Redes WPAN - WSN

1. WPAN - WSN
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2. SUMARIO
❖Redes de sensores
 2.2.1 Arquitectura de redes de sensores
 2.2.2 El estándar Zegbee
 2.2.3 Diseño, despliegue, operación y optimización de redes
de sensores
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3. INTRODUCCIÓN
WSN
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4. Origen WSN - SONAR
❖WSN
 Provienen del uso de sensores para diferentes aplicaciones:
» En guerras para detectar a los atacantes por mar, aire.
» Medir distancias, altitudes, direcciones y velocidades de
objetos estaticos o móviles como aeronaves, barcos,
vehiculos motorizados, formaciones meteorologicas,
terrenos u otros
❖SONAR
 SONAR (Sound Navigation And Ranging) navegacion y alcance
por sonido
 Técnica que usa propagación del sonido bajo el agua
(principalmente) para navegar, comunicarse o detectar otros
buques.
 Se usa como localizador acústico, similar al radar
 Utiliza impulsos sonoros y no señales de RF.
 La localizacion acústica se uso en aire antes que el radar,
siendo la aplicación SODAR (exploración vertical aérea con
sonar) para la investigación atmosférica
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5. Radar
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❖RADAR (RAdio Detection And Ranging) detección y
medición de distancias por radio
❖Radar
 Sistema que usa ondas electromagneticas para medir:
» Distancias, altitudes, direcciones y velocidades de
objetos estaticos o móviles como aeronaves, barcos,
vehiculos motorizados, formaciones meteorologicas y el
propio terreno.
 Su funcionamiento se basa:
» Emite un impulso de radio, éste se refleja en el objetivo
y se recibe típicamente en la misma posición del emisor.
 A partir de este "eco" se extraé informacion.
 El uso de ondas electromagneticas permite detectar
objetos más alla del rango de otro tipo de emisiones (luz
visible, sonido, etc.)

6. Tecnología
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❖Tecnología
❖La disponibilidad de microsensores y comunicaciones
inalámbricas permite desarrollar redes de
sensores/actuadores para un amplio rango de
aplicaciones en diferentes áreas

7. Investigación
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❖Investigación sobre diferentes formas de obtener
información en diferentes ámbitos ha llevado a que
los sensores evolucionen hasta el momento con las
redes de sensores inalámbricas
❖Las WSN son capaces de obtener información
periódica en diferentes facetas sin tener que estar
una persona presente en el medio físico y exentas de
mantenimiento
❖Se crean redes de sensores con una gran cantidad
de nodos autónomos
❖Son capaces de autoconfigurarse
 Si uno de ellos deja de funcionar se elige un camino
alternativo pero de que se monitorea se monitorea po
rinternet.

8. WSN –Ad-hoc
❖Redes Inalámbricas de sensores Ad- hoc
 WSN AD-hoc (Wireless sensor Network Ad-hoc)
❖Ad-hoc
 Hace referencia a una red en la que no hay un nodo central,
sino que todos los dispositivos están en igualdad de
condiciones.
 Es el modo más sencillo para crear una red
» Tipo de red formada por un grupo de nodos móviles que
forman una red temporal sin la ayuda de ninguna
infraestructura externa.
❖Esto en la práctica requiere que los nodos se ayuden
mutuamente para conseguir un objetivo comun:
 Cualquier paquete llegue a su destino aunque el destinatario no
sea accesible directamente desde el origen.
❖El protocolo de encaminamiento es el responsable de
descubrir las rutas entre los nodos para hacer posible la
comunicación
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9. Red AD-hoc
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❖Redes de sensores (motas)
 Cada nodo de la red consta de un dispositivo con microcontrolador,
sensores y transmisor/receptor
 Una red se forma con muchos otros nodos, también llamados motas o
sensores.
❖Sensor
 Un sensor es capaz de procesar una limitada cantidad de
 datos.
 Cuando se coordina la información entre un importante número de
nodos, éstos tienen la habilidad de medir un medio físico dado con
gran detalle.

10. WSN - concepto nuevo
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❖WSN
 Son un concepto relativamente nuevo en adquisición y
tratamiento de datos con múltiples aplicaciones en distintos
campos
» Entornos industriales
» Domótica
» Entornos militares
» Detección ambiental, etc.
❖Características WSN
 Facilidad de despliegue
 Autoconfigurables
» Puede convertirse en emisor, receptor
 Ofrece servicios de encaminamiento entre nodos sin visión
directa
 Registra datos referentes a los sensores locales de cada nodo.

11. Energía WSN y técnicas Ad-hoc
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❖Otras características WSN
 Gestión eficiente de la energia
» Permite obtener una alta tasa de autonomía que las
hacen plenamente operativas.
❖Técnicas Ad-hoc
❖Las redes de sensores dependen fundamentalmente
de las técnicas ad-hoc en las redes wireless.
 Hay muchos protocolos y algoritmos diseñados para las
redes tradicionales wireless ad-hoc
 Estas no son convenientes para las características únicas
que tienen las redes de sensores.

12. Diferencias entre WSN y redes Ad-hoc
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❖Las diferencias entre redes de sensores y redes ad-
hoc:
 El número de nodos sensores en una red de sensores puede
estar varios ordenes de magnitud por encima de los nodos
en las redes ad-hoc.
 Los nodos sensores pueden ser densamente desplegados.
 Los nodos sensores son más propensos a los fallos.
 La topologia de la red de sensores cambia frecuentemente.
 Los nodos sensores utilizan principalmente la comunicación
por difusión mientras que la mayoría de las redes ad-hoc
están basadas en la comunicación punto a punto.
 Los nodos sensores están limitados en cuanto a potencia,
capacidad computacional y memoria.

