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Universidad de Santiago de Chile

            Facultad de Ingeniería

     Departamento de Ingeniería Eléctrica




   Estado del Arte
     “Redes de sensores
      Inalámbricos y sus
         aplicaciones”
(WSN “Wirless Sensor Network”)




                    Curso: Teoría de la Información y Códigos
                    Alumno: Francisco Valenzuela Riquelme
                    Profesor: Héctor Kaschel Cárcamo




             Santiago, Octubre de 2012
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)                                      Teoría de la Información y Código

                                                   CONTENIDO

   1.- Introducción........................................................................................................ 2
   2.- ¿Qué son las redes de sensores inalámbricos (WSN)? ..................................... 3
      2.1.- Caracterísiticas de las WSN ........................................................................ 3
      2.2.- Orígenes de las WSN .................................................................................. 5
      2.3.- Hitos importantes en las WSN ..................................................................... 6
      2.3.- Desafíos de las redes sensoras .................................................................. 7
   3.- Elementos de las WSN ...................................................................................... 8
      3.1.- Nodos sensores ........................................................................................... 9
         3.1.1.- Arquitectura de Hardware de un nodo sensor ....................................... 9
         3.1.2 Arquitectura de red de un nodo sensor ................................................. 13
         3.1.3.- Modelo Jerárquico de una WSN ......................................................... 14
         3.1.4.- Sistemas operativos para motas ......................................................... 14
         3.1.5.- Lenguajes de programación ................................................................ 18
   4.- Arquitectura protocolar de una WSN ................................................................ 19
      4.1.- Protocolos WSN ........................................................................................ 19
      4.2.- Criterios para seleccionar un protocolo MAC ............................................ 19
      4.3.- Tipos de tecnologías y estándar IEEE ....................................................... 20
      4.4.- Seguridad y encriptación en las WSN ...................................................... 24
   5.- Aplicaciones de las WSN ................................................................................. 25
      5.1.- Aplicaciones Industriales ........................................................................... 26
      5.2.- Aplicaciones Médicas ................................................................................ 28
      5.3.- Domótica ................................................................................................... 29
      5.4.- Entornos ambientales ................................................................................ 30
   6.- Ventajas y Desventajas de las WSN ................................................................ 34
   7.- Tendencia de las WSN..................................................................................... 34
   8.- Conclusiones.................................................................................................... 36
   9.- Referencias ...................................................................................................... 37




                                                                                                                                1
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)                            Teoría de la Información y Código

                                      1.- INTRODUCCIÓN

   Las tecnologías de redes inalámbricas han tenido un rápido desarrollo en los
   últimos años. Hemos pasado de los veteranos infrarrojo (Irda) para
   comunicaciones punto apunto a las WPAN de corto alcance y multipuntos como
   “Bluetooth” o las redes de rango de alcance medio multisaltos como “ZigBee”.

   Otras tecnologías inalámbricas que podemos nombrar son, la tecnología WIFI
   para redes locales (WLAN), la tecnología “WIMAX” para redes WMAN. También
   la telefonía celular de largo alcance (GPRS) o el desarrollo de las comunicaciones
   M2M con tecnología inalámbrica.

   El desarrollo más interesante es el de las redes de sensores inalámbricos (WSN),
   debido a sus múltiples aplicaciones, en distintos sectores (seguridad, media
   ambiente, industria, agricultura etc.).

   Los principales analistas tecnológicos, dentro de las tecnologías inalámbricas,
   valoran las redes inalámbricas de sensores (WSN) como una de las opciones de
   futuro más prometedora. Fabricantes como Microsoft, Intel, IBM, Motorola y Texas
   Instruments, por citar algunos, han lanzado líneas de investigación en esta
   tecnología.

   Las redes inalámbricas de sensores (Wireless Sensor Networks) también se
   encuadra dentro de la llamada Inteligencia Ambiental (“pervasive computing,"
   "ambient intelligence” = computación ubicua 1 ). El concepto "inteligencia
   ambiental" es un terreno fronterizo entre los últimos avances en computación
   ubicua y los nuevos conceptos de interacción inteligente entre usuario y máquina.

   En el terreno práctico, la inteligencia ambiental consiste en la creación de una
   serie de objetos de uso cotidiano con cualidades interactivas "suaves" y no
   invasiva. El objetivo básico de la inteligencia ambiental es el dotar a objetos de
   capacidades de adquisición de información (tanto del entorno físico como del
   estado actual del objeto), procesamiento y comunicación, de tal forma que puedan
   comunicarse entre ellos y ofrecer nuevos servicios a sus usuarios.

   Por lo anterior, el objeto de este trabajo se enmarca en lo que corresponde al
   estado del arte de las redes sensoras inalámbricas, otorgando al lector una visión
   global de lo que es su estructura, protocolos, tecnología y aplicaciones disponibles
   hoy en día.




   1 Computación ubicua (ubicomp) es entendida como la integración de la informática en el entorno de la
   persona, de forma que los ordenadores no se perciban como objetos diferenciados. Esta disciplina se conoce
   en inglés por otros términos como Pervasive computing, Calm technology, Things That Think y Everyware.
   Desde hace unos años también se denomina "Inteligencia ambiental"


                                                                                                                2
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)                             Teoría de la Información y Código

   2.- ¿QUÉ SON LAS REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS
                        (WSN)?

   Las redes de sensores pueden considerarse un campo específico dentro de la
   Computación Ubicua.

   Este paradigma consiste en una red que es autónoma, formada por pequeños
   nodos inteligentes, donde ellos mismos auto-organizan y gestionan la red (es
   decir, un tipo particular de red ad-hoc2) y colaboran y cooperan para medir un
   parámetro físico del entorno (temperatura, presión, humedad, datos químicos, etc.)
   y, a su vez para procesar la información y hacerla circular convenientemente por la
   red. Este modelo supone una visión particular de la computación ubicua que
   requiere el desarrollo de dispositivos y tecnologías específicas, las cuales deben
   suponer una integración en el entorno que monitorizan pero sin alterarlo.

   Supone un campo de estudio en sus primeros pasos, con muchos desafío y temas
   abiertos de investigación y con multitud de aplicaciones por explotar; así, por
   ejemplo, en un informe de Febrero de 2003 el prestigioso Massachusets Institute
   of Technology (MIT) lo cataloga como una de las diez tecnologías emergentes que
   cambiarán el futuro y la propia NASA está haciendo estudios porque considera
   que esta nueva disciplina puede ser adecuada para capturar parámetros físicos
   necesarios para la exploración de Marte.

   A continuación, se va a profundizar en los aspectos técnicos más relevantes que
   caracterizan este tipo de redes y cuáles son las principales líneas de investigación
   que no están resueltas.i

                          2.1.- CARACTERÍSITICAS DE LAS WSN

   Una WSN está compuesta de un número muy elevado de nodos que se
   encuentran distribuidos en el entorno donde se produce el fenómeno que se desea
   monitorizar. La posición de los nodos no tiene porqué estar predeterminada y se
   puede suponer que el despliegue es al azar. Además, se contempla que los nodos
   sean estáticos o con baja, media o alta movilidad, según la aplicación en concreto.

   Por lo tanto se requieren técnicas típicas de redes ad-hoc para el descubrimiento y
   conformación de la red. Sin embargo, las WSN no son exactamente redes ad-hoc
   por lo que dichas técnicas pueden ser un punto de partida pero es necesario
   avanzar un paso más, para dar respuesta a su problemática particular. Las
   diferencias con una red ad-hoc al uso son:


   2
     Una red ad hoc es una red inalámbrica descentralizada. La red es ad-hoc porque cada nodo está preparado
   para reenviar datos a los demás y la que los router llevan a cabo esa función. También difiere de las redes
   inalámbricas convencionales en las que un nodo especial, llamado punto de acceso, gestiona las
   comunicaciones con el resto de nodos.
   Las redes ad hoc antiguas fueron las PRNETs de los años 70, promovidas por la agencia DARPA del
   Departamento de Defensa de los Estados Unidos después del proyecto ALOHAnet.




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Redes de Sensores inalámbricos (WSN)               Teoría de la Información y Código

   - El número de nodos en una WSN puede ser varias veces mayor (miles de nodos)
   y en un área dada, el número de nodos puede ser muy elevado (gran densidad).

   - Un nodo dispone de unos recursos limitados y es propenso a fallos. Únicamente
   logrando una cooperación y coordinación real de todos los nodos, se puede lograr
   que la red en conjunto funcione correctamente.

   - Un nodo sensor usa normalmente mecanismos de broadcast para comunicarse
   con su entorno mientras que la mayoría de las redes ad-hoc están basadas en
   comunicaciones punto a punto.

   - Un nodo sensor tiene limitada su capacidad de memoria, procesamiento y se
   alimentan con baterías.

   - Los nodos sensores no suelen tener un identificador global, como supone una
   dirección IP, por la sobrecarga computacional y de memoria que introducen y, por
   definición, el elevado número de nodos sensores que hay en la red.




                     Figura1: Red de sensores inalámbrica ad-hoc

   En resumen, las WSN están formadas por un alto número de dispositivos,
   densamente distribuidos en un área, que forma una red ad-hoc multisalto, es decir,
   que deben ser capaces de encaminar la información desde un origen a un destino
   sin confiar en una infraestructura externa. Una característica única de estas redes
   es el tipo de información que genera y la forma en que lo hace. Normalmente se
   consideran dos casos: bien que la red informa de un suceso ocurrido, bien que el
   usuario interroga sobre un hecho. En este último caso, lo habitual en una WSN es
   que el interés del usuario no se centre en la respuesta concreta de un nodo en
   cuestión, sino sobre el estado de cierto parámetro en un área determinada (por
   ejemplo, la zona bajo estudio en la que la temperatura supera un cierto umbral).
   Como consecuencia de esta necesidad hay que introducir un nuevo concepto, la
   agregación de la información. Si todos los nodos que miden un parámetro por
   encima de cierto umbral deben responder al usuario, probablemente la red se
   saturará (tenemos miles de nodos con poca capacidad de procesado). Por tanto,
   es necesario desarrollar técnicas para procesar la información en tránsito. De esta
   manera, la información es procesada y agregada a medida que avanza por la red
   hacia el destino, con lo que se reduce la carga de la red.ii




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Redes de Sensores inalámbricos (WSN)               Teoría de la Información y Código

                           2.2.- ORÍGENES DE LAS WSN

   Las redes de sensores provienen de la utilización de sensores durante las guerras
   con la detección de los atacantes por mar. Es por esto que empezaron a utilizar el
   “SONAR” (del inglés SONAR, acrónimo de Sound Navigation And Ranging,
   navegación y alcance por sonido’) que es una técnica que usa la propagación
   del sonido bajo el agua (principalmente) para navegar, comunicarse o detectar
   otros buques. El sonar puede usarse como medio de localización acústica,
   funcionando de forma similar al radar, con la diferencia de que en lugar de emitir
   señales de radiofrecuencia se emplean impulsos sonoros. De hecho, la
   localización acústica se uso en aire antes que el radar, siendo aun de aplicación el
   SODAR (la exploración vertical aérea con sonar) para la investigación atmosférica.




                      Figura 2: Utilización del sonar en los barcos

   El termino ≪sonar≫ se usa también para aludir al equipo empleado para generar
   y recibir el sonido. Las frecuencias usadas en los sistemas de sonar van desde las
   infra-sónicas a las ultrasónicas. Aunque algunos animales (como delfines y
   murciélagos) han usado probablemente el sonido para la detección de objetos
   durante millones de anos, el uso por parte de humanos fue registrado por vez
   primera por Leonardo Da Vinci en 1490. Se decía que se usaba un tubo metido en
   el agua para detectar barcos, poniendo un oído en su extremo.iii

   La primera de estas redes fue desarrollada por Estados Unidos durante la guerra
   fría y se trataba de una red de sensores acústicos desplegados en el fondo del
   mar cuya misión era desvelar la posición de los silenciosos submarinos soviéticos,
   el nombre de esta red era SOSUS (Sound Surveillance System). Paralelamente a
   ésta, también EE.UU. desplegó una red de radares aéreos a modo de sensores
   que han ido evolucionando hasta dar lugar a los famosos aviones AWACS, que no
   son más que sensores aéreos. SOSUS ha evolucionado hacia aplicaciones civiles




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Redes de Sensores inalámbricos (WSN)               Teoría de la Información y Código

   como control sísmico y biológico, sin embargo AWACS sigue teniendo un papel
   activo en las campañas de guerra.

   A partir de 1980, la DARPA comienza un programa focalizado en sensores
   denominado DSN (Distributed Sensor Networks), gracias a él se crearon sistemas
   operativos (Accent) y lenguajes de programación (SPLICE) orientados de forma
   específica a las redes de sensores, esto ha dado lugar a nuevos sistemas militares
   como CEC (Cooperative Engadgement Capability) consistente en un grupo de
   radares que comparten toda su información obteniendo finalmente un mapa
   común con una mayor exactitud.

   Estas primeras redes de sensores tan sólo destacaban por sus fines militares, aún
   no satisfacían algunos requisitos de gran importancia en este tipo de redes tales
   como la autonomía y el tamaño. Entrados en la década de los 90, una vez más
   DARPA lanza un nuevo programa enfocado hacia redes de sensores llamado
   SensIt, su objetivo viene a mejorar aspectos relacionados con la velocidad de
   adaptación de los sensores en ambientes cambiantes y en cómo hacer que la
   información que recogen los sensores sea fiable.

   Ha sido a finales de los años 90 y principios de nuestro siglo cuando los sensores
   han empezado a coger una mayor relevancia en el ámbito civil, decreciendo en
   tamaño e incrementando su autonomía. Compañías como Crossbow han
   desarrollado nodos sensores del tamaño de una moneda con la tecnología
   necesaria para cumplir su cometido funcionando con baterías que les hacen tener
   una autonomía razonable y una independencia inédita.

   El futuro ya ha empezado a ser escrito por otra compañía llamada Dust Inc,
   compuesta por miembros del proyecto Smart Dust ubicado en Berkeley, que ha
   creado nodos de un tamaño inferior al de un guisante y que, debido a su
   minúsculo tamaño, podrán ser creadas múltiples nuevas aplicaciones.iv

                    2.3.- HITOS IMPORTANTES EN LAS WSN

      Años                                      Eventos
      1980’s     Sensores distribuidos conectados mediante cables.
       1993      Proyecto LWIN en la UCLA
                 Proyecto DARPA (Defense Advanced Research Project Agency)-SensIT. UC
    1999-2003    Berkeley, University Southern California, University Cornell
      2001       Laboratorio de investigación de Intel se enfoca a las WSN.
                 NSF (National Science Foundation) funda el Center for Embedded
      2002       Networked Sensing.
                 Emerge la industria de las WSN; comienza con compañías tales como
    2001-2002    Sensoria, Crossbow,EmberCorp, SensiCast. Luego se instalan Intel, Bosch,
                 Motorola, Genera lElectric, Samsung.
    2003-2004    Norma IEEE802.15.4. ZigBee Alliance.
                 Establecimiento del modelo TELOS (Universidad de California
    2005-2006    Berkeley&Moteiv Corp) de sensor, que implementa totalmente el concepto
                 de software empotrado.


