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José Ulloa Suárez
Jefe Área de Desarrollo
WiseConn S.A.
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“Soluciones tecnológicas que mejoran la productividad y facilitan el control de los sistemas
productivos por medio de las comunicaciones inalámbricas”
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Temario
• Introducción• Redes de sensores inalámbricas (WSN)
•¿Qué son? •Comunicación•Modos de Uso de las WSN•Arquitecturas de las WSN
• Plataforma Ocupada•Nodo Sensor•Sistema Operativo
• WSN en la agricultura• Comentarios
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• El MIT identificó en Febrero de 2003 las 10 tecnologías emergentes que cambiarán el mundo: – Las redes de sensores inalámbricas aparecen primeras.
• Integración con otras tecnologías:– Agricultura, biología, medicina, minería, etc
• Integran funcionalidades que antes eran independientes, con el fin de lograr máxima eficiencia y optimización de recursos.
• Alrededor del mundo, gran comunidad de personas trabajando de forma cooperativa, respaldadas por instituciones de gran renombre: Intel, Texas, Universidades, etc.
Introducción
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• Muchos dispositivos autónomos, distribuidos geográficamente, llamados nodos sensores instalados alrededor de un objeto para monitorizarlo, con capacidad de cómputo (realizar mediciones), almacenamiento y comunicación en una red conectada sin cables.
• Compuestas por:– Sensores: toman del medio la información y la convierten en señales
eléctricas.– Nodos: Toman los datos del sensor a través de sus puertas dedatos, y
envían la información a la estación base.– Gateway: Estación base, que puede permitir la interconexión entre la
red de sensores y un computador o directamente TCP/IP.– Red Inalámbrica: Típicamente basada en el estándar 802.15.4 ZigBee.
¿ Qué son las WSN ?
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• Diseñado para sensores y aplicaciones industriales.
• Se basa en estándar IEEE 802.15.4. (2003)
• Especificaciones públicas el 2005.• Hasta 200 m de alcance.
• Hasta 65.000 nodos.• 2,4 GHz, 915 y 868 MHz• Hasta 250 kbps y 16 canales.• Topologías Mesh, Cluster tree,
Structural.• Hasta 2 años con baterías AA.
WiMax
802.11b
802.11a / 802.11g
Bluetooth 1
Bluetooth 2
802.15.4
50 Km
200 m
50 m
250 Kbps 2 Mbps 70 Mbps
Comunicación
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TinyOSSistema Operativo para WSN
CC2420 (ChipCon)
Comunicación
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Nodo Sensor
Humedad Relativa y Temperatura
Radiación Total y PAR
Antena Integrada
Puerto Expansión(ADC, I/O)
•IEEE 802.15.4 compatible•Bajo consumo (2 pilas AA)•Tamaño (6.3 cm x 3.2 cm)•Hasta 150 metros de alcance y 400 metros con antena externa
Puerto JTag Módulo de comunicación inalámbrica
Microcontrolador(Contiene Sistema Operativo
Embebido)
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WSN: Mesh
Nodos
GateWay
Hopping
Autoconfigurable
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• Monitoreo sincronizado– Gran número de nodos sincronizados midiendo y
transmitiendo periódicamente.– control de agricultura, microclimas, etc.
• Monitoreo en base a eventos– Aplicación para detección de anomalías o ataques en
entornos monitorizados continuamente por sensores.– Nodos NO están continuamente enviando datos, solo si
ocurre evento.– Ejemplos: control de edificios inteligentes, detección de
incendios, aplicaciones militares, etc.
Modos de Uso de las WSN
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• Monitoreo para seguimientos– Aplicación para controlar objetos que están etiquetados con
nodos sensores en una región determinada.– La topología de la red es muy dinámica.– Ejemplos: Rastreo de animales, funcionarios dentro de una
empresa, pololas, etc.
• Redes Híbridas– Escenarios de aplicación que contienen aspectos de las tres
categorías anteriores.
Modos de Uso de las WSN
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• Centralizada:– Gateway se encarga de coordinar captura
de datos y envíos de toda la red. DESPERTARMEDIRTRANSMITIRDORMIR
• Distribuida:– En el cluster, los nodos cooperan y
ejecutan algoritmos distribuidos para obtener una ÚNICA respuesta global que el cluster head se encargará de comunicar a la estacion base.
Arquitecturas de las WSN
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Sistema Operativo: TinyOS
• Sistema operativo diseñado específicamente para sensores en red, con el objetivo de llenar el vacío existente entre las capacidades HW y el sistema completo.
• Desarrollado en la Universidad de Berkeley, hoy con gran comunidad de desarrolladores.
• Capaz de manejar las capacidades limitadas del HW eficientemente.
• Diseñado para escalar con las tendencias tecnológicas de la actualidad. Modelo de diseño en base a abstracciones.
• Framework funciona tanto en windows (bajo CygWin) como en linux.