13. Bajo consumo de energía
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❖Densidad de nodos sensores
❖Un gran número de nodos sensores pueden
desplegarse densamente
 Los nodos vecinos pueden estar muy cerca unos de otros.
 Se establece la comunicación multitop en redes de sensores
» Utiliza menor consumo de energía que las tradicionales
comunicaciones.
 Las transmisiones a bajos niveles de energía pueden
mantenerse así, lo cual es deseable en operaciones
secretas.
❖Redes de sensores Ad-hoc distribuidas
 Las redes de sensores ad-hoc consideradas altamente
distribuidas, están constituidas por:
» Nodos pequeños inalámbricos, de peso ligero que se
despliegan en un área especifica.

14. Redes de sensores Ad-hoc distribuidas
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❖Redes de sensores Ad-hoc distribuidas …
 Son redes sin infraestructura y flexibles
 Las estaciones ofrecen servicios de encaminamiento para
permitir la comunicación de estaciones que no tienen
conexión inalámbrica directa.
❖La principal característica de las redes móviles ad-
hoc es:
 Todos los dispositivos que forman parte de la red, además
de funcionar como terminales finales, realizan también
funciones de retransmisión de paquetes típicamente
asociadas a routers.
 Su función es proveer una infraestructura de comunicación
inalámbrica que puede servir para poder monitorear algo en
especifico (temperatura, presion, movimiento de objetos,
etc.).

15. MEMS
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❖Nodos sensores de la red
 Se han construido gracias a los avances en el área de
sistemas micro electromecánicos (MEMS).
❖MEMS
 Los MEMS son dispositivos miniatura fabricados con
capacidad de sensado, comunicación y procesamiento.
❖Cada nodos sensor se divide en tres subsistemas:
 El subsistema del sensor:
» Sensa o mide un parámetro del medio ambiente.
 El subsistema de procesado:
» Procesa la información recabada por el sensado.
 El subsistema de comunicación:
» Intercambia mensajes entre los nodos sensores vecinos

16. Robustez, confiabilidad y precisión
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❖Un nodo individual tiene :
 Una región de sensado
 Una potencia de procesamiento
 Una cantidad de energía limitada
❖Gran número de sensores se da un aumento
 En la robustez
 En la confiabilidad
 En la precisión
 En el área de cobertura de dicha red.
❖Esto se debe
 Muchos nodos sensores cooperan y colaboran entre si en una
región determinada
 La adquisición de la información es múltiple.
 Brinda más seguridad en el sensado y reafirma el buen
desempeño de la red.

17. Retos WSN
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❖Los retos que involucra una WSN son:
 El tipo de arquitectura
 La diseminación y recolección de la información
 Técnicas usadas por los nodos sensores para la localización
 Aumentar la eficiencia en el consumo de energía.
» Este es factor primario que limita la vida útil de la red.
❖Sensado o Medición de parámetros o variables
 El sensado de parámetros es periódica o esporádica.
❖Ejemplo de sensado periódico
 Medir la temperatura, humedad o radiación nuclear.
❖Ejemplo de sensado esporádico
 Entrada de un intruso, medir el estrés critico de
estructuras o maquinaria.

18. Áreas de las WSN
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❖Las áreas que hacen que las redes de sensores sean una
categoría distinta dentro de las redes inalambricas ad-
hoc son:
❖Movilidad de los nodos:
 La movilidad no es algo que se deba cumplir.
 El despliegue de nodos para monitorear las propiedades del
suelo no lo requiere.
❖Tamaño de la red:
 El número de sensores en la red puede ser mucho mas grande
que una típica red inalámbrica ad-hoc.
❖Densidad de la red:
 Esto varía de acuerdo al tipo de aplicación.
 En el ámbito militar, se requiere que la red siempre este
disponible y con alto grado de seguridad y redundancia de
informacion.
❖Limitacion de Energía:
 Se espera que WSN funcionen en ambientes agresivos con el
mínimo o nula supervisión humana posible.

19. Áreas de las WSN…
Energía y protocolos
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 Vida útil de una WSN
» El uso de WSN, donde la única fuente de alimentación
para el nodo sensor es la batería, limita la vida útil de la
red
 Protocolos orientados a control óptimo de energía
» LA vida útil de la red exige protocolos de red eficientes
a nivel capa de red, capa de enlace de datos y hasta
física para brindar un control óptimo de energía.
 Fuentes de alimentación para WSN
» Las fuentes de alimentación en redes de sensores son:
• Recargables
• No recargables
• Regenerativas (capacidad de regenerar energía a partir del parámetro
físico de estudio).

20. Áreas de las WSN…
Fusión información – Distribución de tráfico
❖Fusión de los datos e información:
 Las limitaciones del ancho de banda y la energía demandan
el aumento de bits y de información en los nodos
intermedios.
 Para la fusión de los datos, se necesita el aumento de
múltiples paquetes dentro de uno solo antes de su
transmisión.
 Se busca reducir el ancho de banda a utilizar mediante
encabezados redundantes en los paquetes y minimizando el
retardo al acceder al medio para transmitir los múltiples
 paquetes.
 La fusión de la información busca retransmitir la salida del
procesamiento del sensado a un nodo de monitoreo.
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21. Áreas de las WSN…
Distribución de tráfico
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❖Distribución del Tráfico:
 El patrón de tráfico varía en base al tipo de aplicación de la
red.
 Sensar un variable ambiental, genera de manera periódica
pequeños paquetes con datos que indica el estado del
parámetro de estudio a una estación central de monitoreo.
» Esto demanda un bajo ancho de banda.
 Si se trata de detectar a un intruso en el ámbito militar
» Se genera un tráfico de detección en eventos con
limitantes en la transmisión en tiempo real.
 A diferencia, las redes ad-hoc, generalmente en cuanto al
tráfico, utilizan digitalización y empaquetado de
comunicación de voz o de datos .

