Download Resumen 12 - Escuela Politécnica Nacional

APLICACIONES DE REDES DE SENSORES
GANCHALA LEMA KLEVER MIGUEL
ESCUELA POLITECNICA NACIONAL
ROMERO SOLIS ARMANDO PATRICIO
ESCUELA POLITECNICA NACIONAL
RESUMEN
La funcionalidad de las redes de sensores puede incluir el monitoreo de nuestro alrededor en lugares
remotos y peligrosos, con la particularidad de que muchos procesos deben ser estudiados en lugares
inaccesibles. De las investigaciones realizadas se destacan tres proyectos.
Glacsweb describe “Ambientes de redes de sensores” enfocándose a la deformación subglacial.
“Detección de radiación con redes de sensores distribuidos” con el objetivo de detectar vehículos
transportadores de isótropos radioactivos.
“Localización en un terreno urbano” que facilita la detección y localización en u terreno complejo.
La arquitectura de la red esta compuesta por sensores que recogen información a una o mas
estaciones base quienes se encargan de transmitir los datos al servidor de la red de sensores (SNS).
El proyecto Glacsweb El monitoreo de las capas de hielo y glaciales, proveen información del
calentamiento global y el cambio de clima.
Ya que todos estos datos tomados de los sensores son graficados, analizados y publicados en la
pagina de Glacsweb.
AMBIENTES DE REDES DE SENSORES
El desarrollo de la tecnología de redes
inalámbricas
y miniaturización ha hecho
posible que se tenga un monitoreo relista de los
procesos. Las redes incorporan tecnologías de
tres diferentes áreas de investigación:
sensores, comunicación y computación.
Las redes de sensores son diseñadas para
transmitir datos de un arreglo de sensores
hacia un servidor de datos.
específicos ambientales dentro de los cuales se
destacan:
El centro de investigación de redes que mide la
población de pájaros y otras especies
(UCLA's).
ARQUITECTURA
La Figura1 muestra un simple esquema de red
de sensores. Los nodos sensor recogen los
datos automáticamente y la red pasa estos
datos a una o mas estaciones base, quienes se
encargan de transportar los datos hasta llegar
hacia el servidor de red de sensores (SNS)
quien finalmente se encarga de publicar la
información hacia el mundo.
Los nodos sensor tienen poder para sobrevivir
únicamente unos pocos meses o años. Los
nodos sensor y estaciones base requieren de
movilidad por lo cual requieren sistemas de
localización y posición.
EVOLUCION
El monitoreo ambiental tiene una larga historia,
podemos citar una variedad de ejemplos que
tienen como objeto el monitoreo de parámetros
Figura1 Arquitectura en un ambiente de red de
sensores,
[email protected]
[email protected]
los
nodos
recogen
los
datos
autónomamente la red pasa los datos a las
estaciones más bajas, para luego ser transportados
al servidor de red de sensores.
El proyecto piloto (EOFS) es una observación
medioambiental modelo para el Río de
Columbia. Integra a una red de sensor de
tiempo real, un sistema de dirección de datos y
modelos numéricos avanzados. En particular
(EOFS), esta dirigido a problemas que
combinan el hábitat de salmón y otros peces,
mejoras de la navegación y restauración del
hábitat.
El Centro Envisense organiza la investigación y
el desarrollo de proyectos que aplica las
tecnologías de la informática penetrantes en el
medioambiente. Uno de los proyectos que mas
destacan es el de Glacsweb que recientemente
consta publicado en el IEEE; todo esto
incluyendo sensores de red inteligente para
prever inundaciones y un sensor colegiado
organizado (Secoas) redes para monitorear la
erosión de las costas.
El paso lógico siguiente para un ambiente de
redes de sensores es expandir el monitoreo de
mas localizaciones remotas u hostiles. Los
centros mantienen sensores Web en los
desiertos de nuevo México y la Antártica, y
planea el uso de sensores inteligentes en
Europa en ambas lunas de , Júpiter y Marte.
GLACSWEB
GLACSWEB, dirigió por Dr. Kirk Martínez de la
Escuela de Electrónica e informática, en
asociación con el Dr. Jane Hart de la
Universidad de la Escuela de Geografía.
GLACSWEB está supervisando el movimiento
del sedimento en el Glaciar de Briksdalsbreen,
en Noruega, usando una serie de sondas
inalámbricas insertada profundamente en el
hielo.
El proyecto de la investigación ha estado
corriendo durante cinco años y ha recogido
valiosos datos sobre la respuesta del glaciar al
cambio del clima. Briksdalsbreen es el glaciar
más grande de Europa.
