LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE...
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Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones
Escuela Superior de Ingenieros
Proyecto Fin de Carrera
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO
REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
ESTUDIO TEÓRICO
Ingeniería de Telecomunicación
de Teoría de la Señal y Comunicaciones
Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
Proyecto Fin de Carrera
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO
INALÁMBRICAS DE SENSORES
ESTUDIO TEÓRICO
Ingeniería de Telecomunicación
Autor: José Carlos Reyes Guerrero
Tutor: Juan José Murillo Fuentes.
de Teoría de la Señal y Comunicaciones
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO
INALÁMBRICAS DE SENSORES:
José Carlos Reyes Guerrero.
Tutor: Juan José Murillo Fuentes.
JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO
AGRADECIMIENTOS
Sin lugar a dudas la realización de este Proyecto Fin de Carrera supone el broche a
una etapa importantísima de mi vida. Un periodo que me ha llevado a formarme como
Ingeniero de Telecomunicación.
A lo largo de todo este tiempo, muchos han sido los acontecimientos vividos.
Algunos muy buenos y otros no tanto, que han ido marcándome y haciéndome cada vez
más maduro. Es por ello por lo que me gustaría dedicar los siguientes párrafos a las
personas más influyentes en todo este tiempo.
En primer lugar, quiero dedicar este proyecto a las personas que más quiero en
esta vida, mis padres. Sin duda alguna ellos han sido los que me han apoyado con más
fuerza y en todo momento. Apoyo, cariño, confianza, optimismo y orgullo son únicamente
algunos de la infinidad de sentimientos que me han mostrado. Deciros que este no es más
que el primer paso de una carrera profesional que sin vosotros no hubiese tenido lugar.
Para mí, no existen palabras con las que agradecer realmente vuestro apoyo.
De la misma manera, quiero dedicar unas palabras a mis hermanos. A Francisco
por hacerme sentir un verdadero hermano mayor, recibiendo mis consejos y haciendo
suyas mis ideas. Y a Leonardo por sus inquietudes y ganas de vivir la vida, en ocasiones al
límite, que me han hecho aprender muchísimo.
Asimismo quiero destacar la figura de mis tíos David y María por saber expresarme
de forma tan clara sus ideas y consejos, que tanto me han ayudado. Entre tantos, gracias
por haberme ayudado en una decisión tan importante como la de afrontar esta titulación,
que a partir de ahora me dará tantas satisfacciones.
Mención especial merece Mª Teresa por ser la única que realmente me
comprende día a día, y ayudarme en mis decisiones.
Además, quiero dedicar este trabajo al resto de mi familia por su cariño. En
especial, a mi abuela, que estoy seguro que desde el cielo es capaz de compartir estos
momentos tan especiales. Gracias a ti y al abuelo por sentiros tan orgullosos de mí y
hacerme sacar fuerzas en momentos muy delicados.
Por supuesto, no me olvido de compañeros como Ale, Silva, Miguel, Luis, Paradela,
Willy, Fernando, Manolo, Javi, Carlos, y otros, a los que he tenido el placer de conocer.
Para finalizar, quiero dar las gracias a mi compañero y amigo Miguel Villagrán, y a
mi tutor de proyecto Juan José Murillo. A Miguel por su gran trabajo en este proyecto, y a
Juan José, por estar ahí en todo momento, apoyándome y guiándome en este y otros
proyectos.
Muchas gracias a todos.
I
ÍNDICE DE CONTENIDO.