                                                                                            6
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)               Teoría de la Información y Código

                  2.3.- DESAFÍOS DE LAS REDES SENSORAS

   Antecedentes importantes: En 2003 la Comunidad Industrial InalámbricaI WC y
   la Oficina para la Renovación y Uso Eficiente de la Energía, del Departamento de
   Energíade USA, emitieron un informe conjunto denominado “Industrial Wireless
   Technology forthe 21st century“ donde se indican los nuevos paradigmas
   industriales para este siglo:

         Mejora continua en la calidad del producto.
         Costos de capital minimizados.
         Vida útil del equipamiento extendida.
         Operaciones en líneas de producción del tipo ráfagas.
         Menores costos de operación.
         Disponibilidad de equipos en continuo crecimiento.

   En el informe citado se señala una serie de inconveniente que actualmente
   aquejan a las instalaciones de redes cableadas. Entre ellas se citan:

         Altos costos de instalación.
         Altos costos de mantenimiento.
         Aumentos constantes de los costos.
         Alta tasa de falla en conectores.
         Dificultad para detectar los problemas en conectores.

   Por lo que proponen que se adopte como plataforma de comunicación a las redes
   inalámbricas porque inducen:

         Bajos costos de instalación y mantenimiento.
         Facilidad en el reemplazo y mejoramiento.
         Tasa de fallas muy baja en las interfaces físicas.
         Disponibilidad amplia y absoluta en sistemas micro-electrónico-mecánicos.
         Encargo rápido (rápida implementación sobre un pedido de un nuevo
          dispositivo)

   CONSERVACIÓN DE ENERGÍA: Debido al tamaño reducido de los nodos el
   ahorro de consumo de energía es vital en este tipo de redes, ya que es casi
   imposible la recarga y se pretende lograr su máxima eficiencia.
   COMUNICACIONES DE BAJA CALIDAD: Se pretende aplicar sensores en
   ambientes cuyas condiciones climáticas son extremas, por lo que la calidad de la
   radio comunicación puede ser muy pobre, dificultando así la detección.
   OPERACIÓN EN AMBIENTES HOSTILES: Se deben establecer protocolos que
   sean fuertes ante posibles fallas de los sensores, debido a que los ámbitos de
   acción serán ambientes hostiles que requieren nodos físicos diseñados con mucho
   cuidado.
   PROCESAMIENTO OBLIGADO DE LOS RECURSOS: Los recursos disponibles
   son aún más críticos en este tipo de redes que en las redes ad-hoc, por lo que los
   protocolos a desarrollar deberían conseguir una Calidad del Servicio lo más alta
   posible.


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Redes de Sensores inalámbricos (WSN)              Teoría de la Información y Código

                       3.- ELEMENTOS DE LAS WSN

   Dos enfoque se han adoptados. El primero de integrar todos los componentes
   (sensores, radiotransmisores y microcontroladores) en una sola placa iniciado por
   Moteiv Corporation (ahora Sentilla). Tienen un menor costo de producción y
   resultan más robustos en entornos duros o adversos.

   La segunda aproximación comenzada por Crossbow Technology Inc. es la de
   desarrollar una placa con los transceptores que se puede conectar a la placa del
   microcontrolador. Esta aproximación es más flexible. Los nodos suelen estar
   formados por una placa de sensores o de adquisición de datos y un “mote o mota”
   (placa de procesador y transmisión/recepción de radio). Estos sensores se pueden
   comunicar con un gateway, que tiene capacidad de comunicación con otros
   ordenadores y otras redes (LAN, WLAN, WPAN...) e Internet.

   Individualmente, podemos identificar los distintos elementos que forman parte de
   una red, encontrando a:

   • SENSORES: Toman del medio la información y la convierten en señales
   eléctricas.

   • NODOS (Motas): Toman los datos del sensor y envían la información a la
   estación base.

   • GATEWAY: Elementos para la interconexión entre la red de sensores y una red
   de datos (TCP/IP)

   • ESTACIÓN BASE: Recolector de datos basado en un ordenador común o
   sistema embebido.v




                           Figura 3: Elementos de las WSN




                                                                                       8
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                             3.1.- NODOS SENSORES

   Un nodo sensor 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 se compone de un transceptor
   (transmisor/receptor), proceador, uno o más sensores, memoria y batería. Los
   componentes brindan la opción de comunicación (enviar/recibir información),
   ejecutar tareas que requieren procesamiento mas allá de efectuar funciones de
   sensado.




                       Figura 4: Estructura de un nodo sensor.




           Figura 5: Estructura interna de un sensor inalámbrico inteligente.

          3.1.1.- ARQUITECTURA DE HARDWARE DE UN NODO SENSOR

   En general, un nodo genérico dispondrá de los siguientes bloques funcionales:

   - Unidad de proceso: Por su coste, se suelen emplear microcontroladores. Está
   encargado de gestionar todas las actividades del nodo entre las que destacan la
   captura de datos y su procesado, labores críticas de comunicación con otros
   nodos y la gestión eficiente de la energía disponible.




                                                                                      9
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)               Teoría de la Información y Código

   - Memoria: Para realizar las funciones anteriormente mencionadas, la unidad de
   proceso se apoya en el módulo de memoria (almacenamiento de datos de los
   sensores, información relevante para las tareas de comunicaciones, etc.).

   - Módulo sensor: se trata de un sensor o un grupo de ellos, conectados con la
   unidad de proceso. Miden parámetros físicos de su entorno (temperatura, presión,
   intensidad lumínica, humedad, movimiento, etc.).

   - Módulo de comunicaciones inalámbricas o transceiver: Es la interfaz a través
   de la cual el nodo interacciona y se comunica con sus nodos vecinos. Debido a las
   restricciones son dispositivos de corto alcance (metros) y baja velocidad (varios
   Kbps).

   - Sistema de alimentación: Cada nodo debe estar equipado con su propia fuente
   de alimentación y es el recurso que limita la vida útil del nodo y una de las
   principales restricciones y requisitos de diseño. Normalmente son baterías
   autónomas aunque, también se contempla el uso de placas solares.

   La aplicación típica de una red de sensores sería aquella en la que existe un
   destino y multitud de fuentes de datos (todos los nodos podrían comportarse como
   fuentes). La información generada por los nodos debe viajar por la red hasta llegar
   al destino que se encargará de comunicarla al usuario final o hacer de puente con
   otra red.

   Esta configuración general supone el uso de una pila de protocolos completa:
   niveles de aplicación, transporte, red, acceso al medio y físico. En función de la
   aplicación es posible que alguno de los niveles superiores (aplicación, transporte)
   no sea necesario o sea muy simple.

   La diferencia con una pila normal estará en la relación entre capas. Mientras que
   en redes comunes se busca la independencia entre capas, en una WSN no se
   puede aplicar este modelo ya que las restricciones son muy elevadas. Al contrario,
   el objetivo es que se utilice la información de otras capas para optimizar los
   recursos. Por ejemplo, el consumo energético es muy importante y los protocolos
   se diseñan de manera que consuman la mínima energía posible para lo que se
   tiene en cuenta parámetros del nivel físico. Por tanto, se añade un plano adicional
   como mínimo, que es el de gestión de potencia.vi

   Las principales casas que disponen de tecnologías para redes de sensores
   inalámbricos son las siguientes:

         Crosssbow: Ha estado a la vanguardia de la tecnología de sensores
          inteligentes durante más de una década desarrollando plataformas de
          software y hardware que dan soluciones en redes. Entre sus productos de
          módulos inalámbricos podemos encontrar las plataformas Mica, Mica2,
          Micaz, Mica2dot, telos, telosb, Iris e Imote2.




                                                                                         10
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         Sentilla: También llamada anteriormente MoteIV. Es la encargada de los
          motes Tmote Sky y Tmote Invent.




   Algunas Motas comerciales:




       Figura 6: Dispositivo Tmote                     Figura 7: Dispositivo Telos




          Figura 8: Dispositivo Mica             Figura 9: Dispositivo Arduino Duemilanove




                                                                                     11
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               TABLA COMPARATIVA DE MOTAS COMERCIALES




                                                                           12
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               3.1.2 ARQUITECTURA DE RED DE UN NODO SENSOR

   La estrategia tradicional de utilizar aplicaciones compactas causa gran cantidad de
   problemas de integración en sistemas software complejos como pueden ser los
   sistemas de gestión de una empresa o los sistemas de información integrados
   consistentes en más de una aplicación. Estas aplicaciones suelen encontrarse con
   importantes problemas de escalabilidad, disponibilidad, seguridad, integración...

   Para solventar estos problemas se ha generalizado la división de las aplicaciones
   en capas que normalmente serán tres: una capa que servirá para guardar los
   datos (base de datos), una capa para centralizar la lógica de negocio (modelo) y
   por último una interfaz gráfica que facilite al usuario el uso del sistema.


   Un cluster está formado por nodos de cómputo y una red de comunicación.

   Un nodo del cluster puede ser un ordenador convencional con su propia
   memoria, sistema de I/O y su propio sistema operativo. Los nodos pueden estar
   incluidos en una sola cabina (rack) o físicamente separados y conectados por una
   LAN.




                 Figura 10: Arquitecturas de red para nodos sensores




                                                                                         13
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                    3.1.3.- MODELO JERÁRQUICO DE UNA WSN

   En la práctica, podemos encontrar que existen redes de sensores controladas a
   través de dispositivos móviles como se muestra en la figura 11.




               Figura 11: Ejemplo de un modelo Jerárquico de 3 niveles.

                   3.1.4.- SISTEMAS OPERATIVOS PARA MOTAS

   Numerosos y variados son los sistemas operativos existentes hoy para sistemas
   embebidos, mas no todos satisfacen las restricciones que imponen las Redes de
   Sensores Inalámbricas, motivo por el cual muchos de ellos quedan descartados
   inmediatamente.

   De esta forma nuestro extenso espacio de decisión se reduce a unos pocos
   elementos. A continuación se presentaran tres de los principales Sistemas
   Operativos para redes de sensores, que cumplen con los requisitos.

   Los tres sistemas presentan capas de abstracciones para independizar al
   programador de los niveles inferiores (hardware). Mediante Drivers se comunican
   aplicación y hardware, al igual que los sistemas operativos para arquitecturas x86.
   El estudio se basara en como manejan las tareas y eventos que ocurren en cada
   nodo.




                                                                                         14
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)              Teoría de la Información y Código




           Figura 12: Diagrama de topología cluster-tree de una red ad-hoc.

   -PalOs: Es un sistema operativo desarrollado por la UCLA (Universidad de
   California).

   El modelo de ejecución se basa en que cada tarea mantiene una propia cola de
   eventos. La tarea puede interactuar con una entrada o salida física. En la fase de
   inicialización del programa, cada tarea registra una tarea de eventos en la
   programación del sistema. Si la tarea 1 desea hablar con la tarea 2, postea un
   evento en la cola de eventos de la tarea 2, usando una funcionalidad del
   Scheduler (organizador o programador) del sistema, para que luego la tarea 2
   capture ese evento al preguntar al Scheduler si tiene algún evento para él.

   Para un correcto funcionamiento de esta estructura de software, es necesario que
   un“timer” maneje la periodicidad con que una tarea registra eventos. La forma
   en que se implementa es a través de una tarea “timer”. Esta posee tres colas:

   1. “Cola Nexo”, encargada de interactuar con las demás tareas (recibe el envío
   de otras tareas).

   2. “Cola Delta”, en la cual se ordenan los distintos eventos dependiendo del
   tiempo de expiración

   3. “Eventos Expirados”, donde se van colocando para su posterior ejecución.

   -SOS: Fue desarrollado en la Universidad de UCLA específicamente en el
   “Networked and Embedded Systems Lab (NESL)”. Implementa un sistema de
   mensajería que permite múltiples hebras entre la base del sistema operativo y las
   aplicaciones, las cuales pasan a ser módulos que pueden ser cargadas o
   descargadas en tiempo de ejecución sin interrumpir la base del sistema operativo.
   Además procura remediar algunos de las limitaciones propias de la naturaleza
   estática de muchos de los sistemas precursores a este (por ejemplo TinyOS).

   El principal objetivo de SOS es la reconfigurabilidad. Esta se define como la
   habilidad para modificar el software de nodos individuales de una red de sensores,


                                                                                        15
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)               Teoría de la Información y Código

   una vez que estos han sido desplegados físicamente e inicializado su
   funcionamiento. En el caso de encontrar un problema, en caso de no contar con
   esta solución, habría sido necesario recolectar todos los nodos para poder
   modificar su software.

   La capacidad de dinámicamente de agregar o remover módulos, permite la
   construcción de software mucho más tolerante a fallos. Esto presenta dos grandes
   ventajas: uno es el hecho de poder realizar actualizaciones de forma fácil, el otro
   es la capacidad de anular el funcionamiento de algún modulo defectuoso, de algún
   nodo que pertenece a la red.

   Además de las técnicas tradicionales usadas en el diseño de sistemas embebidos,
   las características del kernel de SOS son:

   • Módulos cargados dinámicamente.

   • Programación flexible de prioridades.

   • Subsistema para manejo de memoria dinámica.

   Las capas de abstracción de hardware y drivers son de la misma forma que para
   el sistema PalOS.

   -TinyOS: Fue desarrollado por la Universidad de Berkeley (California). TinyOS
   puede ser visto como un conjunto de programas avanzados, el cual cuenta con un
   amplio uso por parte de comunidades de desarrollo, dada sus características de
   ser un proyecto de código abierto (Open Source). Este “conjunto de programas”
   contiene numerosos algoritmos, que nos permitirán generar enrutamientos, así
   como también aplicaciones pre-construidas para sensores.

   Está escrito en base a NesC, un meta-lenguaje que se deriva de C, diseñado para
   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. Además
   existen 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, es decir, las tareas no pueden dividirse para
   comenzar con otra y luego retomarlas, más si pueden ser interrumpidas
   periódicamente por acontecimientos de una prioridad más alta (eventos).

   Actualmente se utiliza una cola FIFO (primero en entrar, primero en salir) para el
   scheduler, no obstante un mecanismo alternativo podría ser agregado fácilmente.




                                                                                         16
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)             Teoría de la Información y Código

   Podemos comprar los 3 sistemas operativos anteriormente descritos según la
   figura 13 que se muestra a continuación:




           Figura 13: Tabla comparativa de sistemas operativos para motas

   Otros sistemas operativos menos populares para motas son:

   -CONTIKI: Es un Sistema Operativo de libre distribución para usar en un limitado
   tipo de computadoras, desde los 8 bits a sistemas embebidos en
   microcontroladores, incluidas motas de redes inalámbricas.

   -CORMOS: Es un sistema operativo para comunicaciones de tiempo real aplicado
   específicamente para redes de sensores inalámbricas

   -ECOS (Embedded Configurable Operating System): Es un sistema operativo
   gratuito, en tiempo real, diseñado para aplicaciones y sistemas embebidos que
   sólo necesitan un proceso. Se pueden configurar muchas opciones y puede ser
   personalizado para cumplir cualquier requisito, ofreciendo la mejor ejecución en
   tiempo real y minimizando las necesidades de hardware.