22. Áreas de las WSN…
Escalabilidad y Seguridad
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❖Escalabilidad:
 En algunos tipos de redes, el número de nodos puede crecer
hasta llegar a varios miles.
 Como no existe un access point concreto, la incorporación y
descarte de nodos es un proceso sencillo y transparente.
❖Seguridad:
 Las redes inalámbricas son vulnerables a ataques, y las
redes ad-hoc lo son especialmente.
 Se puede padecer
» Ataques activos como pasivos
» Del atacante una emulación de un nodo legítimo
» Captura de paquetes de datos y control
» Destrucción de tablas de encaminamiento, etc.
 Es por ello que se utilizan técnicas de encriptación como
AES.

23. Hardware
WSN
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24. Arquitectura Nodo Sensor
❖Mota o Nodo Sensor - Hardware
 Los nodos inalámbricos se llaman motas
» Motas (mote) por su ligereza y reducido tamaño.
 Son dispositivos electrónicos
» Captan información del entorno en el que se encuentran
» Procesan la información
» Transmiten inalámbricamente hacia otro destinatario.
❖Diseño de una mota
 Diseñar un mota no es miniaturizar un ordenador personal.
 Se debe tener en cuenta:
» Espacio reducido
» Consumo muy bajo de energía
» Coste de los dispositivos reducido.
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25. Lo que no hay que considerar en una mota
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❖Una mota no debe:
 Tener un potencial de ejecución de programas elevado
 Una transmisión de datos eficaz
 Una amplia longitud de emisión.
❖Partes de una Mota o nodo sensor
❖Un nodo sensor - mota
 Es un elemento computacional con capacidad de procesamiento,
memoria, interfaz de comunicación y puede formar conjuntos
de sensores.
❖El Hardware básico de un nodo sensor lo componen
 Un transceptor (transmisor/receptor)
 Procesador
 Uno o más sensores
 Memoria
 Batería.

26. Comunicación y Arquitectura de una mota
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❖Comunicación
 Los componentes de la mota brindan
» Opción de comunicación para enviar o recibir
información
» Ejecutar tareas que requieren procesamiento más allá
de efectuar funciones de sensado.

27. Capacidades de la mota
❖Capacidad de procesamiento depende
 Depende del tipo de microprocesador empleado y su
memoria interna
❖Comunicación
 Esta la realiza un transceptor (transmisor/receptor).
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28. Capacidades de la mota…
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❖Alimentación
 Se tiene una fuente de alimentación que varía dependiendo
el tipo de tecnología con la cual la batería este fabricada.
❖Sensado
 Lo realiza un sensor
 Con el se monitorea la variable o parámetro de interés e
informar del mismo.
 El hardware de sensores varía según sus características y
su evolución.
❖Motes
 Los motes o partículas, son pequeños dispositivos
inalámbricos basados en tecnología MEMS, que detectan
parámetros o factores físicos.

29. Hardware de sensores
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30. Módulos básicos del HW de un mota
❖Módulos básicos de una mota
 1 Módulo de procesamiento - CPU
 2 Módulo de suministro de energía
 3 Módulo de comunicación
 4 Módulo de Memoria
 5 Módulo de Sensores
❖1 MÓDULO DE PROCESAMIENTO
❖Este módulo realiza las funciones:
 Interpreta y procesa datos a transmitir a otra estación.
 Gestiona el almacenamiento de datos en la memoria
 Gestiona la comunicación
 Gestiona la adquisición de datos mediante sensores, etc…
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31. Productos a usar como procesadores
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❖Tipos a usar como procesadores
 Hay muchos tipos diferentes de productos en el mercado para
ser integrados en un nodo como unidad procesadora.
 FPGA:
» Ventaja: Se diseña una arquitectura custom
» Desventaja. El consumo es no es lo suficientemente bajo
para estas aplicaciones
» Esto no significa que en un futuro los FPGAs sean buena
opción si se reduce el consumo.
 Microprocesadores μP
» Hoy son obsoletos
» Han sido sustituidos por los microcontroladores
 Microcontroladores μC
» Procesador que incluye memoria, ADCs, UART, SPI,
temporizadores y contadores.
» Hay de 4 hasta 64 bits
» Varían en No. Timers, consumos de energia, etc.

32. Productos a usar como procesadores…
32
❖Familias ARM7 y Atmel AVR
❖El mercado de μC es amplio y los más usados por su
bajo consumo son:
 ARM7:
» Microprocesadores RISC
» Diseñados por Acorn Computers y desarrollados por
Advanced RISC Machines Ltd. http://www.arm.com/
 Atmel AVR:
» Microcontroladores RISC de Atmel.
» AVR es una arquitectura Harvard.
» Tiene 32 registros de 8 bits.
» Algunas instrucciones solo operan en un subconjunto de
estos registros. http://www.atmel.com/products/avr/