CAPÍTULO 1 .................................................................................................................................... 1
1 Introducción. ......................................................................................................................... 1
2 Objetivos. ............................................................................................................................... 2
3 Estructura del proyecto. ........................................................................................................ 3
CAPÍTULO 2. SISTEMAS DE LOCALIZACIÓN EN INTERIORES .......................................................... 4
1 Problemática en interiores. ................................................................................................... 5
2 Características de los sistemas de localización...................................................................... 7
2.1 La posición física y la localización simbólica. ................................................................. 7
2.2 Absoluto contra relativo. ............................................................................................... 7
2.3 Cómputo del cálculo de localización. ............................................................................ 8
2.4 Exactitud y precisión. ..................................................................................................... 8
2.5 La escala. ........................................................................................................................ 9
2.6 El reconocimiento. ......................................................................................................... 9
2.7 El coste. ........................................................................................................................ 10
2.8 Las limitaciones............................................................................................................ 10
2.9 Propiedades deseables en entornos de interior. ........................................................ 10
3 Tecnologías de localización. ................................................................................................ 11
3.1 GPS. .............................................................................................................................. 11
3.2 RFID (Radio Frequency Identification). ........................................................................ 12
3.3 Infrarrojos. ................................................................................................................... 12
3.4 Telefonía móvil. ........................................................................................................... 12
3.5 Bluetooth. .................................................................................................................... 13
3.6 Wimax. ......................................................................................................................... 13
3.7 UWB (Ultra Wideband). ............................................................................................... 14
3.8 Wi-Fi. ............................................................................................................................ 14
3.9 Redes de Sensores Inalámbricas. ................................................................................ 15
3.10 Conclusiones. ............................................................................................................... 15
4 Técnicas de localización en Redes de Sensores Inalámbricas. ............................................ 16
5 Técnicas de estimación de distancias. ................................................................................. 18
5.1 Tiempo de llegada (ToA – Time of Arrival). ................................................................. 18
5.2 Diferencia de tiempos de llegada (TDoA - Time Difference of Arrival). ...................... 19
II
5.3 Ángulo de llegada (AoA - Angle of Arrival). ................................................................. 20
5.4 Fuerza de la señal recibida (Received Signal Stength)................................................. 21
5.5 Otros parámetros. ....................................................................................................... 23
6 Técnicas de estimación de posición. ................................................................................... 23
6.1 Técnicas geométricas. ................................................................................................. 24
6.2 Técnicas estadísticas. ................................................................................................... 26
6.3 Reconocimiento de patrones. ..................................................................................... 27
6.4 Otras técnicas. ............................................................................................................. 28
6.4.1 Análisis de la escena. ........................................................................................... 28
6.4.2 Proximidad. .......................................................................................................... 29
7 Técnicas actuales de localización en interiores. .................................................................. 30
7.1 Técnicas de localización basadas en distancias. .......................................................... 30
7.1.1 RADAR. ................................................................................................................. 30
7.1.2 Cricket. ................................................................................................................. 30
7.2 Técnicas de localización libres de distancias. .............................................................. 31
7.2.1 DV-Hop................................................................................................................. 31
7.2.2 Localización amorfa. ............................................................................................ 32
7.2.3 APIT. ..................................................................................................................... 32
CAPÍTULO 3. REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS ..................................................................... 33
1 Introducción. ....................................................................................................................... 33
2 Tipos de Redes de Sensores Inalámbricas. .......................................................................... 38
2.1 Redes de Sensores Terrestres. .................................................................................... 38
2.2 Redes de Sensores Subterráneas. ............................................................................... 38
2.3 Redes de Sensores Submarinas. .................................................................................. 39
2.4 Redes de Sensores Multimedia. .................................................................................. 39
2.5 Redes de Sensores Móviles. ........................................................................................ 40
3 Aplicaciones en Redes de Sensores Inalámbricas. .............................................................. 40
3.1 Aplicaciones militares. ................................................................................................. 41
3.2 Aplicaciones medioambientales. ................................................................................. 42
3.3 Aplicaciones en la salud. .............................................................................................. 43
3.4 Aplicaciones industriales y comerciales. ..................................................................... 43
3.5 Temas abiertos de investigación. ................................................................................ 44
4 Factores influyentes en el diseño de una Red de Sensores Inalámbrica. ............................ 44
4.1 Tolerancia a fallos. ....................................................................................................... 44
III
4.2 Escalabilidad. ............................................................................................................... 45
4.3 Costes de producción. ................................................................................................. 46
4.4 Restricciones hardware. .............................................................................................. 46
4.5 Topología de la red. ..................................................................................................... 48
4.6 Entorno. ....................................................................................................................... 49