   -MagnetOS: Sistema operativo distribuido para redes de sensores adhoc, cuyo
   objetivo es ejecutar aplicaciones de red que requieran bajo consumo de energía,
   adaptativas y fáciles de implementar.

   -EYESOS: Se define como un entorno para escritorio basado en Web, permite
   monitorizar y acceder a un sistema remoto mediante un sencillo buscador.




                                                                                      17
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                       3.1.5.- LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN

   La programación de sensores es complicada, entre otras dificultades está la
   limitada capacidad de cálculo y la cantidad de recursos. Y así como en los
   sistemas informáticos tradicionales encontramos entornos de programación
   prácticos y eficientes para depurar código y simular.

   Podemos encontrar lenguajes como:

         nesC: Lenguaje que utilizamos para nuestras motas, y que está
          directamente relacionado con TinyOS.



         Protothreads: Específicamente diseñado para la programación
          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, complicado con nesc, este lenguaje hace su programación más
          fácil y eficiente. Luego es un buen sustituto de nesc para crear librerías 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).



         DCL: Lenguaje de composición distribuído (Distributed Compositional
          Language).



         galsC: diseñado para ser usado en TinyGALS, es un lenguaje programado
          mediante el modelo orientado a tarea, fácil de depurar, permite
          concurrencia y es compatible con los módulos nesc de TinyOS.



         SQTL: (Sensor Query and Tasking Language): Como su nombre indica es
          una interesante herramienta para realizar consultas sobre redes de motas.




                                                                                          18
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             4.- ARQUITECTURA PROTOCO LAR DE UNA WSN

                             4.1.- PROTOCOLOS WSN

   Los protocolos WSN comprenden las capas:

   Física

   Enlace de Datos

   Red

   Las aplicaciones de los usuarios se forman sobre la capa de red.




                              Figura 14: Protocolos WSN

          4.2.- CRITERIOS PARA SELECCIONAR UN PROTOCOLO MAC

   Escalabilidad: Las redes de sensores son por definición dinámicas, y el agregar
   nodos es totalmente normal. Por tanto, debe estar preparado para trabajar con
   diferentes números de nodos.

   Predecir los tiempos de retrasos: Los protocolos deben contener un
   mecanismo que evite tener que preocuparse del correcto funcionamiento en
   función de la disposición de los nodos, proximidad, calidad del canal, entre otros.

   Adaptabilidad a los cambios mencionados anteriormente.

   Eficientes a la hora de gestionar la energía, como principal desafío de las redes
   de sensores, la cantidad de energía utilizada en el envío, recepción de paquetes
   en las redes inalámbricas es esencial, ya que a menor energía utilizada mayor
   tiempo de vida para la red.

   Fiables, evitando los bloqueos, la pérdida de paquetes, la desaparición de nodos
   y respondiendo a interferencias o ataques externos a la red.


                                                                                         19
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              4.3.- TIPOS DE TECNOLOGÍAS Y ESTÁNDAR IEEE

   Los estándares consisten en una recopilación de especificaciones que regulan la
   realización de procesos para garantizar la interoperabilidad de diversos productos.

   En el entorno de las comunicaciones inalámbricas podemos mencionar algunos
   como:

   • Bluetooth (IEEE802.15.1): permite comunicaciones radio de 720 kbps (1 Mbps
   de capacidad bruta) en radios de cobertura de entre 10 y 100 metros con un
   consumo de corriente de 40 mA. Los datos son sincronizados entre ordenadores,
   teléfonos móviles y otros periféricos tales como impresoras, PDAs, etc.

   • Wimax (IEEE802.16): permite trabajar a una tasa de transmisión de 70 Mbps en
   radios de cobertura de hasta 48 kilómetros a frecuencias de 2,5 y 3,5 Ghz.

   • Wifi (IEEE802.11): permite transmisiones de datos de entre 11 Mbps
   (IEEE802.11b) y 54 Mbps (IEEE802.11g) y opera en las bandas de radio de 2,4 -
   2,5 Ghz. 8 Localización de nodos en una red inalámbrica de sensores.

   • IEEE802.15.4: permite transmisiones de datos de entre 20 a 250 kbps en radios
   de cobertura de entre 10 y 75 metros soporta bandas de radio de 2400-2483,5
   MHz (utilizado en todo el mundo) empleando 16 canales. También es compatible
   en las bandas de 868-868,8 MHz (Europa) y 902-928 MHz (Norte América), hasta
   diez canales (2003) extendidos a treinta (2006).

    Este estándar define el nivel físico y el control de acceso al medio en redes
   inalámbricas de área personal (LR-WPAN) y es la base de la tecnología
   inalámbrica llamada Zigbee.

   Las principales características de este estándar son:

   • Flexibilidad en la red debido a la facilidad de integración en la red mostrada por
   sus dispositivos ya que cada nodo puede iniciar su participación en la red, y el
   intercambio de información se realiza sin demasiado esfuerzo de instalación.

   • Bajo coste, debido al uso de componentes de coste reducido.

   • Bajo consumo de energía: se trata de uno de los objetivos primordiales de este
   estándar ya que al tratarse del uso de dispositivos inalámbricos, deberemos
   utilizar baterías y conseguir un consumo mínimo para evitar de reponer las
   baterías de manera frecuente. Para ello utilizamos una potencia de transmisión y
   un radio de alcance limitados (10 y 75 metros) y además utilizando unos ciclos de
   trabajos bastante bajos del orden de un 0,5%. Por ejemplo, en caso de que
   utilicemos una batería de una capacidad de 750 mAh en un rango de 10 metros,
   con un consumo de 10 mA de corriente en estado activo, nuestra batería podría
   alcanzar una duración de dos años si el ciclo de trabajo es inferior a 0,5%.




                                                                                          20
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)           Teoría de la Información y Código

   En la tabla que se muestra a continuación, se realiza una comparación de los
   distintos estándares disponible, en donde se muestran sus principales
   características de Hardware, cobertura y aplicaciones.




   A continuación se presenta un gráfico que examina las distintas tazas de
   transferencias v/s el costo, complejidad y consumo de energía.




                     Figura 15: Caracterísiticas Normas IEEE



                                                                                   21
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)              Teoría de la Información y Código

   Al analizar relación señal a ruido v/s la tasa de error, encontramos que la
   tecnología ZigBee es la más “robusta”, tal como puede apreciarse en la figura 16
   que se muestra a continuación.




       Figura 16: Relación señal a ruido (SNR) v/s Tasa de Errores por Bit (BER)



   A continuación podemos observar una tabla comparativa de estándares según sus
   velocidades de transferencia, cobertura y costo para el año 2008.




                   Figura 17: Costo de tecnologías para el año 2008




                                                                                      22
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)              Teoría de la Información y Código

   Los distintos canales según los estándares dispuestos actualmente los podemos
   apreciar en la figura 18 que se muestra a continuación:




                               Figura 18: Canales IEEE

   Se espera que los módulos ZigBee sean los transmisores inalámbricos más
   baratos jamás producidos de forma masiva, con un coste estimado alrededor de
   los 2 euros. Dispondrán de una antena integrada, control de frecuencia y una
   pequeña batería.

   ZigBee Alliance es una alianza, sin ánimo de lucro, de más de 100 empresas, la
   mayoría de ellas fabricantes de semiconductores, con el objetivo de auspiciar el
   desarrollo e implantación de una tecnología inalámbrica de bajo coste. La alianza
   de empresas está trabajando codo con codo con IEEE para asegurar una
   integración, completa y operativa. Los principales mercados de la ZigBee Alliance
   son la automatización de viviendas, edificios y la automatización industrial.

   Además de ser el estándar aceptado y utilizado por las WSN, ZigBee es un
   sistema ideal para redes domóticas, específicamente diseñado para reemplazar la
   proliferación de sensores y actuadores individuales. ZigBee fue creado para cubrir
   la necesidad del mercado de un sistema a bajo coste, un estándar para redes
   Wireless de pequeños paquetes de información, bajo consumo, seguro y fiable.




                                                                                        23
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)               Teoría de la Información y Código

              4.4.- SEGURIDAD Y ENCRIPTACIÓN EN LAS WSN

   Las comunicaciones inalámbricas son inherentemente inseguras.

   Debe tenerse en cuenta que las transmisiones pueden ser interceptadas o
   modificadas por agentes maliciosos. Un atacante puede, por ejemplo, actuar como
   receptor, modificar los paquetes y reenviarlos con contenido incorrecto o
   modificado a su conveniencia.

   En el comienzo de esta tecnología, el principal objetivo era el ahorro de potencia.
   Es por esto que los protocolos creados y el software correspondiente se centraban
   en esta tarea más que en proporcionar una comunicación relativamente segura.

   La natural escasez de recursos que rodea a las redes de sensores inalámbricos
   establece aún mayores restricciones en cuanto a las tecnologías de seguridad que
   pueden ser implementadas. Por ejemplo, es casi imposible proveer a los nodos
   con un sistema de clave pública/clave privada debido a su pequeño poder
   computacional y a su limitada memoria disponible.

   La transmisión de un bit de datos equivale en gasto de potencia a la ejecución de
   entre 800 y 1000 instrucciones, por lo que redundancias introducidas por
   mecanismos de seguridad es inaceptable. Por lo tanto, no es factible implementar
   un sistema con un medio-alto grado de complejidad o que agregue demasiadas
   redundancias.

   El método que se utiliza excluyentemente es la encriptación por clave simétrica
   (por ser relativamente sencillo de implementar). Aún así, estos algoritmos deben
   ser implementados cuidadosamente. Actualmente existen dos protocolos que
   cumplen esta función: μTESLA y SNEP. El primero provee autenticación, mientras
   que el segundo provee confidencialidad, autenticación y frescura.

   La encriptación a nivel enlace y los mecanismos de autenticación mencionados, si
   bien proveen un nivel básico de seguridad contra intrusos de pequeño poder
   computacional, no son suficiente protección contra ataques de mayor escala. El
   diseño de protocolos seguros para redes de sensores inalámbricos es un área que
   todavía se encuentra en desarrollo.




                                                                                         24
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                     5.- APLICACIONES DE LAS WSN

   Como se mencionó anteriormente, la tecnología y norma más empleada a la hora
   de realizar comunicaciones inalámbricas es ZigBee, ZigBee Alliance ha
   conformado nueve grupos de trabajo para desarrollar esta tecnología. En este
   trabajo trataremos de sintetizar algunas aplicaciones de distintos campos que
   están actualmente en desarrollo y las futuras por desarrollar.

   El estándar ZigBee originalmente desarrollado para la domótica por ZigBee
   Alliance, fue actualizado y publicada una nueva versión (Release 17) en el año
   2007 con el nombre de ZigBee PRO. La diferencia básica entre las dos versiones,
   consiste en la capacidad de ZigBee PRO de aceptar distintas topologías de red,
   mientras que ZigBee 1.0 no las soportaba. Las dos versiones comparten la misma
   capa física y capa MAC. Al iniciar operación un dispositivo ZigBee, este realiza un
   escaneo entre los 16 canales disponibles y establece la comunicación entre los
   dispositivos utilizando el mismo canal. Solo se tendrá en cuenta en esta
   explicación la frecuencia de 2.4 GHZ.

   Si una interferencia interrumpe el canal establecido entre los dispositivos ZigBee,
   estos vuelven nuevamente a escanear el espectro disponible para establecer
   comunicación por otro canal. Esta situación puede presentarse cuando los
   sensores coexisten al mismo tiempo con sistemas de Wi-Fi en sus cercanías.
   En la figura 19 puede observarse una típica topología de red, donde los routers y
   coordinadores son dispositivos de función completa (FFD, Full Function Device) y
   los sensores finales son dispositivos de función reducida (RFD, Reduced Function
   Device) ambos por sus siglas en inglés.




                  Figura 19: Topología de red FFD y RFD ZigBeePro




                                                                                         25
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                      5.1.- APLICACIONES INDUSTRIALES

   Las tecnologías inalámbricas poseen grandes ventajas sobre las redes cableadas:
   la posibilidad de un despliegue rápido de los sensores sin tener que instalar
   grandes longitudes de cable. Fuera de los costos asociados por este concepto,
   están los problemas de acondicionamiento de señal en grandes distancias, donde
   es necesario utilizar acopladores y amplificadores para el acondicionamiento de
   señal. Por las anteriores razones ZigBee ha ganado un camino importante en la
   industria.

   La arquitectura típica de una red industrial de sensores con ZigBee, lo usa como el
   primer elemento de la red. La convergencia de servicios es la tendencia en las
   redes de hoy y los sensores inteligentes hacen que esta tarea sea más eficiente.

   Como se mencionó unas líneas atrás, los dispositivos ZigBee se pueden
   configurar de dos formas: como FFD ó como RFD. Los routers y coordinadores
   son dispositivos que necesariamente deben estar conectados en forma continua y
   necesitan enviar información en tiempo real. Los dispositivos finales o de función
   reducida RFD, solo se conectan en el momento que es necesario enviar la
   información de alguna señal, como por ejemplo en variables lentas como
   temperatura o nivel que son enviadas cada cierto intervalo de tiempo. Pero en el
   momento que es necesario enviar una información urgente el RFD debe salir del
   modo SLEEP y pasar al modo ON. De la misma forma los coordinadores y routers
   darán prioridad a esta señal de emergencia y la enviarán de inmediato a través de
   la red para que el sistema envíe de vuelta la acción correctora.

   En la figura 20 observamos la estructura de una red de sensores para una planta
   de producción. Los sensores ZigBee están ubicados como elemento primario de
   medida inteligente monitoreando los procesos más críticos: por ejemplo, los
   niveles de corriente de los motores, su temperatura de operación, etc. Estos se
   comunican directamente con el dispositivo coordinador o router quién se encarga
   de hacer llegar la información a un dispositivo Gateway por medio de una interface
   que convierte la información en un protocolo que viaje por la red cableada (por
   ejemplo IEEE 485 ó RS 232). El Gateway se comunica con una red Ethernet ya
   sea por cable de cobre o fibra óptica con el sistema de Gestión y Monitoreo de la
   planta, que a su vez se comunica por Internet a través de túneles virtuales seguros
   VPN, con otras plantas satélites de ser necesario.




                                                                                         26
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)              Teoría de la Información y Código




            Figura 21: Esquema General de una red de sensores industrial

   Específicamente, la empresa National Instrument™ tiene desarrollado un completo
   sistema de control para motores y máquinas en ambientes industriales, el cual han
   denominado “Detección y Diagnóstico de Fallas por Medición y Análisis de
   Vibraciones”, el cual revisaremos a través de las siguientes imágenes que intentan
   mostrar las partes y estructura de una red de sensores en un ambiente industrial,
   además de incluir algunas motas y estación base comerciales.




         Figura 22: Control industrial usando WSN National Instrument ™
                                                                                        27
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)              Teoría de la Información y Código

                          5.2.- APLICACIONES MÉDICAS

   Las aplicaciones médicas son uno de los campos donde más se espera el
   desarrollo esta tecnología. No solo en el campo del monitoreo sino en el cuidado y
   bienestar de las personas.

   Se plantea la integración y convergencia con otros tipos de redes que puede ser la
   Ethernet o las redes celulares de nueva generación como UMTS y LTE.