33. Productos a usar como procesadores…
❖Familias Intel Xscale
 Intel Xscale:
» El Intel XScale con nucleo de microprocesador de la
quinta generacion de la arquitectura ARM.
» Esta basado en el ISA v5TE sin las instrucciones de
coma flotante.
» El XScale usa un entero de 7 niveles y 8 niveles de
memoria Superpipeline de arquitectura RISC.
» Es el sucesor de la linea de microprocesadores y
microcontroladores Intel StrongARM, que Intel
adquirio de la division de Semiconductores Digitales de
DEC como efecto colateral de un pleito entre las dos
companias. http://www.marvell.com/
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34. Productos a usar como procesadores…
❖Familias Intel 8051
 Intel 8051 - μC
» μC Intel (1980) aplicaciones embebidas.
» μC muy popular.
» Los núcleos 8051 se usan en más de 100 μC’s de más de
20 fabricantes independientes como Atmel, Dallas
Semiconductor, Philips, Winbond, entre otros.
» Tiene Arquitectura Harvard
» Originariamente fue diseñado para aplicaciones simples,
» Direcciona 64 KB de ROM externa y 64 KB de RAM por
medio de líneas separadas chip select para programa y
datos.
» http://www.intel.com/design/mcs51/
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35. Productos a usar como procesadores…
❖Familias PIC y TI MSP430
 PIC o PICmicro
» Familia de μC’s RISC de Microchip Technology Inc.
• Derivados del PIC1650 de General Instruments.
» Series: 12, 16 (16F84a), 17, 18 (18F4550)
» Muy popular
» Diseñado para aplicaciones empotradas de bajo costo y
bajo consumo de energía.
» http://www.microchip.com/
 TI MSP430
» Familia de μC’s de Texas Instruments
» Para aplicaciones empotradas, de bajo costo y bajo
consumo de energía e inalámbricas.
» La arquitectura tiene reminiscencias del DEC PDP-11.
» Carece de memoria para indexar memoria.
• Rutinas de interrupcion se escribieran sin utilizar registros, no usa pila.
» http://www.ti.com/msp430
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36. MÓDULO DE SUMINISTRO DE ENERGÍA
❖2 MÓDULO DE SUMINISTRO DE ENERGÍA
❖Las fuentes de suministro de energía son:
 Baterías
 Transformadores conectados a energía eléctrica.
❖Batería
 Es lo más recomendable para aplicaciones de motas
 Hay técnicas para alimentar al sensor, como placas solares.
 Tiene vida útil limitada_ hay que realizar una gestión eficiente
del consumo de energía.
❖Consumo de energía en las motas
 El suministro de energía permite trabajar a sensores, la
comunicación o transferencia de información y procesado.
 La mayor cantidad de energía la consume la transmisión de
información, siendo menor en el procesado y uso de los
sensores.
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37. Baterías y material
❖Ejemplo de consumo de energía
 El coste de transmisión de 1 Kb. a una distancia de 100 metros es
aproximadamente el mismo que ejecutar 3 millones de instrucciones
por un procesador de 100 millones de instrucciones por segundo.
❖Tipos de baterías
 Recargables
 N recargables.
❖Material electroquímico usado por las baterias
 NiCd (niquel-cadmio)
 NiZn (niquel -zinc)
 Nimh (niquel metal hidruro)
 Litio-Ion.
❖Energías Renovables
 Se trabaja en energía renovable de tipo:
» Energía solar
» Termo generación
» Energía basada en vibraciones, etc.
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38. Fuentes de energía para motes
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39. MÓDULO DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA
❖3 MÓDULO DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA
 El sistema de comunicación envía y recibe datos vía radio en
un rango de frecuencias.
❖BANDA ISM
 Los nodos usan la banda ISM
» Bandas de radiofrecuencia EM para áreas industrial,
científica y médica.
 Estas bandas de frecuencia son abiertas
» Se debe respetar las regulaciones que limitan los
niveles de potencia transmitida.
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40. Bandas más usadas
❖Medios de comunicación inalámbrica
❖Hay de varios tipos.
 Radio frecuencia
» La más adecuada para usar en aplicaciones inalámbricas
» Las WSN usan frecuencias de comunicación entre 433
MHz y 2.4 Ghz.
 Óptica
» Mediante laser e infrarrojos.
 Infrarrojos como el laser
» No necesitan antena
» Está bastante limitado en su capacidad de transmisión.
 Laser
» La que menos energía consume
» Requiere comunicación visual entre emisor y receptor
» Depende de las condiciones atmosféricas.
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41. Transceptor
❖Transceptor
 Combina las funciones de emisión y recepción
 Sus estados de operación son: emitir, recibir, dormir e
inactividad.
❖Consumo del Modo inactivo
 En modelos actuales, el modo inactivo el consume de energía
es semejante al que consume el modo recepción.
» Es mejor apagar la comunicación en este modo cuando
no se está emitiendo ni recibiendo información.
❖Consumo de energía de modo durmiente al modo
transmisión de datos.
 Es significativa la cantidad de energía consumida cuando se
cambia de modo durmiente al modo de transmisión de datos.
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42. Transceptores comerciales
❖Transceptores comerciales
❖Los sistemas más populares dentro de los sistemas
de comunicación de radio para WSN:
 Chipcon CC1000 http://www.chipcon.com/
 Chipcon CC1020 http://www.chipcon.com/
 Chipcon CC2420 http://www.chipcon.com/
 Xemics XE1205 http://www.semtech.com/
 802.15.4 Chipsets and SoC http://www.jennic.com/
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43. Datos de los transceptores
❖Datos de los transceptores
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44. MÓDULO DE MEMORIA
❖4 MÓDULO DE MEMORIA
❖Por consumo de energía, las clases más importantes
de memoria son:
 Memoria integrada en el chip (interna de microcontrolador)
 Memoria flash
 Memoria RAM externa al microcontrolador raramente
usada.
❖Memorias Flash
 De bajo costo y gran capacidad de almacenamiento.
 Es una mejora a las memorias EEPROM
❖Funcionamiento Memorias Flash
 Permite múltiples escrituras y lecturas en diferentes
localidades a la vez, mediante impulsos eléctricos
 Esta función incrementa la velocidad respecto a otras
memorias.
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45. Otras características de las memorias Flash
❖Otras ventajas de la memoria Flash
❖No volátil
 La información almacenada no se pierde cuando se
desconecta de la corriente.
» Excelente para aplicaciones embedded
❖Requerimientos de memoria
 Dependen mucho de la capacidad que necesite la aplicacion.
❖Categorías de memorias según el propósito del
almacenamiento:
 Memoria usada para almacenar los datos colectados por la
aplicación.
 Memoria usada para almacenar el programa del dispositivo.
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46. Módulo Sensores
❖5 Módulo de Sensores
❖Sensores
 Son dispositivos hardware y producen una respuesta
medible ante un cambio en un estado físico en temperatura,
presión, humedad, posición, etc.
 Detectan o miden cambios físicos en el área que están
monitorizando y entregan una señal analógica o digital.
❖Si el sensor entrega señal analógica
 Se acondiciona la señal: Amplifica y filtra
 Se digitaliza con un ADC
 Se enviada a un controlador para que la procese.
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47. Características y requerimiento de un sensor
❖Las características y requerimientos que un sensor
debe tener son:
 Tamaño pequeño
 Bajo consumo de energía
 Operar en densidades volumétricas altas
 Ser autónomo
 Funcionar desatendidamente
 Capacidad para adaptarse al ambiente.
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48. Tres categorías de los sensores
❖Los sensores se pueden clasificar en tres categorias:
❖Sensores pasivos omnidireccionales:
 Captan los datos sin necesidad de manipular el entorno.
 Son autoalimentados
 Sólo usan la energía para amplificar la senal analógica captada.
 No hay noción de ‘dirección’ involucrada en estas mediciones.
❖Sensores pasivos unidireccionales:
 Sensores pasivos que tienen bien definida la dirección desde
donde deben captar la información.
 Ejemplo una cámara.