4.7 Medio de transmisión. ................................................................................................. 49
4.8 Energía consumida. ..................................................................................................... 51
5 Sistema. ............................................................................................................................... 53
5.1 Plataforma hardware y Sistema Operativo. ................................................................ 53
5.2 Estándares. .................................................................................................................. 54
5.2.1 IEEE 802.15.4. ...................................................................................................... 54
5.2.2 Zigbee. ................................................................................................................. 55
5.2.3 WirelessHART. ..................................................................................................... 55
5.2.4 ISA100.11a. .......................................................................................................... 56
5.2.5 6LoWPAN. ............................................................................................................ 56
5.2.6 IEEE 802.15.3. ...................................................................................................... 57
5.2.7 Wibree. ................................................................................................................ 57
5.3 Almacenamiento. ........................................................................................................ 57
5.4 Bancos de pruebas. ...................................................................................................... 58
5.5 Soporte de diagnóstico y depuración de fallos. .......................................................... 58
5.6 Aspectos adicionales. .................................................................................................. 58
6 Servicios de red. ................................................................................................................... 59
6.1 Sincronización. ............................................................................................................. 59
6.2 Compresión y agregación de datos. ............................................................................ 60
6.3 Seguridad. .................................................................................................................... 60
7 Protocolos de comunicación. .............................................................................................. 60
7.1 Capa de transporte. ..................................................................................................... 62
7.2 Capa de red. ................................................................................................................. 64
7.3 Capa de enlace de datos. ............................................................................................. 65
7.4 Capa física. ................................................................................................................... 67
7.4.1 Elección del ancho de banda. .............................................................................. 68
7.4.2 Esquema de modulación. .................................................................................... 68
7.5 Interacción entre capas. .............................................................................................. 69
8 Estudio de mercado. ............................................................................................................ 70
IV
CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS DE TRABAJO .................................................. 73
1 Conclusiones. ....................................................................................................................... 73
2 Líneas futuras de trabajo. .................................................................................................... 74
GLOSARIO .................................................................................................................................... 75
BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 78
ANEXO A. ENTORNO DE TRABAJO. ............................................................................................. 81
1 Hardware. ............................................................................................................................ 81
1.1 Placa principal. ............................................................................................................. 82
1.2 Placa de sensores. ....................................................................................................... 84
1.3 Placa programadora. ................................................................................................... 84
1.4 Estación base (Gateway). ............................................................................................ 85
1.5 Tarjeta de adquisición de datos................................................................................... 86
2 Software. ............................................................................................................................. 86
2.1 TinyOS. ......................................................................................................................... 87
2.2 NesC. ............................................................................................................................ 88
2.3 Java. ............................................................................................................................. 89
2.4 Ubuntu. ........................................................................................................................ 90
ANEXO B. DESPLIEGUE RÁPIDO DE LA RED DE SENSORES EN WINDOWS XP.............................. 91
ANEXO C. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA .................................................................................. 96
V
ÍNDICE DE FIGURAS.
Figura 1. Esquema de posicionamiento remoto.......................................................................... 16
Figura 2. Localización directa (arriba) y localización en dos pasos (abajo). ................................ 17
Figura 3. Cálculo de la distancia mediante la técnica DToA. ....................................................... 19
Figura 4. Medida del AoA entre dos nodos. ................................................................................ 21
Figura 5. Circunferencia de incertidumbre originada por un nodo baliza. ................................. 24
Figura 6. Determinando la posición de un nodo desconocido mediante trilateración. .............. 24
Figura 7. Determinando la posición de un nodo desconocido mediante triangulación. ............ 25
Figura 8. Determinando la posición del nodo desconocido en un sistema híbrido. ................... 25
Figura 9. Ambigüedad en la posición triangulando tres parámetros AoA con ruido. ................. 26
Figura 10. Posible esquema de los elementos involucrados en una WSN. ................................. 37
Figura 11. Clasificación general de varios aspectos de una WSN. ............................................... 37
Figura 12. Visión general de las aplicaciones en WSNs. .............................................................. 41
Figura 13. Componentes de un nodo sensor. .............................................................................. 46
Figura 14. Arquitectura de comunicación de una WSN [22]. ...................................................... 61
Figura 15. Pila de protocolos de un nodo de una WSN. .............................................................. 61
Figura 16. MPR2600-MICAz ......................................................................................................... 82
Figura 17. Diagrama de bloques del MPR2600 ........................................................................... 83
Figura 18. Placa de sensores MTS400CA ..................................................................................... 84
Figura 19. Tarjeta de programación MIB520CB. ......................................................................... 85
Figura 20. Diagrama de operación. ............................................................................................. 85
Figura 21. Estación base .............................................................................................................. 86
Figura 22. Tarjeta de adquisición de datos MDA300CA .............................................................. 86
VI
ÍNDICE DE TABLAS.
