Wireless Sensor Networks: Introduction, applications ans manufactures

1. WSN: Wireless Sensor Networks
(Redes Inalámbricas de Sensores)
Ing. Wilfredo Torres Moya
Grupo de Investigación de Telecomunicaciones
Universidad Católica Andrés Bello (UCAB)
Caracas - Venezuela

2. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Agenda
• Introducción
• Redes Inalámbricas de Sensores (WSN)
• Aplicaciones de WSN
• Protocolos y Estándares
• Proyectos Relacionados
• Hardware y Fabricantes
• Demostración
• Preguntas

3. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Introducción
• Sensor: dispositivo capaz de medir magnitudes
físicas o químicas, llamadas variables de
instrumentación, y transformarlas en variables
eléctricas. Las variables de instrumentación
pueden ser por ejemplo: temperatura,
intensidad lumínica, distancia, aceleración,
inclinación, desplazamiento, presión, fuerza,
torsión, humedad, Ph, etc (Wikipedia, 2010)

4. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Introducción
Los sensores son dispositivos comunes en nuestra vida
cotidiana

5. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Introducción
• El Monitoreo es una de las principales
aplicaciones de los sensores en la industria.
• En el contexto de Telecomunicaciones resaltan
los sistemas de Monitoreo y Control:
Telemetría y/o SCADA.
• SCADA
▫ Supevisory Control And Data Adquisition
▫ Sistema para adquirir y analizar data en tiempo real a
través de sistemas de Telecomunicaciones e Informática.
▫ Monitoreo y Control de: plantas, componentes del
sistema de generación y distribución de electricidad,
niveles de agua, plantas de refinamiento de gas,
oleoductos, refinación etc.

6. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Introducción
• Sistemas SCADA: Arquitectura típica
Componentes:
• Hardware de señal de entrada/salida
• Controladores (PLC)
• Interfaz Humano-Máquina
• Redes
• Bases de Datos
• Software
¡Sistema complejo!...
Requiere mucha infraestructura de
telecomunicaciones

7. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Redes Inalámbricas de Sensores (WSN)
• Una WSN es una red inalámbrica
compuesta por nodos o dispositivos
autónomos (funcionan con alimentación
“portátil” como baterías, celdas solares )
que usan sensores para monitorear de
forma cooperativa condiciones físicas y
ambientales como temperatura,
humedad, presión, sonido, vibración,
polución, etc. en diferentes lugares

8. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Redes Inalámbricas de Sensores (WSN)
• La WSN se forma de cientos o miles de nodos
autónomos llamados motes que se comunican
unos con otros transmitiendo datos en una red
multisalto hasta un gateway que conecta con
redes externas.
Gateway
Motes

9. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
WSN: El Mote
Esquema general:

10. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
WSN: El Mote
Ejemplo de mote de la empresa Crossbow
http://www.xbow.com

11. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
WSN: El Mote
Ejemplo de mote de la empresa Crossbow

12. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Aplicaciones de WSN
Monitoreo de plantas industriales

13. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Aplicaciones de WSN
Agricultura de Precisión

14. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Aplicaciones de WSN
• Monitoreo ambiental y meteorología
• Espacios inteligentes: automatización del hogar,
edificios, confort
• Detección temprana de sismos
• Cadenas de calidad de productos de
alimentación
• Monitoreo médico (enfermos, ancianos )
• Vigilancia de edificios y estructuras singulares
(puentes, túneles )
• Etc

15. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
WSN: Protocolos y Estándares
• Estándar IEEE 802.15.4
▫ Liberado el año 2006. Actualmente por liberarse revisión del año
2007 (IEEE 802.15.4a)
▫ Define la capa física (PHY) y de acceso al medio (MAC) para
transmisión inalámbrica de área personal (WPAN: Wireless
Personal Area Network).
▫ Capa física (PHY):
Tasa de transmisión de datos de hasta 250 Kbps
Bandas de 2,4Ghz (todo el mundo), 800 Mhz (Europa) y 900 Mhz
(Norteamérica)
Modulación DSSS (Direct Sequience Spread Spectrum)
Alcance de hasta 10m entre nodos en su modo básico (sin usar antenas)
Bajo consumo de energía. Trata de mantener los nodos en estado
“dormido” (sleep mode) mientras no haya tramas que transmitir
▫ Capa de acceso al medio (MAC)
CSMA/CA (Carrier Sense Multilpe Access / Collition Avoidance)

16. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
WSN: Protocolos y Estándares
• Estándar IEEE 802.15.4
Modelo de Red:

17. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
WSN: Protocolos y Estándares
• ZigBee

18. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
WSN: Protocolos y Estándares
• ZigBee Vs. Bluetooth
Bajo consumo: 30mA en transmisión y 3uA Consumo má alto: 40mA en transmisión y
en modo dormido. Por ello es ideal para 0.2 mA en reposo. Adecuado en uso
WSN,
WSN se pueden desplegar nodos con doméstico en dispositivos recargables de
baterías en zonas de difícil acceso, y sólo manera frecuente (ejemplo: celulares).
se requerirá cambios de batería en
promedio cada 2 a 3 años.
Puede haber hasta 65535 nodos en una Puede haber un máximo de 8 nodos por
red distribuidos en subredes de 255 cada subred (piconet).
nodos.
Tasa de transmisión de hasta 250 Kbps Tasa de transmisión de hasta 1 Mbps

19. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
WSN: Protocolos y Estándares
• Protocolo de enrutamiento
▫ La idea es que la red sea de tipo ad-hoc: es decir,
que se autoconfigure ante cambios de topología en la
red, bien sea por el fallo de nodos existentes o por la
adición de nuevos.
▫ Existen varios tipos de protocolos, que varían según
las estrategias que emplean para el cálculos de rutas
hasta un gateway o sink (sumidero)
▫ El más usado: protocolo AODV (Ad-hoc On Demand
Distance Vector):
Protocolo Reactivo: sólo se ejecuta cuando hay un cambio de
topología. Es mejor que otros protocolos Proactivos que
siempre están transmitiendo señales para verificar las rutas
armadas.

20. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
WSN: Protocolos y Estándares
• Protocolo de enrutamiento

21. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Proyectos Relacionados
Proyecto “Volcano”
Harvard Sensor Networks Lab: http://fiji.eecs.harvard.edu/Volcano

22. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Proyectos Relacionados
Proyecto “Volcano”
▫ Despliegue en Volcanes de Ecuador
(Zonas sin infraestructura)
▫ Ventaja: Micromedición. Actualmente con sistemas
cableados y satelitales no se logra una resolución
espacial suficiente, y se tienen márgenes de errores
mayores y con mayor retardo.
▫ 2004: Despliegue de prueba en el volcán
Tungurahua, Ecuador. Pequeño arreglo de prueba de
motes inalámbricos para captura continua de datos
infrasónicos.

23. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Proyectos Relacionados
Proyecto “Great Duck Island”
▫ Proyecto de Investigación del
College of the Atlantic en conjunto con Intel
Research Labs: http://www.coa.edu/motes.htm
▫ Micro-monitoreo no invasivo de hábitats en la isla
Great Duck, en el estado de Maine, Noreste de EEUU.
▫ Despliegue de motes con sensores de temperatura,
humedad, presión barométrica, e infrarojos. Se
conectan a una estación base en la estación de
investigación Eno, a través de la cuál se envían datos
vía satelital para la descarga de investigadores
remotos vía Internet.

24. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Proyectos Relacionados
Proyecto “Great Duck Island”

25. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Hardware y Fabricantes
Crossbow: http://www.xbow.com
Mote Micaz:
• Compatible con IEEE 802.15.4
• 2.4 GHz
• 250 Kbps
• Alimentación con baterías AA.
• Sistema abierto para modificaciones y desarrollo:
• Sistema operativo TinyOS (versión embebida de Linux)
• Programación en NesC: Versión reducida del lenguaje C,
orientada a componentes
Mote eKo:
• Igualmente compatible con IEEE 802.15.4 a 2.4 GHz.
• Diseñado para monitoreo ambiental: incluye alimentación por
celda solar embebida
• Sistema cerrado: No permite modificaciones, listo para su
despliegue.

26. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Hardware y Fabricantes
Sun SPOT: http://www.sunspotworld.com
Sun SPOT
• Nodo experimental desarrollado por Sun Microsystems
• Compatible con IEEE 802.15.4
• 2.4 GHz
• 250 Kbps
• Alimentación con baterías AA.
• Sistema abierto para modificaciones y desarrollo:
• Programación en Java

27. WSN: Wireless Sensor Networks VIII Jornadas de Ingeniería de Telecomunicaciones, UCAB 2010
Hardware y Fabricantes
Libelimum: http://www.libelium.com

28. WSN: Wireless Sensor Networks
Demostración

29. WSN: Wireless Sensor Networks
¡Gracias!
Ing. Wilfredo Torres Moya
Grupo de Investigación de Telecomunicaciones
Universidad Católica Andrés Bello (UCAB)
Caracas - Venezuela