   ZigBee se define como una Tecnología de Asistencia (AT) en los campos de la
   salud y el bienestar. Una definición actualizada de AT fue formulada en 2001:
   Tecnología de Asistencia es cualquier producto o servicio diseñado para permitir
   independencia para las personas mayores o con discapacidad XVI, definición que
   fue adoptada por los autores de la Unión Europea SOPRANO , Revisión del
   Estado del Arte y Análisis de Mercado Disponible, celebrado en mayo de 2007.

   Teniendo en cuenta la anterior definición, los fabricantes de equipos médicos
   pretenden crear una nueva generación de estos que puedan realizar medidas de
   variables médicas automáticamente sin la intervención del paciente. Esto es
   posible con la tecnología ZigBee, pues a diferencia de otras tecnologías como el
   Bluetooth o el Wi-Fi, ZigBee puede funcionar sin necesidad de estar sincronizado,
   lo que redunda en un consumo de energía muy eficiente aumentando la duración
   de las baterías.

   Los datos de los signos vitales del paciente podrán ser monitoreados en tiempo
   real si el paciente lo amerita o en intervalos que pueden ser programados por los
   médicos. Si en determinado momento los niveles de presión arterial, frecuencia
   cardiaca, temperatura, glucosa en sangre (medida por métodos ópticos no
   invasivos) o cualquier otra variable biológica susceptible de monitoreo, alcanza
   valores por encima o por debajo de los valores normales, el dispositivo enviará
   una alarma que puede ser llevada hasta el centro médico. Nuevamente la
   importancia de ZigBee radica no en trabajar aislada de otras tecnologías sino
   logrando su integración por diferentes medios de acceso para lograr una
   convergencia de redesXVII.

   Para este propósito es necesario implementar interfases adecuadas o gateways
   que permitan la comunicación con otras redes. Es sabido que la propagación de la
   tecnología ZigBee es afectada por diferentes factores aún a pesar de su
   inmunidad al ruido y a otras frecuencias interferentes que están en el mismo
   rango, lo que afecta su cubrimiento en algunos espacios.




                                                                                        28
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)              Teoría de la Información y Código

   En la figura 23 se puede apreciar algunos de los equipos que en este momento se
   encuentran en desarrollo. Muchos de ellos están ya en su fase final de
   experimentación como se menciona en el proyecto Code Blue de la Universidad
   de Harvard, donde se integran varias tecnologías entre ellas ZigBee, para ofrecer
   una arquitectura común que pueda ser utilizada para el cuidado de la salud en
   situaciones de emergencia.




    Figura 23: Dispositivos para el monitoreo de la enfermedades crónicas. Imagen
                              tomada de www.zigbee.org

                                  5.3.- DOMÓTICA

   Su tamaño, economía y velocidad de despliegue, lo hacen una tecnología ideal
   para domotizar el hogar a un precio asequible.




         Figura 24: Posibilidades de domótica ZigBee. Imagen tomada desde
                                   www.zigbee.org




                                                                                       29
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)              Teoría de la Información y Código

                        5.4.- ENTORNOS AMBIENTALES

    Entornos ambientales tales como bosques u océanos que se requiere tener un
   control de diversos parámetros tales como temperatura, humedad entre otras. De
   esta manera también se puede detectar y prevenir condiciones climáticas
   adversas.




                  Figura 25: Red de Sensores en la Oceanografía.

   Los sensores se emplean para el medio ambiente en el caso de incendios
   forestales, detección de inundaciones y exploración de animales en su hábitat
   natural.

   En el caso de monitoreo del medio ambiente se tiene un experimento de la
   conservación de la fauna mediante el sensado de intrusos (humanos, animales u
   otros depredadores) automatizado en la isla de Great Duck, en las costas del
   estado de Maine en el noreste de los Estados Unidos.




                          Figura 26: Vista aérea de la Isla.


                                                                                      30
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)                                  Teoría de la Información y Código

   Un equipo de ingenieros de la Universidad de California (Berkely), monitorean el
   comportamiento de las aves en sus nidos durante ciertas temporadas. Esto
   mediante nodos inalámbricos que reportan la información obtenida de estas aves
   denominadas petrels3.

   Con esto, es posible que un grupo de biólogos del Colegio Atlántico, observen la
   actividad de los petrels en dicha isla desde el confort de sus oficinas mediante el
   enlace satelital que permite la comunicación de los nodos con la base en
   California y de vuelta al estado de Maine. Los parámetros de estudio fueron la
   cantidad de luz que penetra en los nidos, la temperatura a la que se encuentran
   con o sin la presencia de las aves, y la humedad.

   En la figura 27 se observan las posiciones donde los sensores son desplegados.




                                 Figura 27: Distribución de los sensores

   En el caso del monitoreo de los glaciares para entender el cambio climático que
   involucra un cambio del nivel del mar debido al calentamiento global, es
   importante entender como los glaciares contribuyen en la liberación de agua
   fresca al mar. Esto puede causar altos crecimientos del nivel del mar y grandes
   cambios en la temperatura y por lo tanto en las mareas marinas. El
   comportamiento de un glaciar y sobre todo de su movimiento puede llevarnos a
   predecir cambios futuros en su comportamiento.

   Durante el verano de 2004 fue estudiado el comportamiento del glaciar
   Briksdalsbreen en Noruega por medio de redes de sensores inalámbricas. El
   objetivo fue entender la dinámica del glacial con respecto al cambio climático.


   3
     Los proceláridos (Procellariidae) son una familia de aves marinas pelágicas del orden de las Procellariiformes que
   agrupa a los petreles (o patines),pardelas, fardelas, abantos marinos, fulmares y patos petreles. Forman un grupo de
   aves propias de los mares fríos, estrechamente emparentadas con los albatros, paíños y potoyuncos. La distribución
   natural de los petreles, y sobre todo del petrel gigante antártico (Macronectes giganteus), es bien extensa,
   comprendiendo todos los mares del hemisferio sur, desde las costas de la Antártida hasta el trópico de Capricornio.



                                                                                                                          31
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)              Teoría de la Información y Código

   Finalmente, podemos observar en la figura 27, el esquema correspondiente a la
   monitorización de las condiciones en una selva tropical.




                    Figura 27: Monitorización en la selva tropical.



   A modo de resumen, se presenta la siguiente imagen que resume las
   posibilidades actuales de ZigBee.




                                                                                      32
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)              Teoría de la Información y Código

   La figura 28 nos muestra las posibilidades de desarrollar aplicaciones bajo
   distintas redes y tecnologías disponibles.




      Figura 28: Comparación de estándares inalámbricos disponibles para WSN



   Según el gráfico anterior, observamos que ZigBee ofrece enormes prestaciones a
   corto alcance; sin embargo, se espera que muy pronto se logren combinar
   fácilmente las distintas redes inalámbricas, logrando que la distancia no sea una
   limitación.

   Las aplicaciones actuales y las que están en desarrollo hacen pensar que el uso
   de esta tecnología se incrementará de manera exponencial en los próximos años
   por su alta versatilidad.




                                                                                       33
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)                Teoría de la Información y Código

             6.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS WSN

   Dentro de las ventajas que encontramos en las WSN, podemos mencionar las
   siguientes

   - Tiempo de vida

   - Cobertura

   - Costos y facilidad de instalación

   - Tiempo de Respuesta

   - Bajo consumo de potencia

   - Precisión y frecuencia de las mediciones

   - Seguridad (aún es un campo en desarrollo, sin embargo han logrado introducirse
   algoritmos criptográficos que proveen de seguridad y eficiencia a la red).

   Algunas restricciones las encontramos en:

   - Energía, capacidad de cómputo, memoria

   - Redes desatendidas (sin intervención humana), con alta probabilidad de fallo, lo
   cual se desea aminorar con el monitoreo de estas.


                         7.- TENDENCIA DE LAS WSN

   Las características de flexibilidad, movilidad, alta fidelidad en sensorización, bajo
   coste y rápido despliegue de las WSN crean muchas nuevas áreas de aplicación
   interesantes para la sensorización remota. En el futuro, este amplio rango de
   áreas de aplicación hará de las redes de sensores una parte integral de nuestras
   vidas.

   Sin embargo, la realización de las redes de sensores debe satisfacer las
   restricciones introducidas por factores como la tolerancia a fallos, escalabilidad,
   coste, hardware, cambios en la topología, entorno y consumo energético. Puesto
   que estas restricciones son muy exigentes y específicas de las redes de sensores,
   se requieren nuevas técnicas para este tipo de redes. En la actualidad hay
   muchos investigadores involucrados en el desarrollo de tecnologías necesarias
   para las diferentes capas de la pila de protocolo de las redes de sensores.
   Además de estos proyectos, se requiere más trabajo en los problemas descritos y
   más desarrollos para solucionar los temas de investigación abiertos que hemos
   estado viendo en este capítulo.

   Debemos tener en cuenta que estamos tratando con una tecnología bastante
   reciente en la que hay muchos diseños pero pocos “funcionan”, no existe lo que se
   llama una killer application que cree una nueva forma de mercado (como fue la
   tecnología móvil) y que el 99% de las redes son cableadas.


                                                                                           34
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)                Teoría de la Información y Código

   Si resumiéramos los factores que están actualmente impidiendo el desarrollo
   deberíamos resaltar:

   • No existen tendencias claras de SO o plataformas hardware.

   • Falta de estándares o protocolos comunes.

   • Limitación de recursos: energía, capacidad de CPU, memoria.

   • David Culler: “The lack of an overall sensor network architecture” (La falta de una
   arquitectura general para redes de sensores).

   Sin embargo, hay mucho trabajo por hacer en todos estos aspectos. Tanto a nivel
   físico, como de computación: sistemas operativos, algoritmos distribuidos, etc.
   como de comunicación: protocolos de enrutamiento, mantenimiento de la
   topología, descubrimiento de vecinos, etc.

   Cada vez van saliendo nuevas soluciones que permiten mejorar cada uno de
   estos apartados. Por ejemplo, una posible solución distribuida sería la creación de

   Middleware, que establezca una interoperabilidad entre los sistemas operativos y
   una aplicación, de tal forma que proporcione interfaces de alto nivel para
   enmascarar la complejidad de las redes y protocolos o que permita a los
   desarrolladores centrarse en cuestiones específicas de la aplicación.

   En un futuro no muy lejano veremos cómo las redes de sensores empezarán a
   verse en todo tipo de aplicaciones como las que hemos visto en este capítulo y en
   muchas más que irán surgiendo. Problemas como las limitaciones de memoria o
   procesador irán desapareciendo con las nuevas nanotecnologías y MEMs, lo que
   permitirá bajar mucho más el consumo de potencia, alargar la vida de los nodos y
   quizá cambiar la perspectiva de estas redes hacia nuevos campos de actuación.




                   Figura: Características deseables en WSN
                                                                                           35
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)              Teoría de la Información y Código

                              8.- CONCLUSIONES

   Tras haber estudiado a fondo las redes de sensores inalámbricos observamos que
   son una mejora bastante evidente frente a las tradicionales redes wireless, debido
   a varios factores como son: la durabilidad del tiempo de vida de las baterías, lo
   cual permite una mayor portabilidad de los nodos sensores y que estos puedan
   registrar mayores sucesos al poder permanecer más tiempo en ciertos lugares, los
   protocolos de encaminamiento de las redes de sensores permiten que aparte de
   ganar en cuanto a durabilidad también se gane en eficiencia a la hora de evitar
   colisiones entre paquetes, lo que asegura también un menor número de tráfico
   innecesario en la red, y en cuanto al precio cada vez más se está equiparando el
   desembolso para la construcción de una red wireless frente a una red de sensores
   inalámbricos, por lo que es una competencia directa.

   Debido a las excelentes características de este tipo de redes, en la actualidad se
   están utilizando las redes de sensores en infinidad de proyectos relacionados con
   distintos campos como pueden ser: medio ambiente, salud, el ámbito militar,
   construcción y estructuras, automoción, demótica, agricultura, etc.

   Gracias a la utilización de esta tecnología en los diversos campos se está
   alcanzando un mayor nivel de control y monitorización lo cual lleva a una mejora
   del manejo del medio en que se están utilizando y de respuesta frente a
   inconvenientes o simplemente para el perfeccionamiento del mismo. El incremento
   de estos nodos en nuestro día a día conlleva un mayor interés por conseguir un
   mejor rendimiento y funcionamiento.

   La enorme investigación que hay hoy en día sobre las rede de sensores
   inalámbricos han promovido que se investiguen y desarrollen muchos protocolos
   de enrutamiento en función de la utilidad que va a tener esa red de sensores, es
   decir de la aplicación directa en que va a ser utilizada, pues no es lo mismo una
   red de monitorización de un campo de uvas que una red de seguridad perimetral
   en un conflicto bélico. Estos protocolo no solo han beneficiado a las redes de
   sensores sino que gracias a ellos el desarrollo de estos protocolos han podido ser
   extrapolados hacia otras tecnologías como la wireless o la de cableado,
   permitiéndoles un mayor rendimiento.

   Este tipo de redes actualmente, está llevando una revolución tecnológica similar a
   la que tuvo la aparición de Internet, pues las aplicaciones parecen ser infinitas,
   además se habla de redes de vigilancia global del planeta capaces de registrar
   seguimiento de personas y mercancías concretas, monitorizar tráfico, y varias
   iniciativas y proyectos de investigación han despertado gran interés para ser
   aplicados en la práctica. Claro todo esto parecen ser grandes ventajas en un
   futuro, pero la mala utilización podría acabar con la privacidad de mucha gente
   porque se están llegando a miniaturizar tanto los nodos que pueden ser tan
   pequeños como para estar en cualquier lugar sin ser detectados y funcionando sin
   ningún tipo de problemas, por eso esperemos que el desarrollo sobre estas redes
   sirva solo para la mejora de nuestras vidas.



                                                                                        36
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)               Teoría de la Información y Código

                               9.- REFERENCIAS

   i
    I.F. Akyildiz, W. Su*, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci. “A Survey on Sensor
   Networks”. IEEE Communications Magazine, pp. 102-114, Agosto 2002.
   ii
     Esteban Egea L., Alejandro Martínez S., Javier V., Javier Díaz J. “Una
   introducción a las Redes de Sensores Inalámbricos”. Escuela Técnica Superior de
   Ingeniería de Telecomunicación. Universidad Politécnica de Cartagena.

     Sebastian Maroto C. “Desarrollo de aplicaciones basadas en WSN”. PFC
   iii

   Escuela técnica superior de Ingeniería Informática, Valencia, pp.10-11, Septiembre
   2010.

    José Antonio Moñino M. “Aplicación del Modelado Específico de Dominio a las
   iv


   Redes de Sensores Inalámbricos”. Escuela Técnica Superior de Ingeniería de
   Telecomunicación Universidad Politécnica de Cartagena, pp. 31, Diciembre 2001.
   v
     Dr.-Ing. Héctor Kaschel C. “Vision actual y futura de las redes de sensores
   inalámbricos y sus aplicaciones”. Segundo Congreso Nuevas Tecnologías en
   Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Rama Estudiantil IEEE PUCV Universidad
   Católica de Valparaíso,13 –14 octubre 2009.
   vi
      Esteban Egea L., Alejandro Martínez S., Javier V., Javier Díaz J. “Una
   introducción a las Redes de Sensores Inalámbricos”. Escuela Técnica Superior de
   Ingeniería de Telecomunicación. Universidad Politécnica de Cartagena.
   Vii
     Lorincz, K.; Malan, D.J., Fulford-Jones, T.R.F.; Nawoj, A.; Clavel, A.; Shnayder,
   V.; Mainland, G.; Welsh, M.; Moulton, S. “Sensor Networks, for Emergences
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   December 2004,pp 16-23 Harvard Univ.,MA, USA.