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Scheduler de TinyO S
C ola de TareasV e cto r d e
In te rru p cio n e s
T area (m )
Tarea # 1
Tarea # 2
Tarea # 3
Tarea # 4
T area #N
A D C
T im erA
U A R T
S P I
Interrupc ión # N
S i c o la no es táv ac ía, ejec uto
tarea
R etorna t ras e jec utarT area (m )
S i c ola de tareas es tá v ac ía, nodo v a a S leep
C om ando (s)c all C om ando (A )
R eturn
S LE E P( Interrupc iones
H abilitadas )
S i no hay tareas para s er
ejec utadas
Interrupc ión
Interrupc iónT im erB , s e des pierta
M anejadorD e E v entos
C om ando (s )E v ento (s )
c a ll C om ando (B )s ignal ev ent (n)
R eturn
IS R
R etorna ev entoss oftw are
Interrupc iónR om pe ejec uc ión
de tarea
Modelo de Ejecución
• Basado en eventos, concurrencia a través de tareas.
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Modelo de Componentes
Cada componente tiene:
•Tareas.
•Estado interno de ejecución
•Comandos
•Manejadores de eventos
• Interfaces definen conjunto de comandos y eventos que interactúan entre componentes
• Gráfica de componentes:•Modularidad
•Fácil composición.
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Estructura de una Componente
Un componente se compone:• Configuración
En general vacía. Sólo contendrá algo si se pretende crear un componente no mediante su implementación de código directa (en Módulo) sino ensamblando otros componentes ya creados.
• ImplementaciónDefine las conexiones que hay entre los diferentes componentes que utilizan la aplicación.
• MóduloContiene la implementación del comportamiento del componente.
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Gráfica de Componentes
RFM
Radio byte
Radio Packet
i2c
Tempphoto
Messaging Layer
clocksbit
byte
Empaquetador
Routing Layer
sensing applicationAplicación
HW
SW
ADC
Mensajes
Algoritmos deenrutamiento Capa de alto nivel:
Control, enrutamiento, transferencia de datos, cálculos, agregación de datos
Capa de Adaptación de Hw.Simulan el comportamiento de HW avanzado. Ej: Radio Byte
Capa de Presentación de Hw.Mapean HW físico en el modelo de componentes de TinyOS. Ej: RFM
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Simuladores
• Por la estructura de las redes de sensores los aspectos susceptible de simulación son:– Los nodos y su hardware.– La red, su comportamiento y los protocolos asociados.– El software asociado
• A nivel de aplicación.• A nivel de Sistema Operativo.
• Algunos: Tossim, GlomoSim, SensorSim, etc.
• Tossim ha sido ocupado por estudiantes de la Universidad. Provee interfaz gráfica.
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Aplicación en la Agricultura
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1.Recolección manual de datos1.Recolección manual de datos
2. Análisis de los datos2. Análisis de los datos
3. Toma de Decisiones3. Toma de Decisiones
??
Problemática
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N odo
N odo
N odo
N odo
N odo
N odo
Nodo
N odoN odo
N odo
N odo
Gatew ay
• Permite conexión entre la red inalámbrica y el computador.
• Almacena datos si falla conexión al PC
• Coordina la Red
• Obtención de datos de sensores• Interpretar comandos y registrar
eventos y fallas.
Solución Propuesta
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Tiempo Dormido
Inicio recepción WakeUp
Finrecepción WakeUp
Se recibesincronización
Se recibesincronización
Tiempo Máximo despierto sin entrar al modo de Tiempo Real
Ciclo de Trabajo (5 minutos)
Tiempo WakeUp/Sleep
Obtención de valores de sensores
~22 [mA]
1.5 [mA]
6 [uA]
• Ahorro de energía y tiempo real habilitado por comando• Encendido y apagado de la radio de los nodos de forma coordinada.• Ciclo de trabajo del 1%.
i=22 [mA ]∗3 [ s ]0 . 008[mA ]∗297[ s ]1,5 [mA ]∗0 .5 [ s ]300 [ s ]
=0 .23[mA ]
t=2600 [mAH ]⋅0 . 8
0 . 23[mA ]=9043. 47[H ]≈376 .[ dia ]
Diseño
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Automatización Industrial
Potenciales industrias
AcuiculturaTelemetría
ForestalMinería
Domótica
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• Reemplazo de Wifi para aplicaciones industriales y de telemetría.
• Análisis de Mantención Preventiva.• Procesamiento de combustibles y agua. Monitoreo de fugas
(agua, gas, etc). • Domótica: Automatización y sensores para sistemas de
temperatura, iluminación y movimiento.• Ingeniería Civil: Monitoreo de resistencia de estructuras.
Monitoreo de contaminación.
http://sensorsmag.com/wireless/
Aplicaciones Futuras
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¿Preguntas?Gracias
www.wiseconn.cl