❖Sensores activos:
 Sondean el ambiente como el un radar, sonar o sensor sísmico
que generan ondas expansivas a través de pequeñas
explosiones.
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49. Nodo Sensor
❖Sensores en un nodo sensor
❖Cada nodo sensor puede ser equipado con:
 Dispositivos sensores diversos: acústicos, sísmicos,
infrarrojos, video cámaras, mecánicos, de calor,
temperatura, radiación, entre otros.
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50. Algunos sensores y uso
❖Alguno sensores que pueden pertenecer a nodo
sensor son:
 Micrófono: Para captar señales del medio ambiente
 Fotómetro: Mide la cantidad de fotones recibidos
 Diodo detector de luz
 Acelerómetro: Para medir la aceleración de un objeto
 Sensor de humedad
 Sensor de radiación
 Sensor de luz ultravioleta
 Sensor de fuerza motriz
 Etc.
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51. Tendencia de los sensores
❖La tendencia de los sensores
 Producción de sensores a gran escala
 Precios bajos
 Mejor capacidad de cómputo
 Tamaño reducido
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52. SOFTWARE
WSN
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53. Software de un Nodo Sensor
❖Software de un Nodo Sensor
❖Muchos son los sistemas operativos existentes para
sistemas embebidos
 No todos satisfacen las restricciones que imponen las
Redes de Sensores Inalámbricas (RSI - WSN),
 Muchos OS’s se descartan.
❖Algunos requisitos para los OS’s en una WSN
 Capa de abstracciones para independizar al programador de
los niveles inferiores (hardware).
 Drivers que comunican la aplicación y el hardware, al igual
que los sistemas operativos para arquitecturas x86.
 Manejo de tareas y eventos que ocurren en cada nodo.
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54. OS`s para WSN
❖Ejemplos de OS’s para WSN son:
 1 PalOS
 2 SOS
 3 TinyOS
 4 Linux
 5 NET Micro Framework
 6 eCos
 7 uC/OS
 8 Contiki
 9 MANTIS
 10 BTnut
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55. 1 Pal OS
❖1 Sistema operativo PAL
 Desarrollado por la UCLA (Universidad de California)
 En el modelo de ejecución cada tarea mantiene una propia
cola de eventos.
 La tarea puede interactuar con una entrada o salida fisica.
 En la fase de inicialización del programa, cada tarea
registra una tarea de eventos en la programacion del
sistema.
 Si la tarea 1 desea hablar con la tarea 2, postea un evento
en la cola de eventos de la tarea 2 mediante un Scheduler
(organizador o programador) del sistema, para que luego la
tarea 2 capture ese evento al preguntar al Scheduler si
tiene algún evento para el.
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56. Pal OS
Topologia cluster-tree de una red ad-hoc
❖Funcionamiento de la estructura de software
 Se necesita un “timer” para manejar la periodicidad con que
una tarea registra eventos (Tarea timer) .
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57. Tarea timer
❖La tarea timer posee tres colas:
 1. Cola Nexo
» Eencargada de interactuar con las demás tareas (recibe
el envio de otras tareas).
 2. Cola Delta
» Se ordenan distintos eventos dependiendo del tiempo
de expiracion
 3. Eventos Expirados
» Se van colocando para su posterior ejecución
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58. Modelo de ejecución de la tarea timer
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59. SOS
❖2 SOS
 Desarrollado en la Universidad de UCLA
» Networked and Embedded Systems Lab (NESL)
 Implementa un sistema de mensajería
» Permite múltiples hebras entre la base del sistema
operativo y las aplicaciones
» Estas pasan a ser módulos que pueden ser cargadas o
descargadas en tiempo de ejecución sin interrumpir la
base del sistema operativo.
» Procura remediar algunos de las limitaciones propias de
la naturaleza estática de muchos de los sistemas
precursores a este (ejemplo TinyOS).
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60. Objetivo SOS
❖El objetivo principal de SOS
 Es la reconfigurabilidad.
❖Reconfigurabilidad.
 Habilidad para modificar el software de nodos individuales de
una red de sensores, una vez que estos han sido desplegados
físicamente e inicializado su funcionamiento.
 Si encuentra un problema y no cuenta con la solución, recolecta
información de todos los nodos para modificar su software.
❖Tolerante a fallas
 La capacidad dinámica de agregar o remover módulos, permite
la construcción de software mucho mas tolerante a fallos.
 Esto presenta dos grandes ventajas:
» Realizar actualizaciones de forma fácil,
» Capacidad de anular el funcionamiento de algún módulo
defectuoso, de algún nodo que pertenece a la red.
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61. Características del kernel - SOS
❖Las características del kernel de SOS son:
 Módulos cargados dinamicamente.
 Programacion flexible de prioridades.
 Subsistema para manejo de memoria dinamica.
 Capas de abstraccion de hardware y drivers son de la
misma forma que para el sistema PalOS.
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62. 3 TinyOS
❖3 TinyOS
 Desarrollado por la Universidad de Berkeley (California).
 Puede ser visto como un conjunto de programas avanzados
» Cuenta con un amplio uso por parte de comunidades de
desarrollo, dada sus características de ser un proyecto
de código abierto (Open Source).
 El conjunto de programas contiene numerosos algoritmos,
que permiten generar enrutamientos, aplicaciones pre-
construidas para sensores.
❖NesC y TinyOS
 TinyOS está escrito en base a NesC o meta-lenguaje que se
deriva de C y responder a las necesidades que existen en
los sistemas embebidos.
 El método de diseño es orientado a componentes.
 Cada componente usa eventos y comandos que rápidamente
permitan la transición de un estado a otro.
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63. Tareas en TinyOS
❖Tareas en TinyOS
 Hay tareas que solicitan el contexto de ejecución de la CPU
para realizar cómputos o procesamientos duraderos.
 Estas tareas se ejecutan completamente con respecto a
otras tareas
» Las tareas no pueden dividirse para comenzar con otra
y luego retomarlas, mas si pueden ser interrumpidas
periódicamente por acontecimientos de una prioridad
más alta (eventos).
❖Scheduler de TinyOS
 Se utiliza una FIFO para el scheduler, no obstante un
mecanismo alternativo podría ser agregado fácilmente.
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64. Planificador (Scheduler) Kernel TinyOS
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65. Scheduler
❖Scheduler
 Está basado en un modelo de programación por
componentes
» Esto propaga las abstracciones del hardware en el
software.
 Tal como el hardware responde a cambios de estado en sus
pines de entrada/salida
» Las componentes responden a eventos y a los comandos
en las interfaces de entrada/salida.
❖En general TinyOS consta
 Un pequeño scheduler
 Un gráfico de componentes.
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66. Partes de una componente
❖Partes de una componente
 1. Manejador de comandos.
 2. Manejador de eventos
 3. Frame de tamaño fijo y estáticamente asignado, en el
cual se representa el estado interno de la componente.
» El frame proporciona el contexto donde se ejecuta el
programa y almacenan variables.
 4. Un bloque con tareas simples.
» El buen desempeño y desarrollo abierto, han afectado
positivamente en el mejoramiento del sistema en si
» Ha influido en la creación de herramientas que facilitan
el diseño y trabajo, tales como simuladores,
administradores de bases de datos, máquinas virtuales
que permiten reprogramacion en linea, etc.
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67. Modelo de componentes de TinyOS
❖Modelo de componentes de TinyOS y interaccion de
componentes
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68. Aplicaciones Preconstruidas TinyOS
❖Aplicaciones de TinyOS
 Cuenta con numerosa aplicaciones preconstruidas
» Estas implementan procesamientos de datos y
algoritmos de enrutamiento.
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69. Principales variables a considerar
69

70. LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN
WSN
70

71. Lenguajes de programación WSN
❖Programación de sensores
 Es complicada
❖Limitantes programación
 Capacidad de cálculo
 Cantidad de recursos.
 No hay entornos de programación prácticos y eficientes
para depurar código y simular.
❖Lenguages para WSN
 nesC
» Lenguaje utilizado para las motas
» Está relacionado con TinyOS.
» Es el más utilizado
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72. Lenguages para WSN
 Protothreads:
» Diseñado para la programacin concurrente
» Provee hilos de dos bytes como base de funcionamiento.
 SNACK:
» Facilita el diseño de componentes para redes de
sensores inalámbricas, sobre todo cuando la información
o cálculo a manejar es muy voluminoso,
» Lenguaje que permite programar de manera más facil y
eficiente.
» Sustituto de nesc para crear librerias de alto nivel a
combinar con las aplicaciones más eficientes.
 c@t:
» Iniciales que hincan computación en un punto del
espacio en el tiempo (Computation at a point in space
(@) Time )
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73. Lenguages para WSN
 DCL:
» Lenguaje de composicion distribuido (Distributed
Compositional Language)
 galsC:
» Disenado para ser usado en TinyGALS,
» Lenguaje programado mediante el modelo orientado a
tarea
» Fácil de depurar
» Permite concurrencia
» Compatible con los módulos nesc de TinyOS
 SQTL(Sensor Query and Tasking Language):
» Herramienta para realizar consultas sobre redes de
motas.
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74. Nesc
❖Lenguage Nesc
❖Network Embedded Systems C)
 Sintaxis similar a C
 Optimizado para las limitaciones de memoria en las redes
inalámbricas de sensores.
 Orientado a componentes
 Diseñado para programar en redes de sensores bajo el
sistema operativo TinyOS.
❖Partes de una aplicación Nesc
 Uno o más componentes enlazados entre ellos
» De esta manera forman un ejecutable.
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75. Componentes e interfaces
 Cada componente
» Proporciona y utiliza interfaces bidireccionales
» Única forma de comunicación hacia otros componentes
» Se pueden realizar múltiples instancias hacia una misma
» Ejemplo un componente necesite dos temporizadores,
en tal caso tendrá que hacer dos instancias a la interfaz
que proporcione el temporizador.
 Con las interfaces se consigue
» Una unión de componentes de manera estática
» Mejor análisis del programa
» Aumento de la eficiencia en lo que a tiempos de
ejecución se refiere y en la robustez del diseño.
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76. Módulos y configuraciones
❖La implementación de los componentes en Nesc
 Se realiza mediante módulos y configuraciones.
❖Los módulos
 Proporcionan el código de la aplicación
 Se programan los eventos de una o varias interfaces
 Las interfaces son un grupo de comandos y eventos
» Se da respuesta a algún suceso determinado como
puede ser al recibir cierto mensaje desde cierto
componente.
❖Las configuraciones
 O wiring
 Se utilizan para ensamblar otros componentes
» Unen diferentes componentes en función de sus
interfaces ya sea mediante comandos o eventos.
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77. Ejemplo de código Nesc
❖El componente B proporciona la interfaz X al
componente A para que este la utilice.
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78. DISEÑO DE LA RED
WSN
78