     Delphine Christin, Parag S. Mogre, Matthias Hollick. “Survey on Wireless Sensor
   Viii

   Network Technologies for Industrial Automation: The Security and Quality of
   Service Perspectives”. Magazine Future Internet volumen 2 Germany 2010, pp 96-
   125.

    Jun Han, Abhishek Shah, Mark Luk, Adrian Perrig. “Don’t Sweat Your Privacy.
   IX

   Using Humidity to Detect Human Presence” Junio 2007.
   X
    Gao, Tia, Pesto Christopher, Selavo Leo, Chen Yin, Ko JeongGil, Lim JongHyun,
   Terzis Andreas, Watt Andrew, Jeng James, Chen Bor-rong, Lorincz Konrad, and
   Welsh Matt. “Wireless Medical Networks in Emergency Response: Implementation
   and Pilot Results”, IEEE International Conference on Technologies for Homeland
   Security, May 2008.
   XI
     D. J. Malan, M. Welsh, M. D. Smith. A Publickey Infrastructure for Key
   Distribution in TinyOS based on Elliptic Curve Cryptography In Proceedings of 1st
   IEEE Communications Society Conference on Sensor and Ad Hoc
   Communications and Networks (SECON 2004), Santa Clara (USA), October 2004.


                                                                                         37
Redes de Sensores inalámbricos (WSN)              Teoría de la Información y Código


     IEEE Standards 802, Part 15.4: “Wireless Medium Access Control (MAC) and
   XII

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      Delphine Christin, Parag S. Mogre, Matthias Hollick. “Survey on Wireless
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   Sensor Network Technologies for Industrial Automation: The Security and Quality
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     Mareca Hatler, Darryl Gurganious, and Charlie Chi Ph.D, “IndustrialWireless
   XIV

   Sensor Networks”, editorial ONWORLD, March 2010.
   XV
          Página    web    National     instrument,     enlace     disponible    en:
   -http://www.ni.com/wsn/whatis/esa/ .
   XVI
      ZigBee Alliance. “ZigBee Wireless Sensor Applications for Health, Wellness and
   Fitness”, March 2009.

    IEEE 802.15.4
   http://ieee802.org/15/pub/TG4.html
   http://santards.iee.org/getieee802/download/802.15.4-2006.pdf