Tabla 1. Bandas de frecuencia disponibles para aplicaciones ISM en España. ........................... 50
Tabla 2. Potencias de transmisión del CC2420 ............................................................................ 84
1
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN Y MOTIVACIÓN.
1 Introducción.
Vivimos en una sociedad con un continuo desarrollo tecnológico destinado
a mejorar el nivel de vida del ser humano. La disminución de la escala de
integración y la reducción del consumo de energía de los componentes
electrónicos ha provocado la aparición de múltiples dispositivos que antes no era
posible diseñar. Dentro de este grupo de dispositivos se encuentran las redes
inalámbricas de sensores.
En los últimos años, las redes inalámbricas de sensores han experimentado
un auge debido a la multitud de aplicaciones para las que pueden emplearse.
Control de incendios, monitorización de procesos industriales o localización son
algunas de estas aplicaciones.
Hoy día los sistemas de localización están muy extendidos entre la sociedad.
Mecanismos de guiado de vehículos, la obtención de patrones de comportamiento
en animales o la localización de condenados por violencia de género son algunos
ejemplos de sistemas empleados actualmente. Se basan en la utilización del
sistema de posicionamiento GPS para llevar a cabo su labor. El éxito de estos
sistemas de localización en exteriores basados en GPS, nos impulsa a desarrollar
sistemas análogos en entornos de interior.
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
2
JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO
El sistema GPS ha sido desarrollado durante varias décadas y se apoya en
una constelación de satélites. Sin embargo, este esquema de localización no opera
correctamente en entornos de interior, requiere de hardware costoso y, además,
no es óptimo en cuanto al consumo de energía. Por lo tanto, se hace necesario el
empleo de esquemas alternativos. De esta manera, podríamos plantearnos cuáles
tendrían que ser las características que debe reunir un sistema capaz de localizar
objetos móviles en un entorno de interior. En este sentido, debería ser un sistema
autónomo, capaz de funcionar sin apoyo de señales externas (por ejemplo, las
enviadas por los satélites), compuesto de un hardware económico y con un
reducido consumo de energía. Todas estas características convergen en un mismo
punto: las redes inalámbricas de sensores.
Actualmente, la localización en interiores es una de las áreas de mayor
interés debido a la gran variedad de aplicaciones que requieren de un sistema de
posicionamiento de personas u objetos en tiempo real. Algunos de los principales
servicios están relacionados con la monitorización de personas discapacitadas, el
control de accesos mediante la identificación de usuarios, alertar a los servicios de
emergencia en situaciones críticas, etc.
La localización de personas en interiores es un proyecto interesante en un
país como España, donde el número de personas de la tercera edad aumenta
considerablemente cada año. De seguir a este ritmo, aproximadamente a mitad de
siglo el cincuenta por ciento de la población española será anciana. Por otro lado,
el ritmo de vida actual provoca que el número de personas ancianas que viven en
soledad en pisos de reducidas dimensiones vaya incrementándose. Son personas
que no tienen un contacto continuo con sus seres queridos, de modo que para los
familiares de este sector de la población, sería deseable disponer de un sistema de
monitorización remota que mantuviese informado constantemente acerca del
comportamiento y localización de la persona.
Todas las razones que se han expuesto son las que han inspirado este
proyecto, un proyecto de localización en interiores usando redes de sensores
inalámbricas.
