Mote Mica2Dot. Sensores digitales (I2C y SPI)
y sensores analógicos (ADC). Objetivo: Obtener un modelo
del flujo de sabía. Dificultad con variables
direccionales.
Intel Research Laboratory at Berkeley, y Universidad de California, Berkeley
Aplicaciones existentes
MAX: sistema de búsqueda human-centric. Los objetos son marcados con “tags” Seguridad y privacidad Mote Mica2.
National University of Singapore
Aplicaciones existentes
Aplicaciones industriales: mantenimiento preventivo de equipos.
Ejemplo: red desarrollada por Intel Corporation y Arched Rock Corp.
Basado en la detección de patrones de vibración. Pruebas realizadas en una fábrica de
semiconductores y un tanque de combustible en el Mar del Norte.
Mica2, Intel mote.
Aplicaciones existentes
CenWits: Sistema de búsqueda y rescate en espacios naturales.
Universidad de Colorado. Motes Mica2, GPS. Transmición beacon, memoria. Access points.
LP (Location Points).
Aplicaciones existentes
Harvard University, University of New Hampshire, University of North Carolina.
Volcanic monitoring. Colaboración con SensorWeb. 16 nodos. Sensores sísmicos e infrasónicos. TMote Sky. ADC de 20 bits, filtro digital 50 Hz. 2 baterias alcalinas tipo D. Nodos detectan eventos de interés. Volcán Tungurahua, Volcán Reventador.
Aplicaciones existentes
Harvard University, University of New Hampshire, University of North Carolina.
Aplicaciones existentes
Universidad de California, Intel, CITRIS (Center for Information Technology in the Interests of Society)
Aplicaciones de monitoreo para la salud. Sleep Safe: Sistema que ayuda a prevenir la muerte
súbita en bebes (motes SHIMMER y Tmote). Baby Glove: Sistema de monitoreo de tempetaruta,
pulso e hidratación (motes SHIMMER y Tmote).
Aplicaciones existentes
FireLine: Sistema que detecta signos de stress excesivo en bomberos midiendo el pulso (Tmote).
Heart@Home: Sistema de monitoreo de presión sanguínea y ritmo cardíaco (mote SHIMMER y Tmote).
LISTSENse: Sistema que permite detectar sonidos a personas con problemas de audición.
ZebraNet: WSNs utilizada para seguimiento de animales.
Aplicaciones existentes
ZebraNet 1
Seguimiento de migraciones de animales.
GPS, microcontolador TI MSP430F149.
Muestras cada 8 minutos, memoria flash 2 a 4 Mbit, 1 Km, tiempo de vida de meses.
Celdas solares. Radio: 9XStream.
1 Universidad de Princeton, Mpala Research Center in Kenya
Temario
Introducción a WSN. Plataformas de Hardware. Aplicaciones. Herramientas (Tesbeds). Ensayos y cálculos de consumo.
Herramientas de evaluación
Simuladores NS-2 OMNeT++ y Castalia. Prowler. OPNET
Emuladores TOSSIM SENSE
Testbeds
Testbeds
MoteLabDesplegado Harvard, Basado en web. 160 Tmote (86 Ok).Sensores de luz, temperatura y humedad. Alimentado por red. Conectados a la red Ethernet.Indoor.
Maxwell Dworkin Laboratory, the Electrical Engineering and Computer Science building at Harvard University
Testbeds
SensorScope: Estaciones que miden variables ambientales.Alimentadas por energía solar. Interface webUbicada Suiza. 2 despliegues.Estudios de medioambiente. TinyNode (microcontrolador TI MSP430 y radio Xemics XE1205).
Temario
Introducción a WSN. Plataformas de Hardware. Aplicaciones. Tesbeds Ensayos y cálculos de consumo.
Nuestro trabajo en el ITIC
Objetivos de nuestro trabajo: Gestión remota de redes de sensores:
Interacción con Grid Computing. Interacción con laboratorios remotos. Interacción de plataformas de distintos
fabricantes Aplicaciones
Trabajo realizado en el ITIC
Mediciones de consumo y vida útil Mediciones de alcance y variación de potencia con
la distancia Estudio de la influencia de condiciones típicas de
operación sobre el alcance.
Ensayos de consumo: Descripción
Nodo modelo: 2 sensores de temperatura LM75, 1 sensor humedad SHT71, piránometro BPW41N.
Consumo promedio: Corriente promedio (sleep, adquisición, sensado, reporte). Reporte cada 10 minutos.
• Instrumental: – Osciloscopio Fluke 196C. – Multímetro Fluke 189 .– Resistencia serie de 10 ohm.
Mediciones de distancia de comunicación
Potencia [dbm]
Distancia Xbee [m]
-7 138
+1 156
+3 196
+5 250
Potencia [dbm]
Distancia Freescale [m]
-7 42
+1.19 103
+3 128
+3,4 140