                                                                                       38

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  • 1. Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica Estado del Arte “Redes de sensores Inalámbricos y sus aplicaciones” (WSN “Wirless Sensor Network”)  Curso: Teoría de la Información y Códigos  Alumno: Francisco Valenzuela Riquelme  Profesor: Héctor Kaschel Cárcamo Santiago, Octubre de 2012
  • 2. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código CONTENIDO 1.- Introducción........................................................................................................ 2 2.- ¿Qué son las redes de sensores inalámbricos (WSN)? ..................................... 3 2.1.- Caracterísiticas de las WSN ........................................................................ 3 2.2.- Orígenes de las WSN .................................................................................. 5 2.3.- Hitos importantes en las WSN ..................................................................... 6 2.3.- Desafíos de las redes sensoras .................................................................. 7 3.- Elementos de las WSN ...................................................................................... 8 3.1.- Nodos sensores ........................................................................................... 9 3.1.1.- Arquitectura de Hardware de un nodo sensor ....................................... 9 3.1.2 Arquitectura de red de un nodo sensor ................................................. 13 3.1.3.- Modelo Jerárquico de una WSN ......................................................... 14 3.1.4.- Sistemas operativos para motas ......................................................... 14 3.1.5.- Lenguajes de programación ................................................................ 18 4.- Arquitectura protocolar de una WSN ................................................................ 19 4.1.- Protocolos WSN ........................................................................................ 19 4.2.- Criterios para seleccionar un protocolo MAC ............................................ 19 4.3.- Tipos de tecnologías y estándar IEEE ....................................................... 20 4.4.- Seguridad y encriptación en las WSN ...................................................... 24 5.- Aplicaciones de las WSN ................................................................................. 25 5.1.- Aplicaciones Industriales ........................................................................... 26 5.2.- Aplicaciones Médicas ................................................................................ 28 5.3.- Domótica ................................................................................................... 29 5.4.- Entornos ambientales ................................................................................ 30 6.- Ventajas y Desventajas de las WSN ................................................................ 34 7.- Tendencia de las WSN..................................................................................... 34 8.- Conclusiones.................................................................................................... 36 9.- Referencias ...................................................................................................... 37 1
  • 3. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 1.- INTRODUCCIÓN Las tecnologías de redes inalámbricas han tenido un rápido desarrollo en los últimos años. Hemos pasado de los veteranos infrarrojo (Irda) para comunicaciones punto apunto a las WPAN de corto alcance y multipuntos como “Bluetooth” o las redes de rango de alcance medio multisaltos como “ZigBee”. Otras tecnologías inalámbricas que podemos nombrar son, la tecnología WIFI para redes locales (WLAN), la tecnología “WIMAX” para redes WMAN. También la telefonía celular de largo alcance (GPRS) o el desarrollo de las comunicaciones M2M con tecnología inalámbrica. El desarrollo más interesante es el de las redes de sensores inalámbricos (WSN), debido a sus múltiples aplicaciones, en distintos sectores (seguridad, media ambiente, industria, agricultura etc.). Los principales analistas tecnológicos, dentro de las tecnologías inalámbricas, valoran las redes inalámbricas de sensores (WSN) como una de las opciones de futuro más prometedora. Fabricantes como Microsoft, Intel, IBM, Motorola y Texas Instruments, por citar algunos, han lanzado líneas de investigación en esta tecnología. Las redes inalámbricas de sensores (Wireless Sensor Networks) también se encuadra dentro de la llamada Inteligencia Ambiental (“pervasive computing," "ambient intelligence” = computación ubicua 1 ). El concepto "inteligencia ambiental" es un terreno fronterizo entre los últimos avances en computación ubicua y los nuevos conceptos de interacción inteligente entre usuario y máquina. En el terreno práctico, la inteligencia ambiental consiste en la creación de una serie de objetos de uso cotidiano con cualidades interactivas "suaves" y no invasiva. El objetivo básico de la inteligencia ambiental es el dotar a objetos de capacidades de adquisición de información (tanto del entorno físico como del estado actual del objeto), procesamiento y comunicación, de tal forma que puedan comunicarse entre ellos y ofrecer nuevos servicios a sus usuarios. Por lo anterior, el objeto de este trabajo se enmarca en lo que corresponde al estado del arte de las redes sensoras inalámbricas, otorgando al lector una visión global de lo que es su estructura, protocolos, tecnología y aplicaciones disponibles hoy en día. 1 Computación ubicua (ubicomp) es entendida como la integración de la informática en el entorno de la persona, de forma que los ordenadores no se perciban como objetos diferenciados. Esta disciplina se conoce en inglés por otros términos como Pervasive computing, Calm technology, Things That Think y Everyware. Desde hace unos años también se denomina "Inteligencia ambiental" 2
  • 4. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 2.- ¿QUÉ SON LAS REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS (WSN)? Las redes de sensores pueden considerarse un campo específico dentro de la Computación Ubicua. Este paradigma consiste en una red que es autónoma, formada por pequeños nodos inteligentes, donde ellos mismos auto-organizan y gestionan la red (es decir, un tipo particular de red ad-hoc2) y colaboran y cooperan para medir un parámetro físico del entorno (temperatura, presión, humedad, datos químicos, etc.) y, a su vez para procesar la información y hacerla circular convenientemente por la red. Este modelo supone una visión particular de la computación ubicua que requiere el desarrollo de dispositivos y tecnologías específicas, las cuales deben suponer una integración en el entorno que monitorizan pero sin alterarlo. Supone un campo de estudio en sus primeros pasos, con muchos desafío y temas abiertos de investigación y con multitud de aplicaciones por explotar; así, por ejemplo, en un informe de Febrero de 2003 el prestigioso Massachusets Institute of Technology (MIT) lo cataloga como una de las diez tecnologías emergentes que cambiarán el futuro y la propia NASA está haciendo estudios porque considera que esta nueva disciplina puede ser adecuada para capturar parámetros físicos necesarios para la exploración de Marte. A continuación, se va a profundizar en los aspectos técnicos más relevantes que caracterizan este tipo de redes y cuáles son las principales líneas de investigación que no están resueltas.i 2.1.- CARACTERÍSITICAS DE LAS WSN Una WSN está compuesta de un número muy elevado de nodos que se encuentran distribuidos en el entorno donde se produce el fenómeno que se desea monitorizar. La posición de los nodos no tiene porqué estar predeterminada y se puede suponer que el despliegue es al azar. Además, se contempla que los nodos sean estáticos o con baja, media o alta movilidad, según la aplicación en concreto. Por lo tanto se requieren técnicas típicas de redes ad-hoc para el descubrimiento y conformación de la red. Sin embargo, las WSN no son exactamente redes ad-hoc por lo que dichas técnicas pueden ser un punto de partida pero es necesario avanzar un paso más, para dar respuesta a su problemática particular. Las diferencias con una red ad-hoc al uso son: 2 Una red ad hoc es una red inalámbrica descentralizada. La red es ad-hoc porque cada nodo está preparado para reenviar datos a los demás y la que los router llevan a cabo esa función. También difiere de las redes inalámbricas convencionales en las que un nodo especial, llamado punto de acceso, gestiona las comunicaciones con el resto de nodos. Las redes ad hoc antiguas fueron las PRNETs de los años 70, promovidas por la agencia DARPA del Departamento de Defensa de los Estados Unidos después del proyecto ALOHAnet. 3
  • 5. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código - El número de nodos en una WSN puede ser varias veces mayor (miles de nodos) y en un área dada, el número de nodos puede ser muy elevado (gran densidad). - Un nodo dispone de unos recursos limitados y es propenso a fallos. Únicamente logrando una cooperación y coordinación real de todos los nodos, se puede lograr que la red en conjunto funcione correctamente. - Un nodo sensor usa normalmente mecanismos de broadcast para comunicarse con su entorno mientras que la mayoría de las redes ad-hoc están basadas en comunicaciones punto a punto. - Un nodo sensor tiene limitada su capacidad de memoria, procesamiento y se alimentan con baterías. - Los nodos sensores no suelen tener un identificador global, como supone una dirección IP, por la sobrecarga computacional y de memoria que introducen y, por definición, el elevado número de nodos sensores que hay en la red. Figura1: Red de sensores inalámbrica ad-hoc En resumen, las WSN están formadas por un alto número de dispositivos, densamente distribuidos en un área, que forma una red ad-hoc multisalto, es decir, que deben ser capaces de encaminar la información desde un origen a un destino sin confiar en una infraestructura externa. Una característica única de estas redes es el tipo de información que genera y la forma en que lo hace. Normalmente se consideran dos casos: bien que la red informa de un suceso ocurrido, bien que el usuario interroga sobre un hecho. En este último caso, lo habitual en una WSN es que el interés del usuario no se centre en la respuesta concreta de un nodo en cuestión, sino sobre el estado de cierto parámetro en un área determinada (por ejemplo, la zona bajo estudio en la que la temperatura supera un cierto umbral). Como consecuencia de esta necesidad hay que introducir un nuevo concepto, la agregación de la información. Si todos los nodos que miden un parámetro por encima de cierto umbral deben responder al usuario, probablemente la red se saturará (tenemos miles de nodos con poca capacidad de procesado). Por tanto, es necesario desarrollar técnicas para procesar la información en tránsito. De esta manera, la información es procesada y agregada a medida que avanza por la red hacia el destino, con lo que se reduce la carga de la red.ii 4
  • 6. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 2.2.- ORÍGENES DE LAS WSN Las redes de sensores provienen de la utilización de sensores durante las guerras con la detección de los atacantes por mar. Es por esto que empezaron a utilizar el “SONAR” (del inglés SONAR, acrónimo de Sound Navigation And Ranging, navegación y alcance por sonido’) que es una técnica que usa la propagación del sonido bajo el agua (principalmente) para navegar, comunicarse o detectar otros buques. El sonar puede usarse como medio de localización acústica, funcionando de forma similar al radar, con la diferencia de que en lugar de emitir señales de radiofrecuencia se emplean impulsos sonoros. De hecho, la localización acústica se uso en aire antes que el radar, siendo aun de aplicación el SODAR (la exploración vertical aérea con sonar) para la investigación atmosférica. Figura 2: Utilización del sonar en los barcos El termino ≪sonar≫ se usa también para aludir al equipo empleado para generar y recibir el sonido. Las frecuencias usadas en los sistemas de sonar van desde las infra-sónicas a las ultrasónicas. Aunque algunos animales (como delfines y murciélagos) han usado probablemente el sonido para la detección de objetos durante millones de anos, el uso por parte de humanos fue registrado por vez primera por Leonardo Da Vinci en 1490. Se decía que se usaba un tubo metido en el agua para detectar barcos, poniendo un oído en su extremo.iii La primera de estas redes fue desarrollada por Estados Unidos durante la guerra fría y se trataba de una red de sensores acústicos desplegados en el fondo del mar cuya misión era desvelar la posición de los silenciosos submarinos soviéticos, el nombre de esta red era SOSUS (Sound Surveillance System). Paralelamente a ésta, también EE.UU. desplegó una red de radares aéreos a modo de sensores que han ido evolucionando hasta dar lugar a los famosos aviones AWACS, que no son más que sensores aéreos. SOSUS ha evolucionado hacia aplicaciones civiles 5
  • 7. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código como control sísmico y biológico, sin embargo AWACS sigue teniendo un papel activo en las campañas de guerra. A partir de 1980, la DARPA comienza un programa focalizado en sensores denominado DSN (Distributed Sensor Networks), gracias a él se crearon sistemas operativos (Accent) y lenguajes de programación (SPLICE) orientados de forma específica a las redes de sensores, esto ha dado lugar a nuevos sistemas militares como CEC (Cooperative Engadgement Capability) consistente en un grupo de radares que comparten toda su información obteniendo finalmente un mapa común con una mayor exactitud. Estas primeras redes de sensores tan sólo destacaban por sus fines militares, aún no satisfacían algunos requisitos de gran importancia en este tipo de redes tales como la autonomía y el tamaño. Entrados en la década de los 90, una vez más DARPA lanza un nuevo programa enfocado hacia redes de sensores llamado SensIt, su objetivo viene a mejorar aspectos relacionados con la velocidad de adaptación de los sensores en ambientes cambiantes y en cómo hacer que la información que recogen los sensores sea fiable. Ha sido a finales de los años 90 y principios de nuestro siglo cuando los sensores han empezado a coger una mayor relevancia en el ámbito civil, decreciendo en tamaño e incrementando su autonomía. Compañías como Crossbow han desarrollado nodos sensores del tamaño de una moneda con la tecnología necesaria para cumplir su cometido funcionando con baterías que les hacen tener una autonomía razonable y una independencia inédita. El futuro ya ha empezado a ser escrito por otra compañía llamada Dust Inc, compuesta por miembros del proyecto Smart Dust ubicado en Berkeley, que ha creado nodos de un tamaño inferior al de un guisante y que, debido a su minúsculo tamaño, podrán ser creadas múltiples nuevas aplicaciones.iv 2.3.- HITOS IMPORTANTES EN LAS WSN Años Eventos 1980’s Sensores distribuidos conectados mediante cables. 1993 Proyecto LWIN en la UCLA Proyecto DARPA (Defense Advanced Research Project Agency)-SensIT. UC 1999-2003 Berkeley, University Southern California, University Cornell 2001 Laboratorio de investigación de Intel se enfoca a las WSN. NSF (National Science Foundation) funda el Center for Embedded 2002 Networked Sensing. Emerge la industria de las WSN; comienza con compañías tales como 2001-2002 Sensoria, Crossbow,EmberCorp, SensiCast. Luego se instalan Intel, Bosch, Motorola, Genera lElectric, Samsung. 2003-2004 Norma IEEE802.15.4. ZigBee Alliance. Establecimiento del modelo TELOS (Universidad de California 2005-2006 Berkeley&Moteiv Corp) de sensor, que implementa totalmente el concepto de software empotrado. 6
  • 8. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 2.3.- DESAFÍOS DE LAS REDES SENSORAS Antecedentes importantes: En 2003 la Comunidad Industrial InalámbricaI WC y la Oficina para la Renovación y Uso Eficiente de la Energía, del Departamento de Energíade USA, emitieron un informe conjunto denominado “Industrial Wireless Technology forthe 21st century“ donde se indican los nuevos paradigmas industriales para este siglo:  Mejora continua en la calidad del producto.  Costos de capital minimizados.  Vida útil del equipamiento extendida.  Operaciones en líneas de producción del tipo ráfagas.  Menores costos de operación.  Disponibilidad de equipos en continuo crecimiento. En el informe citado se señala una serie de inconveniente que actualmente aquejan a las instalaciones de redes cableadas. Entre ellas se citan:  Altos costos de instalación.  Altos costos de mantenimiento.  Aumentos constantes de los costos.  Alta tasa de falla en conectores.  Dificultad para detectar los problemas en conectores. Por lo que proponen que se adopte como plataforma de comunicación a las redes inalámbricas porque inducen:  Bajos costos de instalación y mantenimiento.  Facilidad en el reemplazo y mejoramiento.  Tasa de fallas muy baja en las interfaces físicas.  Disponibilidad amplia y absoluta en sistemas micro-electrónico-mecánicos.  Encargo rápido (rápida implementación sobre un pedido de un nuevo dispositivo) CONSERVACIÓN DE ENERGÍA: Debido al tamaño reducido de los nodos el ahorro de consumo de energía es vital en este tipo de redes, ya que es casi imposible la recarga y se pretende lograr su máxima eficiencia. COMUNICACIONES DE BAJA CALIDAD: Se pretende aplicar sensores en ambientes cuyas condiciones climáticas son extremas, por lo que la calidad de la radio comunicación puede ser muy pobre, dificultando así la detección. OPERACIÓN EN AMBIENTES HOSTILES: Se deben establecer protocolos que sean fuertes ante posibles fallas de los sensores, debido a que los ámbitos de acción serán ambientes hostiles que requieren nodos físicos diseñados con mucho cuidado. PROCESAMIENTO OBLIGADO DE LOS RECURSOS: Los recursos disponibles son aún más críticos en este tipo de redes que en las redes ad-hoc, por lo que los protocolos a desarrollar deberían conseguir una Calidad del Servicio lo más alta posible. 7
  • 9. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 3.- ELEMENTOS DE LAS WSN Dos enfoque se han adoptados. El primero de integrar todos los componentes (sensores, radiotransmisores y microcontroladores) en una sola placa iniciado por Moteiv Corporation (ahora Sentilla). Tienen un menor costo de producción y resultan más robustos en entornos duros o adversos. La segunda aproximación comenzada por Crossbow Technology Inc. es la de desarrollar una placa con los transceptores que se puede conectar a la placa del microcontrolador. Esta aproximación es más flexible. Los nodos suelen estar formados por una placa de sensores o de adquisición de datos y un “mote o mota” (placa de procesador y transmisión/recepción de radio). Estos sensores se pueden comunicar con un gateway, que tiene capacidad de comunicación con otros ordenadores y otras redes (LAN, WLAN, WPAN...) e Internet. Individualmente, podemos identificar los distintos elementos que forman parte de una red, encontrando a: • SENSORES: Toman del medio la información y la convierten en señales eléctricas. • NODOS (Motas): Toman los datos del sensor y envían la información a la estación base. • GATEWAY: Elementos para la interconexión entre la red de sensores y una red de datos (TCP/IP) • ESTACIÓN BASE: Recolector de datos basado en un ordenador común o sistema embebido.v Figura 3: Elementos de las WSN 8
  • 10. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 3.1.- NODOS SENSORES Un nodo sensor 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 se compone de un transceptor (transmisor/receptor), proceador, uno o más sensores, memoria y batería. Los componentes brindan la opción de comunicación (enviar/recibir información), ejecutar tareas que requieren procesamiento mas allá de efectuar funciones de sensado. Figura 4: Estructura de un nodo sensor. Figura 5: Estructura interna de un sensor inalámbrico inteligente. 3.1.1.- ARQUITECTURA DE HARDWARE DE UN NODO SENSOR En general, un nodo genérico dispondrá de los siguientes bloques funcionales: - Unidad de proceso: Por su coste, se suelen emplear microcontroladores. Está encargado de gestionar todas las actividades del nodo entre las que destacan la captura de datos y su procesado, labores críticas de comunicación con otros nodos y la gestión eficiente de la energía disponible. 9