2 Objetivos.
Los objetivos de este PFC, se citan a continuación:
� Estudio de las tecnologías de localización existentes.
� Análisis de los productos disponibles en el mercado.
� Adquisición de una red inalámbrica de sensores.
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y MOTIVACIÓN
3
� Estudio de las técnicas de localización en redes de sensores inalámbricas y
propuesta de una de ellas de cara a una implementación posterior.
3 Estructura del proyecto.
El proyecto se encuentra estructurado en 6 capítulos que se describen a
continuación:
En el Capítulo 1 se realiza una introducción al proyecto, se fijan los objetivos
y se describe su estructura.
En el Capítulo 2 tiene lugar un estudio de los sistemas de localización en
interiores. En particular, se presenta la problemática existente en entornos de
interior, se revisan las distintas tecnologías de localización existentes y se estudian
las técnicas de localización en redes de sensores inalámbricas (WSN). En este
último estudio se propone una técnica de localización.
En el Capítulo 3 se revisa el estado actual de las redes de sensores
inalámbricas. Se presentan los tipos de redes de sensores existentes, las
aplicaciones potenciales, los factores que influyen en su diseño, los estándares
existentes y protocolos de comunicación. Además, se realiza un estudio de
mercado con el objetivo de adquirir una red para la implementación de la
aplicación de localización, objetivo de este proyecto.
El Capítulo 4 contiene las conclusiones y líneas futuras del proyecto.
Finalmente, los anexos constituyen una introducción a las herramientas
software propuestas en el proyecto:
� En el Anexo A se describe el entorno de trabajo necesario desde un punto
de vista práctico, es decir, se proponen las herramientas requeridas en una
implementación práctica futura, tanto hardware como software.
� El Anexo B detalla cómo poner en funcionamiento fácilmente la red de
sensores propuesta en este proyecto para observar su funcionamiento
usando el sistema operativo Windows.
� El Anexo C enumera los pasos necesarios para configurar el sistema
operativo Ubuntu 8.04 y poder operar con la red de sensores empleada en
este proyecto.
4
CAPÍTULO 2
SISTEMAS DE LOCALIZACIÓN EN
INTERIORES.
Recientemente se han intensificado los estudios sobre sistemas de
localización en interiores. Multitud de servicios y aplicaciones pueden ser
implementados con estos sistemas. Podemos citar, entre otros, la monitorización
de inventario en grandes almacenes, la detección de intrusos en un área
determinada, la monitorización de bomberos y mineros en situaciones de alto
riesgo, la automatización de viviendas y la monitorización de pacientes o personas
de la tercera edad.
En este contexto, se denomina estimación de posición al proceso usado
para obtener información relativa a la localización de un objeto con posición
desconocida a priori, mediante un conjunto de posiciones de referencia dentro de
un entorno predefinido. Asimismo, un sistema desplegado para determinar o
estimar la localización de una entidad se denomina sistema de localización o de
posicionamiento.
Antes de pasar a describir las tecnologías existentes y las técnicas que se
utilizan en localización actualmente, se hará una breve introducción a la
problemática existente en entornos de interior.
CAPÍTULO 2. SISTEMAS DE LOCALIZACIÓN EN INTERIORES
5
1 Problemática en interiores.
Las investigaciones destinadas a desarrollar las técnicas de localización en
interiores, se originan debido a la incapacidad del sistema GPS para localizar en
este escenario. Aunque han sido numerosos los estudios de investigación durante
los últimos años, hasta ahora ninguna de las soluciones propuestas ha conseguido
el éxito que han alcanzado los sistemas de localización y navegación análogos
empleados en exteriores, sobre todo el del citado GPS. Las razones de este fracaso
han sido técnicas y sobre todo económicas: técnicas porque la localización en
interiores plantea retos tecnológicos muy superiores a los de la localización en
espacios abiertos y económicas, porque la mayor parte de los sistemas propuestos
utilizan gran cantidad de elementos estáticos (sensores, puntos de control,
estaciones base, etc.), lo que incrementa el coste notablemente.