79. Diseño de Red
❖El diseño de Red
 Parte importante en las WSN
❖Consideraciones al diseñar la red
 Tipo de aplicación
 Topología
 Ruteo
 Energía
 Sincronía
 Escalabilidad
 Calidad de servicio
 Tolerancia a fallas
 Auto organización
 Puerta de Enlaces
 Estación Base
 Topologías
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80. Topología en el diseño de la WSN
❖Topologia
❖Es cambiante para las redes de Sensores Ad hoc.
 Los nodos se despliegan de manera aleatoria.
 Desplegados los nodos no se requiere la intervención
humana
❖La configuración y el mantenimiento se hacen
completamente autónomos.
❖En la organización de la topología
 Cada nodo busca información completa de la red o parte de
ella
 De esta forma mantiene las estructuras de la información
de la red actualizadas.
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81. Ruteo en el diseño de la WSN
❖RUTEO
❖La responsabilidad de un protocolo de ruteo
 Para el intercambio de información, busca el camino más
confiable para alcanzar el destino deseado.
❖El protocolo de ruteo toma en cuenta
 La distancia
 Requerimiento mínimo de energía
 Tiempo de vida del enlace inalámbrico
 Búsqueda de la información en el caso de que la conexión
falle
 Reparación de los enlaces caídos
 Gasto mínimo de potencia en el procesamiento y ancho de
banda.
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82. Energía en el diseño de la WSN
❖Energía
❖Para los Sensores
 La vida útil del sensor depende del tipo de batería usada
» Ni-Cd, Ni-Mh, Li-Ion.
❖Hardware WSN
 Se diseña para un consumo óptimo de energía como
requerimiento primordial.
 El microcontrolador, el OS y el SW de aplicación deberán
optimizar la conservación de energía
» Se deben escoger las instrucciones y codificación más
ocupadas para que utilicen la menor potencia posible.
 Otras consideraciones para optimizar consumo energía:
» Minimización de sistemas síncronos
» Sistemas asíncronos globales y síncronos solamente en
pequeñas porciones locales que lo necesiten.
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83. Sincronía en el diseño de la WSN
❖Sincronía
❖Los nodos sensores deben ser capaces de:
 Sincronizarse de manera distribuida,
 Esto permite calendarizar el multiplexado en tiempo para
imponer y ordenar de forma temporal la detección de
eventos sin ninguna ambigüedad.
❖Los nodos en una WSN operan de forma
independiente
 Sus relojes podrán o no estar sincronizados.
 Esto podría causar dificultades cuando se trate de integrar
e interpretar información sensada en diversos nodos.
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84. Escalabilidad en el diseño de la WSN
❖Escalabilidad
❖El número de sensores puede aumentar
 Los fallos en la comunicación entre los nodos se incrementa
de manera exponencial.
 Esto exige un mejor control que mantenga a la red
conectada a pesar del decremento en el ancho de banda
utilizable.
❖La escalabilidad y la certeza en la red son rubros
que se contraponen
 Al tener una red más densa, es más probable tener fallos en
base a la comunicación de los nodos.
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85. QoS en el diseño de la WSN
❖Calidad de Servicio
❖QoS puede interpretarse en las WSN por:
 Enlace
 Flujo de información
 Funcionamiento de nodo.
❖La Red como el host requieren de buena coordinación.
 Una mala coordinación central y un limite de recursos puede
desencadenar un problema.
❖El nivel de servicio y sus parámetros están asociados al
tipo de aplicación.
 La comunicación en tiempo real sobre una red de sensores
deberá de ser garantizada a pesar de tener un.
» Máximo de retraso
» Ancho de banda mínimo
» Otros parámetros involucrados en la calidad del servicio.
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86. Tolerancia a fallos en el diseño de la WSN
❖TOLERANCIA A FALLOS
❖La red debe ser capaz
 De modificar algún aspecto de ella donde se presente un
fallo.
 La falla deberá ser identificada y resuelta en un tiempo
promedio.
» Este rubro es muy importante primordialmente para
aplicaciones militares y para aplicaciones civiles donde
existe un riesgo de perdida de vida por fallo de un
equipo electrónico.
❖Falta de una comunicación central y medio
compartido
 La red es vulnerable a ataques más que en redes
alambradas
» Existen muchos puntos de acceso a la red, que cuando
no existen mecanismos de detección de intrusos,
facilitan los ataques.
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87. Auto organización en el diseño de la WSN
❖AUTO-ORGANIZACION
❖Propiedad importante en una red Ad-hoc y entre las
principales actividades son:
 Búsqueda de nodos adyacentes
 Organización de la topología
 Reorganizacion de la topologia.
❖Fase de búsqueda
 Cada nodo de la red recolecta información acerca de los
vecinos
 Mantiene la información en estructuras.
 Periódicamente se transmitan pequeños paquetes llamados
beacons,
❖Beacon
 Vigila el canal para detectar cualquier actividad del vecino.
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88. Auto organización en el diseño de la WSN
❖Fase de reorganización
❖Se requiere información confiable de la topología.
 Por movilidad de los nodos
 Por la cantidad de energía de los nodos
 Por la Eficiencia en los enlaces
 Todo en caso de que se haya suscitado un cambio de último
momento.
❖Nodos Sensores
❖Las redes de sensores están formadas por un
conjunto de pequeños dispositivos denominados
nodos sensores
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89. para el diseño de la WSN
❖Nodo de sensor
 Capacidad limitada de cómputo
 Comunicación
 Tiempo de vida depende de una batería adjunta al
dispositivo.
❖Tiempo de vida de la red de sensores