  • 11. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código - Memoria: Para realizar las funciones anteriormente mencionadas, la unidad de proceso se apoya en el módulo de memoria (almacenamiento de datos de los sensores, información relevante para las tareas de comunicaciones, etc.). - Módulo sensor: se trata de un sensor o un grupo de ellos, conectados con la unidad de proceso. Miden parámetros físicos de su entorno (temperatura, presión, intensidad lumínica, humedad, movimiento, etc.). - Módulo de comunicaciones inalámbricas o transceiver: Es la interfaz a través de la cual el nodo interacciona y se comunica con sus nodos vecinos. Debido a las restricciones son dispositivos de corto alcance (metros) y baja velocidad (varios Kbps). - Sistema de alimentación: Cada nodo debe estar equipado con su propia fuente de alimentación y es el recurso que limita la vida útil del nodo y una de las principales restricciones y requisitos de diseño. Normalmente son baterías autónomas aunque, también se contempla el uso de placas solares. La aplicación típica de una red de sensores sería aquella en la que existe un destino y multitud de fuentes de datos (todos los nodos podrían comportarse como fuentes). La información generada por los nodos debe viajar por la red hasta llegar al destino que se encargará de comunicarla al usuario final o hacer de puente con otra red. Esta configuración general supone el uso de una pila de protocolos completa: niveles de aplicación, transporte, red, acceso al medio y físico. En función de la aplicación es posible que alguno de los niveles superiores (aplicación, transporte) no sea necesario o sea muy simple. La diferencia con una pila normal estará en la relación entre capas. Mientras que en redes comunes se busca la independencia entre capas, en una WSN no se puede aplicar este modelo ya que las restricciones son muy elevadas. Al contrario, el objetivo es que se utilice la información de otras capas para optimizar los recursos. Por ejemplo, el consumo energético es muy importante y los protocolos se diseñan de manera que consuman la mínima energía posible para lo que se tiene en cuenta parámetros del nivel físico. Por tanto, se añade un plano adicional como mínimo, que es el de gestión de potencia.vi Las principales casas que disponen de tecnologías para redes de sensores inalámbricos son las siguientes:  Crosssbow: Ha estado a la vanguardia de la tecnología de sensores inteligentes durante más de una década desarrollando plataformas de software y hardware que dan soluciones en redes. Entre sus productos de módulos inalámbricos podemos encontrar las plataformas Mica, Mica2, Micaz, Mica2dot, telos, telosb, Iris e Imote2. 10
  • 12. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código  Sentilla: También llamada anteriormente MoteIV. Es la encargada de los motes Tmote Sky y Tmote Invent. Algunas Motas comerciales: Figura 6: Dispositivo Tmote Figura 7: Dispositivo Telos Figura 8: Dispositivo Mica Figura 9: Dispositivo Arduino Duemilanove 11
  • 13. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código TABLA COMPARATIVA DE MOTAS COMERCIALES 12
  • 14. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 3.1.2 ARQUITECTURA DE RED DE UN NODO SENSOR La estrategia tradicional de utilizar aplicaciones compactas causa gran cantidad de problemas de integración en sistemas software complejos como pueden ser los sistemas de gestión de una empresa o los sistemas de información integrados consistentes en más de una aplicación. Estas aplicaciones suelen encontrarse con importantes problemas de escalabilidad, disponibilidad, seguridad, integración... Para solventar estos problemas se ha generalizado la división de las aplicaciones en capas que normalmente serán tres: una capa que servirá para guardar los datos (base de datos), una capa para centralizar la lógica de negocio (modelo) y por último una interfaz gráfica que facilite al usuario el uso del sistema. Un cluster está formado por nodos de cómputo y una red de comunicación. Un nodo del cluster puede ser un ordenador convencional con su propia memoria, sistema de I/O y su propio sistema operativo. Los nodos pueden estar incluidos en una sola cabina (rack) o físicamente separados y conectados por una LAN. Figura 10: Arquitecturas de red para nodos sensores 13
  • 15. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 3.1.3.- MODELO JERÁRQUICO DE UNA WSN En la práctica, podemos encontrar que existen redes de sensores controladas a través de dispositivos móviles como se muestra en la figura 11. Figura 11: Ejemplo de un modelo Jerárquico de 3 niveles. 3.1.4.- SISTEMAS OPERATIVOS PARA MOTAS Numerosos y variados son los sistemas operativos existentes hoy para sistemas embebidos, mas no todos satisfacen las restricciones que imponen las Redes de Sensores Inalámbricas, motivo por el cual muchos de ellos quedan descartados inmediatamente. De esta forma nuestro extenso espacio de decisión se reduce a unos pocos elementos. A continuación se presentaran tres de los principales Sistemas Operativos para redes de sensores, que cumplen con los requisitos. Los tres sistemas presentan capas de abstracciones para independizar al programador de los niveles inferiores (hardware). Mediante Drivers se comunican aplicación y hardware, al igual que los sistemas operativos para arquitecturas x86. El estudio se basara en como manejan las tareas y eventos que ocurren en cada nodo. 14
  • 16. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código Figura 12: Diagrama de topología cluster-tree de una red ad-hoc. -PalOs: Es un sistema operativo desarrollado por la UCLA (Universidad de California). El modelo de ejecución se basa en que cada tarea mantiene una propia cola de eventos. La tarea puede interactuar con una entrada o salida física. En la fase de inicialización del programa, cada tarea registra una tarea de eventos en la programación del sistema. Si la tarea 1 desea hablar con la tarea 2, postea un evento en la cola de eventos de la tarea 2, usando una funcionalidad del Scheduler (organizador o programador) del sistema, para que luego la tarea 2 capture ese evento al preguntar al Scheduler si tiene algún evento para él. Para un correcto funcionamiento de esta estructura de software, es necesario que un“timer” maneje la periodicidad con que una tarea registra eventos. La forma en que se implementa es a través de una tarea “timer”. Esta posee tres colas: 1. “Cola Nexo”, encargada de interactuar con las demás tareas (recibe el envío de otras tareas). 2. “Cola Delta”, en la cual se ordenan los distintos eventos dependiendo del tiempo de expiración 3. “Eventos Expirados”, donde se van colocando para su posterior ejecución. -SOS: Fue desarrollado en la Universidad de UCLA específicamente en el “Networked and Embedded Systems Lab (NESL)”. Implementa un sistema de mensajería que permite múltiples hebras entre la base del sistema operativo y las aplicaciones, las cuales pasan a ser módulos que pueden ser cargadas o descargadas en tiempo de ejecución sin interrumpir la base del sistema operativo. Además procura remediar algunos de las limitaciones propias de la naturaleza estática de muchos de los sistemas precursores a este (por ejemplo TinyOS). El principal objetivo de SOS es la reconfigurabilidad. Esta se define como la habilidad para modificar el software de nodos individuales de una red de sensores, 15
  • 17. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código una vez que estos han sido desplegados físicamente e inicializado su funcionamiento. En el caso de encontrar un problema, en caso de no contar con esta solución, habría sido necesario recolectar todos los nodos para poder modificar su software. La capacidad de dinámicamente de agregar o remover módulos, permite la construcción de software mucho más tolerante a fallos. Esto presenta dos grandes ventajas: uno es el hecho de poder realizar actualizaciones de forma fácil, el otro es la capacidad de anular el funcionamiento de algún modulo defectuoso, de algún nodo que pertenece a la red. Además de las técnicas tradicionales usadas en el diseño de sistemas embebidos, las características del kernel de SOS son: • Módulos cargados dinámicamente. • Programación flexible de prioridades. • Subsistema para manejo de memoria dinámica. Las capas de abstracción de hardware y drivers son de la misma forma que para el sistema PalOS. -TinyOS: Fue desarrollado por la Universidad de Berkeley (California). TinyOS puede ser visto como un conjunto de programas avanzados, el cual cuenta con un amplio uso por parte de comunidades de desarrollo, dada sus características de ser un proyecto de código abierto (Open Source). Este “conjunto de programas” contiene numerosos algoritmos, que nos permitirán generar enrutamientos, así como también aplicaciones pre-construidas para sensores. Está escrito en base a NesC, un meta-lenguaje que se deriva de C, diseñado para 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. Además existen 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, es decir, las tareas no pueden dividirse para comenzar con otra y luego retomarlas, más si pueden ser interrumpidas periódicamente por acontecimientos de una prioridad más alta (eventos). Actualmente se utiliza una cola FIFO (primero en entrar, primero en salir) para el scheduler, no obstante un mecanismo alternativo podría ser agregado fácilmente. 16
  • 18. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código Podemos comprar los 3 sistemas operativos anteriormente descritos según la figura 13 que se muestra a continuación: Figura 13: Tabla comparativa de sistemas operativos para motas Otros sistemas operativos menos populares para motas son: -CONTIKI: Es un Sistema Operativo de libre distribución para usar en un limitado tipo de computadoras, desde los 8 bits a sistemas embebidos en microcontroladores, incluidas motas de redes inalámbricas. -CORMOS: Es un sistema operativo para comunicaciones de tiempo real aplicado específicamente para redes de sensores inalámbricas -ECOS (Embedded Configurable Operating System): Es un sistema operativo gratuito, en tiempo real, diseñado para aplicaciones y sistemas embebidos que sólo necesitan un proceso. Se pueden configurar muchas opciones y puede ser personalizado para cumplir cualquier requisito, ofreciendo la mejor ejecución en tiempo real y minimizando las necesidades de hardware. -MagnetOS: Sistema operativo distribuido para redes de sensores adhoc, cuyo objetivo es ejecutar aplicaciones de red que requieran bajo consumo de energía, adaptativas y fáciles de implementar. -EYESOS: Se define como un entorno para escritorio basado en Web, permite monitorizar y acceder a un sistema remoto mediante un sencillo buscador. 17
  • 19. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 3.1.5.- LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN La programación de sensores es complicada, entre otras dificultades está la limitada capacidad de cálculo y la cantidad de recursos. Y así como en los sistemas informáticos tradicionales encontramos entornos de programación prácticos y eficientes para depurar código y simular. Podemos encontrar lenguajes como:  nesC: Lenguaje que utilizamos para nuestras motas, y que está directamente relacionado con TinyOS.  Protothreads: Específicamente diseñado para la programación 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, complicado con nesc, este lenguaje hace su programación más fácil y eficiente. Luego es un buen sustituto de nesc para crear librerías 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).  DCL: Lenguaje de composición distribuído (Distributed Compositional Language).  galsC: diseñado para ser usado en TinyGALS, es un lenguaje programado mediante el modelo orientado a tarea, fácil de depurar, permite concurrencia y es compatible con los módulos nesc de TinyOS.  SQTL: (Sensor Query and Tasking Language): Como su nombre indica es una interesante herramienta para realizar consultas sobre redes de motas. 18
  • 20. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 4.- ARQUITECTURA PROTOCO LAR DE UNA WSN 4.1.- PROTOCOLOS WSN Los protocolos WSN comprenden las capas: Física Enlace de Datos Red Las aplicaciones de los usuarios se forman sobre la capa de red. Figura 14: Protocolos WSN 4.2.- CRITERIOS PARA SELECCIONAR UN PROTOCOLO MAC Escalabilidad: Las redes de sensores son por definición dinámicas, y el agregar nodos es totalmente normal. Por tanto, debe estar preparado para trabajar con diferentes números de nodos. Predecir los tiempos de retrasos: Los protocolos deben contener un mecanismo que evite tener que preocuparse del correcto funcionamiento en función de la disposición de los nodos, proximidad, calidad del canal, entre otros. Adaptabilidad a los cambios mencionados anteriormente. Eficientes a la hora de gestionar la energía, como principal desafío de las redes de sensores, la cantidad de energía utilizada en el envío, recepción de paquetes en las redes inalámbricas es esencial, ya que a menor energía utilizada mayor tiempo de vida para la red. Fiables, evitando los bloqueos, la pérdida de paquetes, la desaparición de nodos y respondiendo a interferencias o ataques externos a la red. 19
  • 21. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 4.3.- TIPOS DE TECNOLOGÍAS Y ESTÁNDAR IEEE Los estándares consisten en una recopilación de especificaciones que regulan la realización de procesos para garantizar la interoperabilidad de diversos productos. En el entorno de las comunicaciones inalámbricas podemos mencionar algunos como: • Bluetooth (IEEE802.15.1): permite comunicaciones radio de 720 kbps (1 Mbps de capacidad bruta) en radios de cobertura de entre 10 y 100 metros con un consumo de corriente de 40 mA. Los datos son sincronizados entre ordenadores, teléfonos móviles y otros periféricos tales como impresoras, PDAs, etc. • Wimax (IEEE802.16): permite trabajar a una tasa de transmisión de 70 Mbps en radios de cobertura de hasta 48 kilómetros a frecuencias de 2,5 y 3,5 Ghz. • Wifi (IEEE802.11): permite transmisiones de datos de entre 11 Mbps (IEEE802.11b) y 54 Mbps (IEEE802.11g) y opera en las bandas de radio de 2,4 - 2,5 Ghz. 8 Localización de nodos en una red inalámbrica de sensores. • IEEE802.15.4: permite transmisiones de datos de entre 20 a 250 kbps en radios de cobertura de entre 10 y 75 metros soporta bandas de radio de 2400-2483,5 MHz (utilizado en todo el mundo) empleando 16 canales. También es compatible en las bandas de 868-868,8 MHz (Europa) y 902-928 MHz (Norte América), hasta diez canales (2003) extendidos a treinta (2006). Este estándar define el nivel físico y el control de acceso al medio en redes inalámbricas de área personal (LR-WPAN) y es la base de la tecnología inalámbrica llamada Zigbee. Las principales características de este estándar son: • Flexibilidad en la red debido a la facilidad de integración en la red mostrada por sus dispositivos ya que cada nodo puede iniciar su participación en la red, y el intercambio de información se realiza sin demasiado esfuerzo de instalación. • Bajo coste, debido al uso de componentes de coste reducido. • Bajo consumo de energía: se trata de uno de los objetivos primordiales de este estándar ya que al tratarse del uso de dispositivos inalámbricos, deberemos utilizar baterías y conseguir un consumo mínimo para evitar de reponer las baterías de manera frecuente. Para ello utilizamos una potencia de transmisión y un radio de alcance limitados (10 y 75 metros) y además utilizando unos ciclos de trabajos bastante bajos del orden de un 0,5%. Por ejemplo, en caso de que utilicemos una batería de una capacidad de 750 mAh en un rango de 10 metros, con un consumo de 10 mA de corriente en estado activo, nuestra batería podría alcanzar una duración de dos años si el ciclo de trabajo es inferior a 0,5%. 20
  • 22. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código En la tabla que se muestra a continuación, se realiza una comparación de los distintos estándares disponible, en donde se muestran sus principales características de Hardware, cobertura y aplicaciones. A continuación se presenta un gráfico que examina las distintas tazas de transferencias v/s el costo, complejidad y consumo de energía. Figura 15: Caracterísiticas Normas IEEE 21
  • 23. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código Al analizar relación señal a ruido v/s la tasa de error, encontramos que la tecnología ZigBee es la más “robusta”, tal como puede apreciarse en la figura 16 que se muestra a continuación. Figura 16: Relación señal a ruido (SNR) v/s Tasa de Errores por Bit (BER) A continuación podemos observar una tabla comparativa de estándares según sus velocidades de transferencia, cobertura y costo para el año 2008. Figura 17: Costo de tecnologías para el año 2008 22
  • 24. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código Los distintos canales según los estándares dispuestos actualmente los podemos apreciar en la figura 18 que se muestra a continuación: Figura 18: Canales IEEE Se espera que los módulos ZigBee sean los transmisores inalámbricos más baratos jamás producidos de forma masiva, con un coste estimado alrededor de los 2 euros. Dispondrán de una antena integrada, control de frecuencia y una pequeña batería. ZigBee Alliance es una alianza, sin ánimo de lucro, de más de 100 empresas, la mayoría de ellas fabricantes de semiconductores, con el objetivo de auspiciar el desarrollo e implantación de una tecnología inalámbrica de bajo coste. La alianza de empresas está trabajando codo con codo con IEEE para asegurar una integración, completa y operativa. Los principales mercados de la ZigBee Alliance son la automatización de viviendas, edificios y la automatización industrial. Además de ser el estándar aceptado y utilizado por las WSN, ZigBee es un sistema ideal para redes domóticas, específicamente diseñado para reemplazar la proliferación de sensores y actuadores individuales. ZigBee fue creado para cubrir la necesidad del mercado de un sistema a bajo coste, un estándar para redes Wireless de pequeños paquetes de información, bajo consumo, seguro y fiable. 23
  • 25. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 4.4.- SEGURIDAD Y ENCRIPTACIÓN EN LAS WSN Las comunicaciones inalámbricas son inherentemente inseguras. Debe tenerse en cuenta que las transmisiones pueden ser interceptadas o modificadas por agentes maliciosos. Un atacante puede, por ejemplo, actuar como receptor, modificar los paquetes y reenviarlos con contenido incorrecto o modificado a su conveniencia. En el comienzo de esta tecnología, el principal objetivo era el ahorro de potencia. Es por esto que los protocolos creados y el software correspondiente se centraban en esta tarea más que en proporcionar una comunicación relativamente segura. La natural escasez de recursos que rodea a las redes de sensores inalámbricos establece aún mayores restricciones en cuanto a las tecnologías de seguridad que pueden ser implementadas. Por ejemplo, es casi imposible proveer a los nodos con un sistema de clave pública/clave privada debido a su pequeño poder computacional y a su limitada memoria disponible. La transmisión de un bit de datos equivale en gasto de potencia a la ejecución de entre 800 y 1000 instrucciones, por lo que redundancias introducidas por mecanismos de seguridad es inaceptable. Por lo tanto, no es factible implementar un sistema con un medio-alto grado de complejidad o que agregue demasiadas redundancias. El método que se utiliza excluyentemente es la encriptación por clave simétrica (por ser relativamente sencillo de implementar). Aún así, estos algoritmos deben ser implementados cuidadosamente. Actualmente existen dos protocolos que cumplen esta función: μTESLA y SNEP. El primero provee autenticación, mientras que el segundo provee confidencialidad, autenticación y frescura. La encriptación a nivel enlace y los mecanismos de autenticación mencionados, si bien proveen un nivel básico de seguridad contra intrusos de pequeño poder computacional, no son suficiente protección contra ataques de mayor escala. El diseño de protocolos seguros para redes de sensores inalámbricos es un área que todavía se encuentra en desarrollo. 24
  • 26. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 5.- APLICACIONES DE LAS WSN Como se mencionó anteriormente, la tecnología y norma más empleada a la hora de realizar comunicaciones inalámbricas es ZigBee, ZigBee Alliance ha conformado nueve grupos de trabajo para desarrollar esta tecnología. En este trabajo trataremos de sintetizar algunas aplicaciones de distintos campos que están actualmente en desarrollo y las futuras por desarrollar. El estándar ZigBee originalmente desarrollado para la domótica por ZigBee Alliance, fue actualizado y publicada una nueva versión (Release 17) en el año 2007 con el nombre de ZigBee PRO. La diferencia básica entre las dos versiones, consiste en la capacidad de ZigBee PRO de aceptar distintas topologías de red, mientras que ZigBee 1.0 no las soportaba. Las dos versiones comparten la misma capa física y capa MAC. Al iniciar operación un dispositivo ZigBee, este realiza un escaneo entre los 16 canales disponibles y establece la comunicación entre los dispositivos utilizando el mismo canal. Solo se tendrá en cuenta en esta explicación la frecuencia de 2.4 GHZ. Si una interferencia interrumpe el canal establecido entre los dispositivos ZigBee, estos vuelven nuevamente a escanear el espectro disponible para establecer comunicación por otro canal. Esta situación puede presentarse cuando los sensores coexisten al mismo tiempo con sistemas de Wi-Fi en sus cercanías. En la figura 19 puede observarse una típica topología de red, donde los routers y coordinadores son dispositivos de función completa (FFD, Full Function Device) y los sensores finales son dispositivos de función reducida (RFD, Reduced Function Device) ambos por sus siglas en inglés. Figura 19: Topología de red FFD y RFD ZigBeePro 25