Para implementar aplicaciones de localización en interiores, se ha de
conseguir precisión en las estimaciones incluso en entornos cambiantes con
propagación multitrayecto y sin línea de visión directa (NLOS) entre nodos de red,
además de depender la propagación RF1 del tipo de material con el que están
construidos los objetos.
En particular, los fenómenos más importantes que sufre la señal de RF en su
propagación en interiores son:
� Atenuación por distancia: la potencia de la señal decrece con la distancia
de la forma ��, donde � es la distancia y � es la tasa de atenuación que
sufre la señal conforme se propaga. Si bien en condiciones de espacio libre
el coeficiente � toma el valor 2, en interiores, debido a fenómenos como la
absorción, alcanza valores mayores, provocando que la precisión, en la
medida de potencia, disminuya drásticamente con la distancia.
� Absorción: si aparecen obstáculos entre emisor y receptor, la atenuación es
mucho mayor que en espacio libre debido al fenómeno de la absorción,
esto es, cuando una onda se topa con un obstáculo, éste absorbe parte de
su energía. La cantidad de energía que se pierde, o mejor dicho, se
transfiere al obstáculo, es una cantidad normalmente modelada por un
factor del tipo ��, donde � es una constante dependiente del material del
obstáculo y � es la distancia.
� Reflexión: una señal propagándose por el espacio libre, al toparse con un
obstáculo pierde parte de su energía debido a la absorción, tal y como se
ha comentado antes. Además, si el obstáculo es lo suficientemente grande
1 En este PFC nos centraremos en los sistemas de localización basados en tecnología de radiofrecuencia
(RF).
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
6
JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO
en comparación con la longitud de onda de la señal, parte de la señal se
refleja, del mismo modo que hace la luz al llegar a un espejo. Dependiendo
de las características del obstáculo, la señal reflejada puede tener distinta
fase que la señal original.
� Difracción: cuando la señal se topa con el borde de un obstáculo (como por
ejemplo una esquina de la habitación), se forman frentes de onda
secundarios en todas las direcciones. Este fenómeno recibe el nombre de
difracción. El que haya mayor o menor difracción depende principalmente
del material del muro u obstáculo y, también, de la amplitud y fase de la
onda.
� Dispersión: al contrario de lo que ocurre con la reflexión, la dispersión está
causada por objetos de dimensiones pequeñas en comparación con la
longitud de onda de la señal. Éstos causan también multitud de frentes de
onda secundarios que se unen a los descritos anteriormente.
Los fenómenos de reflexión, difracción y dispersión son los responsables del
multitrayecto, esto es, entre una antena transmisora y otra receptora nunca habrá
un único camino por el que se propague la señal. Todos los frentes de onda que se
forman se suman o restan vectorialmente unos con otros, por lo que la señal
percibida en el receptor no proviene únicamente del camino más corto, ni siquiera
en el caso de que el emisor y el receptor estén en visión directa (situación conocida
como LoS, Line of Sight). Es posible que exista una zona donde no hay señal en
absoluto y a los pocos centímetros otra zona donde la potencia recibida sea muy
grande. Todo esto es debido al multitrayecto.
Existen dos tipos de multitrayecto: el especular, debido mayoritariamente a
reflexiones, y el difuso, debido a difracciones o dispersiones. El multitrayecto
difuso se puede modelar como ruido de fondo, ruido aleatorio de magnitud
pequeña en comparación con el nivel de señal. Sin embargo, el multitrayecto
especular no es tan aleatorio pero puede ser fatal para la comunicación, ya que
puede crear áreas sin señal o de sombra en las que la potencia de la señal recibida
es muy reducida. Por ello es de vital importancia controlar este último fenómeno.
A todo lo anterior, hay que añadir la posibilidad de que existan otras
transmisiones en el mismo espectro de frecuencias utilizado en la comunicación de
nuestra red, con lo cual la predicción del comportamiento de la señal es inviable,
fallando incluso los modelos más completos al pasar del marco teórico a la
realidad. Esto provoca que el problema de la localización en interiores cobre una
dimensión diferente, necesitando de soluciones alternativas.