 Depende del tiempo de vida de la batería de sus nodos.
 Estos dispositivos se encuentran dispersos de manera ad-
hoc en una determinada área a monitorizar.
❖Modelo seguido por las aplicaciones
 Se realiza una serie de mediciones sobre el medio
 Se transforma la información en digital en el nodo
 Se transmite a fuera de la red de sensores vía un gateway a
una estación base
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90.  La estación base almacena la información y trata
temporalmente
 La información se envía a un servidor con mayor capacidad
que permita componer un histórico o realizar análisis de
datos.
❖En una WSN, por lo tanto, se tienen:
 Nodos inalámbricos
 Puertas de enlace
 Estaciones base
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91. Puerta de Enlace en el diseño WSN
❖Puerta de enlace o Gateway
❖Son dispositivos que interconectan dos redes de
diferente naturaleza
 Actúa como puente entre dos redes de diferente tipo.
 Interconecta WSN y una red de datos (TCP/IP).
 No contiene sensores
❖La red de sensores puede actuar de manera aislada
 Pero se requiere monitorear y accesar a la información de
WSN.
 Esto exige que la red de sensores se pueda conectar a
infraestructuras de redes existentes
» Internet
» Redes de area local (LAN)
» PVNs
» Intranets.
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92. Estación base en el diseño de una WSN
❖Estación base
❖Es una computadora o sistema embedded
 Recolecta datos
❖En una estructura normal
 Todos los datos van a parar a un servidor
❖El servidor contiene una base de datos
 El usuario puede
» Accesar a la DB
» Observar DB
» Estudiar o procesar DB
» Generar reportes
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93. Topologías
❖Topologías
❖Hay varias arquitecturas para implementar una
aplicaci´0on de WSN
 Estrella
 Malla
 Hibrida (Estrella – malla)
❖Cada topología presenta
 Componentes
 Desafíos
 Ventajas
 Desventajas.
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94. Componentes de una WSN
❖La topología es la configuración de los componentes
hardware y como los datos se transmiten a través de
esa configuració
❖Una topología puede ser
 Apropiada bajo ciertas circunstancias
 Inapropiada para otras
❖Los componentes de una WSN son
❖Nodos finales:
 Son dispositivos con sensores/actuadores que capturan los
datos de los sensores.
 En redes ZigBee los nodos son RFD (Reduced Functional
Devices).
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95. Componentes: routers y puertas de enlace
❖Routers:
 Dan cobertura a redes muy extensas
 Resuelven problemas de
» Obstáculos
» Congestión en la emisión de la información
» Posibles fallos en alguno de los aparatos.
❖Puertas de enlace:
 Recogen los datos de la red
 Son punto de unión con una red LAN, Internet, PVN, etc.
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96. Topología en estrella
❖Una topología en estrella (monosalto)
 La información enviada sólo da un salto
 Todos los nodos sensores se comunican directamente con la
puerta de enlace
 Las distancias van de 30 a 100 metros.
 Los nodos sensores son idénticos
 La puerta de enlace capta la información de todos ellos.
 La puerta de enlace también se usa para transmitir datos al
exterior y permitir la monitorización de la red.
 Los nodos finales no intercambian información entre ellos
» Utilizan la puerta de enlace para ello, si es necesario.
 Tiene menor gasto de energía
 Está limitada por la distancia de transmisión vía radio entre
cada nodo y la puerta de enlace.
 No tiene camino de comunicación alternativo por lo que la
información de ese nodo se perderá.
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97. Figura: Configuración estrella
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98. Topología malla
❖La topología en malla
 Es un sistema multisalto
» Todos los nodos son routers e idénticos.
 Un nodo puede enviar información a:
» Otro nodo: Comunicación entre nodos
» Puerta de enlace
❖Uso de la puerta de enlace
 Hace posible, en teoría, crear redes de extensión ilimitada.
 Es tolerante a fallos
» Hay varios camino entre un nodo y la puerta de enlace.
 La red se reconfigurara alrededor del nodo fallido
automáticamente.
❖Número de nodos y distancia
 Definen periodos de espera elevados en el envío de la
información
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99. Figura topología malla
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100. Topología Hibrida
❖La topología hibrida estrella-malla
❖Combina las ventajas de los otros dos tipos,
 Simplicidad y bajo consumo de la topología estrella
 Cubertura extensa y reorganizarse ante fallos de la
topologia malla.
❖La red híbrida crea:
 Una red en estrella alrededor de routers
 Router pertenecientes a una red en malla.
❖Los routers
 Dan la posibilidad de ampliar la red y de corregir fallos en
estos nodos
❖Nodos finales
 Se conectan con los routers cercanos ahorrando energía.
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101. Figura: Topología Hibrida
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102. Figura Monitoreo en bozque
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103. Aplicaciones WSN
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104. Aplicaciones de las WSN
❖Aplicaciones
❖Las aplicaciones de las WSN son:
 Medio ambiente
 Militar
 Salud
 Estructuras
 Agricultura
 Automoción
 Domótica
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105. Tecnologías inalámbricas
WSN y Otras
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106. Diferentes tecnologías inalámbricas
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