  • 27. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 5.1.- APLICACIONES INDUSTRIALES Las tecnologías inalámbricas poseen grandes ventajas sobre las redes cableadas: la posibilidad de un despliegue rápido de los sensores sin tener que instalar grandes longitudes de cable. Fuera de los costos asociados por este concepto, están los problemas de acondicionamiento de señal en grandes distancias, donde es necesario utilizar acopladores y amplificadores para el acondicionamiento de señal. Por las anteriores razones ZigBee ha ganado un camino importante en la industria. La arquitectura típica de una red industrial de sensores con ZigBee, lo usa como el primer elemento de la red. La convergencia de servicios es la tendencia en las redes de hoy y los sensores inteligentes hacen que esta tarea sea más eficiente. Como se mencionó unas líneas atrás, los dispositivos ZigBee se pueden configurar de dos formas: como FFD ó como RFD. Los routers y coordinadores son dispositivos que necesariamente deben estar conectados en forma continua y necesitan enviar información en tiempo real. Los dispositivos finales o de función reducida RFD, solo se conectan en el momento que es necesario enviar la información de alguna señal, como por ejemplo en variables lentas como temperatura o nivel que son enviadas cada cierto intervalo de tiempo. Pero en el momento que es necesario enviar una información urgente el RFD debe salir del modo SLEEP y pasar al modo ON. De la misma forma los coordinadores y routers darán prioridad a esta señal de emergencia y la enviarán de inmediato a través de la red para que el sistema envíe de vuelta la acción correctora. En la figura 20 observamos la estructura de una red de sensores para una planta de producción. Los sensores ZigBee están ubicados como elemento primario de medida inteligente monitoreando los procesos más críticos: por ejemplo, los niveles de corriente de los motores, su temperatura de operación, etc. Estos se comunican directamente con el dispositivo coordinador o router quién se encarga de hacer llegar la información a un dispositivo Gateway por medio de una interface que convierte la información en un protocolo que viaje por la red cableada (por ejemplo IEEE 485 ó RS 232). El Gateway se comunica con una red Ethernet ya sea por cable de cobre o fibra óptica con el sistema de Gestión y Monitoreo de la planta, que a su vez se comunica por Internet a través de túneles virtuales seguros VPN, con otras plantas satélites de ser necesario. 26
  • 28. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código Figura 21: Esquema General de una red de sensores industrial Específicamente, la empresa National Instrument™ tiene desarrollado un completo sistema de control para motores y máquinas en ambientes industriales, el cual han denominado “Detección y Diagnóstico de Fallas por Medición y Análisis de Vibraciones”, el cual revisaremos a través de las siguientes imágenes que intentan mostrar las partes y estructura de una red de sensores en un ambiente industrial, además de incluir algunas motas y estación base comerciales. Figura 22: Control industrial usando WSN National Instrument ™ 27
  • 29. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 5.2.- APLICACIONES MÉDICAS Las aplicaciones médicas son uno de los campos donde más se espera el desarrollo esta tecnología. No solo en el campo del monitoreo sino en el cuidado y bienestar de las personas. Se plantea la integración y convergencia con otros tipos de redes que puede ser la Ethernet o las redes celulares de nueva generación como UMTS y LTE. ZigBee se define como una Tecnología de Asistencia (AT) en los campos de la salud y el bienestar. Una definición actualizada de AT fue formulada en 2001: Tecnología de Asistencia es cualquier producto o servicio diseñado para permitir independencia para las personas mayores o con discapacidad XVI, definición que fue adoptada por los autores de la Unión Europea SOPRANO , Revisión del Estado del Arte y Análisis de Mercado Disponible, celebrado en mayo de 2007. Teniendo en cuenta la anterior definición, los fabricantes de equipos médicos pretenden crear una nueva generación de estos que puedan realizar medidas de variables médicas automáticamente sin la intervención del paciente. Esto es posible con la tecnología ZigBee, pues a diferencia de otras tecnologías como el Bluetooth o el Wi-Fi, ZigBee puede funcionar sin necesidad de estar sincronizado, lo que redunda en un consumo de energía muy eficiente aumentando la duración de las baterías. Los datos de los signos vitales del paciente podrán ser monitoreados en tiempo real si el paciente lo amerita o en intervalos que pueden ser programados por los médicos. Si en determinado momento los niveles de presión arterial, frecuencia cardiaca, temperatura, glucosa en sangre (medida por métodos ópticos no invasivos) o cualquier otra variable biológica susceptible de monitoreo, alcanza valores por encima o por debajo de los valores normales, el dispositivo enviará una alarma que puede ser llevada hasta el centro médico. Nuevamente la importancia de ZigBee radica no en trabajar aislada de otras tecnologías sino logrando su integración por diferentes medios de acceso para lograr una convergencia de redesXVII. Para este propósito es necesario implementar interfases adecuadas o gateways que permitan la comunicación con otras redes. Es sabido que la propagación de la tecnología ZigBee es afectada por diferentes factores aún a pesar de su inmunidad al ruido y a otras frecuencias interferentes que están en el mismo rango, lo que afecta su cubrimiento en algunos espacios. 28
  • 30. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código En la figura 23 se puede apreciar algunos de los equipos que en este momento se encuentran en desarrollo. Muchos de ellos están ya en su fase final de experimentación como se menciona en el proyecto Code Blue de la Universidad de Harvard, donde se integran varias tecnologías entre ellas ZigBee, para ofrecer una arquitectura común que pueda ser utilizada para el cuidado de la salud en situaciones de emergencia. Figura 23: Dispositivos para el monitoreo de la enfermedades crónicas. Imagen tomada de www.zigbee.org 5.3.- DOMÓTICA Su tamaño, economía y velocidad de despliegue, lo hacen una tecnología ideal para domotizar el hogar a un precio asequible. Figura 24: Posibilidades de domótica ZigBee. Imagen tomada desde www.zigbee.org 29
  • 31. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 5.4.- ENTORNOS AMBIENTALES Entornos ambientales tales como bosques u océanos que se requiere tener un control de diversos parámetros tales como temperatura, humedad entre otras. De esta manera también se puede detectar y prevenir condiciones climáticas adversas. Figura 25: Red de Sensores en la Oceanografía. Los sensores se emplean para el medio ambiente en el caso de incendios forestales, detección de inundaciones y exploración de animales en su hábitat natural. En el caso de monitoreo del medio ambiente se tiene un experimento de la conservación de la fauna mediante el sensado de intrusos (humanos, animales u otros depredadores) automatizado en la isla de Great Duck, en las costas del estado de Maine en el noreste de los Estados Unidos. Figura 26: Vista aérea de la Isla. 30
  • 32. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código Un equipo de ingenieros de la Universidad de California (Berkely), monitorean el comportamiento de las aves en sus nidos durante ciertas temporadas. Esto mediante nodos inalámbricos que reportan la información obtenida de estas aves denominadas petrels3. Con esto, es posible que un grupo de biólogos del Colegio Atlántico, observen la actividad de los petrels en dicha isla desde el confort de sus oficinas mediante el enlace satelital que permite la comunicación de los nodos con la base en California y de vuelta al estado de Maine. Los parámetros de estudio fueron la cantidad de luz que penetra en los nidos, la temperatura a la que se encuentran con o sin la presencia de las aves, y la humedad. En la figura 27 se observan las posiciones donde los sensores son desplegados. Figura 27: Distribución de los sensores En el caso del monitoreo de los glaciares para entender el cambio climático que involucra un cambio del nivel del mar debido al calentamiento global, es importante entender como los glaciares contribuyen en la liberación de agua fresca al mar. Esto puede causar altos crecimientos del nivel del mar y grandes cambios en la temperatura y por lo tanto en las mareas marinas. El comportamiento de un glaciar y sobre todo de su movimiento puede llevarnos a predecir cambios futuros en su comportamiento. Durante el verano de 2004 fue estudiado el comportamiento del glaciar Briksdalsbreen en Noruega por medio de redes de sensores inalámbricas. El objetivo fue entender la dinámica del glacial con respecto al cambio climático. 3 Los proceláridos (Procellariidae) son una familia de aves marinas pelágicas del orden de las Procellariiformes que agrupa a los petreles (o patines),pardelas, fardelas, abantos marinos, fulmares y patos petreles. Forman un grupo de aves propias de los mares fríos, estrechamente emparentadas con los albatros, paíños y potoyuncos. La distribución natural de los petreles, y sobre todo del petrel gigante antártico (Macronectes giganteus), es bien extensa, comprendiendo todos los mares del hemisferio sur, desde las costas de la Antártida hasta el trópico de Capricornio. 31
  • 33. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código Finalmente, podemos observar en la figura 27, el esquema correspondiente a la monitorización de las condiciones en una selva tropical. Figura 27: Monitorización en la selva tropical. A modo de resumen, se presenta la siguiente imagen que resume las posibilidades actuales de ZigBee. 32
  • 34. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código La figura 28 nos muestra las posibilidades de desarrollar aplicaciones bajo distintas redes y tecnologías disponibles. Figura 28: Comparación de estándares inalámbricos disponibles para WSN Según el gráfico anterior, observamos que ZigBee ofrece enormes prestaciones a corto alcance; sin embargo, se espera que muy pronto se logren combinar fácilmente las distintas redes inalámbricas, logrando que la distancia no sea una limitación. Las aplicaciones actuales y las que están en desarrollo hacen pensar que el uso de esta tecnología se incrementará de manera exponencial en los próximos años por su alta versatilidad. 33
  • 35. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 6.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS WSN Dentro de las ventajas que encontramos en las WSN, podemos mencionar las siguientes - Tiempo de vida - Cobertura - Costos y facilidad de instalación - Tiempo de Respuesta - Bajo consumo de potencia - Precisión y frecuencia de las mediciones - Seguridad (aún es un campo en desarrollo, sin embargo han logrado introducirse algoritmos criptográficos que proveen de seguridad y eficiencia a la red). Algunas restricciones las encontramos en: - Energía, capacidad de cómputo, memoria - Redes desatendidas (sin intervención humana), con alta probabilidad de fallo, lo cual se desea aminorar con el monitoreo de estas. 7.- TENDENCIA DE LAS WSN Las características de flexibilidad, movilidad, alta fidelidad en sensorización, bajo coste y rápido despliegue de las WSN crean muchas nuevas áreas de aplicación interesantes para la sensorización remota. En el futuro, este amplio rango de áreas de aplicación hará de las redes de sensores una parte integral de nuestras vidas. Sin embargo, la realización de las redes de sensores debe satisfacer las restricciones introducidas por factores como la tolerancia a fallos, escalabilidad, coste, hardware, cambios en la topología, entorno y consumo energético. Puesto que estas restricciones son muy exigentes y específicas de las redes de sensores, se requieren nuevas técnicas para este tipo de redes. En la actualidad hay muchos investigadores involucrados en el desarrollo de tecnologías necesarias para las diferentes capas de la pila de protocolo de las redes de sensores. Además de estos proyectos, se requiere más trabajo en los problemas descritos y más desarrollos para solucionar los temas de investigación abiertos que hemos estado viendo en este capítulo. Debemos tener en cuenta que estamos tratando con una tecnología bastante reciente en la que hay muchos diseños pero pocos “funcionan”, no existe lo que se llama una killer application que cree una nueva forma de mercado (como fue la tecnología móvil) y que el 99% de las redes son cableadas. 34
  • 36. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código Si resumiéramos los factores que están actualmente impidiendo el desarrollo deberíamos resaltar: • No existen tendencias claras de SO o plataformas hardware. • Falta de estándares o protocolos comunes. • Limitación de recursos: energía, capacidad de CPU, memoria. • David Culler: “The lack of an overall sensor network architecture” (La falta de una arquitectura general para redes de sensores). Sin embargo, hay mucho trabajo por hacer en todos estos aspectos. Tanto a nivel físico, como de computación: sistemas operativos, algoritmos distribuidos, etc. como de comunicación: protocolos de enrutamiento, mantenimiento de la topología, descubrimiento de vecinos, etc. Cada vez van saliendo nuevas soluciones que permiten mejorar cada uno de estos apartados. Por ejemplo, una posible solución distribuida sería la creación de Middleware, que establezca una interoperabilidad entre los sistemas operativos y una aplicación, de tal forma que proporcione interfaces de alto nivel para enmascarar la complejidad de las redes y protocolos o que permita a los desarrolladores centrarse en cuestiones específicas de la aplicación. En un futuro no muy lejano veremos cómo las redes de sensores empezarán a verse en todo tipo de aplicaciones como las que hemos visto en este capítulo y en muchas más que irán surgiendo. Problemas como las limitaciones de memoria o procesador irán desapareciendo con las nuevas nanotecnologías y MEMs, lo que permitirá bajar mucho más el consumo de potencia, alargar la vida de los nodos y quizá cambiar la perspectiva de estas redes hacia nuevos campos de actuación. Figura: Características deseables en WSN 35
  • 37. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 8.- CONCLUSIONES Tras haber estudiado a fondo las redes de sensores inalámbricos observamos que son una mejora bastante evidente frente a las tradicionales redes wireless, debido a varios factores como son: la durabilidad del tiempo de vida de las baterías, lo cual permite una mayor portabilidad de los nodos sensores y que estos puedan registrar mayores sucesos al poder permanecer más tiempo en ciertos lugares, los protocolos de encaminamiento de las redes de sensores permiten que aparte de ganar en cuanto a durabilidad también se gane en eficiencia a la hora de evitar colisiones entre paquetes, lo que asegura también un menor número de tráfico innecesario en la red, y en cuanto al precio cada vez más se está equiparando el desembolso para la construcción de una red wireless frente a una red de sensores inalámbricos, por lo que es una competencia directa. Debido a las excelentes características de este tipo de redes, en la actualidad se están utilizando las redes de sensores en infinidad de proyectos relacionados con distintos campos como pueden ser: medio ambiente, salud, el ámbito militar, construcción y estructuras, automoción, demótica, agricultura, etc. Gracias a la utilización de esta tecnología en los diversos campos se está alcanzando un mayor nivel de control y monitorización lo cual lleva a una mejora del manejo del medio en que se están utilizando y de respuesta frente a inconvenientes o simplemente para el perfeccionamiento del mismo. El incremento de estos nodos en nuestro día a día conlleva un mayor interés por conseguir un mejor rendimiento y funcionamiento. La enorme investigación que hay hoy en día sobre las rede de sensores inalámbricos han promovido que se investiguen y desarrollen muchos protocolos de enrutamiento en función de la utilidad que va a tener esa red de sensores, es decir de la aplicación directa en que va a ser utilizada, pues no es lo mismo una red de monitorización de un campo de uvas que una red de seguridad perimetral en un conflicto bélico. Estos protocolo no solo han beneficiado a las redes de sensores sino que gracias a ellos el desarrollo de estos protocolos han podido ser extrapolados hacia otras tecnologías como la wireless o la de cableado, permitiéndoles un mayor rendimiento. Este tipo de redes actualmente, está llevando una revolución tecnológica similar a la que tuvo la aparición de Internet, pues las aplicaciones parecen ser infinitas, además se habla de redes de vigilancia global del planeta capaces de registrar seguimiento de personas y mercancías concretas, monitorizar tráfico, y varias iniciativas y proyectos de investigación han despertado gran interés para ser aplicados en la práctica. Claro todo esto parecen ser grandes ventajas en un futuro, pero la mala utilización podría acabar con la privacidad de mucha gente porque se están llegando a miniaturizar tanto los nodos que pueden ser tan pequeños como para estar en cualquier lugar sin ser detectados y funcionando sin ningún tipo de problemas, por eso esperemos que el desarrollo sobre estas redes sirva solo para la mejora de nuestras vidas. 36
  • 38. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código 9.- REFERENCIAS i I.F. Akyildiz, W. Su*, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci. “A Survey on Sensor Networks”. IEEE Communications Magazine, pp. 102-114, Agosto 2002. ii Esteban Egea L., Alejandro Martínez S., Javier V., Javier Díaz J. “Una introducción a las Redes de Sensores Inalámbricos”. Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación. Universidad Politécnica de Cartagena. Sebastian Maroto C. “Desarrollo de aplicaciones basadas en WSN”. PFC iii Escuela técnica superior de Ingeniería Informática, Valencia, pp.10-11, Septiembre 2010. José Antonio Moñino M. “Aplicación del Modelado Específico de Dominio a las iv Redes de Sensores Inalámbricos”. Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación Universidad Politécnica de Cartagena, pp. 31, Diciembre 2001. v Dr.-Ing. Héctor Kaschel C. “Vision actual y futura de las redes de sensores inalámbricos y sus aplicaciones”. Segundo Congreso Nuevas Tecnologías en Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Rama Estudiantil IEEE PUCV Universidad Católica de Valparaíso,13 –14 octubre 2009. vi Esteban Egea L., Alejandro Martínez S., Javier V., Javier Díaz J. “Una introducción a las Redes de Sensores Inalámbricos”. Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación. Universidad Politécnica de Cartagena. Vii Lorincz, K.; Malan, D.J., Fulford-Jones, T.R.F.; Nawoj, A.; Clavel, A.; Shnayder, V.; Mainland, G.; Welsh, M.; Moulton, S. “Sensor Networks, for Emergences Response: Challenges and Opportunities”, Pervasive Computing IEEE, volumen 3, December 2004,pp 16-23 Harvard Univ.,MA, USA. Delphine Christin, Parag S. Mogre, Matthias Hollick. “Survey on Wireless Sensor Viii Network Technologies for Industrial Automation: The Security and Quality of Service Perspectives”. Magazine Future Internet volumen 2 Germany 2010, pp 96- 125. Jun Han, Abhishek Shah, Mark Luk, Adrian Perrig. “Don’t Sweat Your Privacy. IX Using Humidity to Detect Human Presence” Junio 2007. X Gao, Tia, Pesto Christopher, Selavo Leo, Chen Yin, Ko JeongGil, Lim JongHyun, Terzis Andreas, Watt Andrew, Jeng James, Chen Bor-rong, Lorincz Konrad, and Welsh Matt. “Wireless Medical Networks in Emergency Response: Implementation and Pilot Results”, IEEE International Conference on Technologies for Homeland Security, May 2008. XI D. J. Malan, M. Welsh, M. D. Smith. A Publickey Infrastructure for Key Distribution in TinyOS based on Elliptic Curve Cryptography In Proceedings of 1st IEEE Communications Society Conference on Sensor and Ad Hoc Communications and Networks (SECON 2004), Santa Clara (USA), October 2004. 37
  • 39. Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código IEEE Standards 802, Part 15.4: “Wireless Medium Access Control (MAC) and XII Physical Layer (PHY) specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)”, IEEE, April 2003. Delphine Christin, Parag S. Mogre, Matthias Hollick. “Survey on Wireless XIII Sensor Network Technologies for Industrial Automation: The Security and Quality of Service Perspectives”. Magazine Future Internet volumen 2 Germany 2010, pp 96-125. Mareca Hatler, Darryl Gurganious, and Charlie Chi Ph.D, “IndustrialWireless XIV Sensor Networks”, editorial ONWORLD, March 2010. XV Página web National instrument, enlace disponible en: -http://www.ni.com/wsn/whatis/esa/ . XVI ZigBee Alliance. “ZigBee Wireless Sensor Applications for Health, Wellness and Fitness”, March 2009.  IEEE 802.15.4 http://ieee802.org/15/pub/TG4.html http://santards.iee.org/getieee802/download/802.15.4-2006.pdf 38