Los proyectos Glacsweb están desarrollando
un sistema de monitoreo para un ambiente
glaciar que seria transferible a otros localidades
remotas en la tierra y en el espacio. El
monitoreo de las capas de hielo y glaciares
proveen información acerca del calentamiento
global y el cambio de clima.
[email protected]
[email protected]
Figura2 Glaciar de Briksdalsbreen, en Noruega
El sistema puede grabar automáticamente a los
glaciares bajo un área geográfica razonable y
en un tiempo relativamente largo. También
puede ser posible rentar los nodos sensor y
conocer los movimientos de tierra y sedimentos
bajo el hielo.
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
El sistema Glacsweb mostrado en la Figura 3
consiste de sensores insertados en el glaciar,
una estación base y una estación de referencia
que filtre los datos del SNS en Southampton
Inglaterra. La mayoría de las estaciones
ubicadas en el 2003 están en una capa de
sedimento de hielo de 50 – 80m de
profundidad. Como la Figura 4 muestra como el
servidor de la estación base es como un filtro
de comunicación entre las estaciones y la
estación de referencia y como el control de
operación autónoma. Esta incluye un medidor
Figura 3 Apreciación global del glacsweb. El
sistema consiste en nueve sensores insertados en el
glaciar, una estación base en la superficie del glaciar
y una estación de referencia que revela los datos al
servidor (SNS) en Southampton, Inglaterra.
Tabla 1 Glacsweb horario del sistema
NODOS SENSOR
Figura 4 Diagrama del sistema de la estación base.
La estación base sirve como un comunicador entre
los sensores y la estación de referencia y como el
controlador para el funcionamiento autónomo. Un
periférico con interfaz controla la estación base que
utiliza otros PICs para unir algunos módulos
de temperatura y sensores, un medidor de
nieve, una webcam y un sistema de
posicionamiento global (GPS) para seguir los
movimientos del hielo. En la versión 2003, los
PIC's se utilizan exclusivamente para todas las
estaciones base, para todas las funciones de
radio base la principal fuente de poder. La
entrada basada en Linux para transferir datos
actúa como el punto de referencia de posición y
graba archivos de un dGPS a los servidores de
datos en Sothampton diariamente vía ISDN.
Para sobrevivir por un año la mayoría de
sistemas usa relojes de tiempo real (RTC) para
dar poder entre lecturas. El poder permite a las
bases levantarse cada cuatro horas para poder
tomar lecturas sin embargo el canal de
comunicación es solamente abierto una vez al
día durante un sistema ancho de ventanas.
Tabla 1 muestra diariamente la secuencia de
eventos. En el fin de cada periodo, las bases y
las estaciones base configuran sus RTCs para
el siguiente tiempo de levantarse antes de
apagarse.
[email protected]
[email protected]
Figura 5 primeros sensores v2 se exhibe la nueva
electrónica interior. El agujero en la izquierda es
para los dimensiones de conductibilidad para que
nosotros podemos decir el tipo de ambiente exterior
(sobre todo si es el agua líquida)
Los electrodos y sensores son encerrados en
cápsulas cilíndricas de plástico de 10cm de
largo. Como muestra la figura 6 cada una de
estas sondas tienen 100psi de presión, una
temperatura de sensor para el control y la
reprogramación
remota,
dos
PIC
microcontroladores de lectura sensor de datos
y un almacenamiento dentro de la flash ROM.
Los Pics pueden recibir e interpretar comandos
incluyendo la reprogramación y el cambio de
horarios de tiempo.
Se realiza la comunicación con la estación
base vía tranceiver con una antena
omnidireccional. En caso de tener una
interrupción en la comunicación.
En espera las sensores solo consumen 10
micro amperios para bajas temperaturas las
sondas
tiene
poder
para
3.6-V-Ah
lithium/thionyl chloride AA bateria. El RTC
controla la eficiencia escogiendo el modo de
regulación, cada uno puede tolerar un voltaje
proveniente de las baterías.
Figura 8 Aquí es Kirk poniendo el Topcon a la
Figura 6 Diagrama del sensor. Cada sonda se
diseña para resistir temperaturas muy frías y las
interrupciones de comunicación larga
La estación base permanentemente en el hielo
devuelve señales y datos a la estación de la
referencia o vía los mensajes del texto (SMS)
en Southampton.
Figura 7 Necesita un polo vertical para sostener los
GPS, GSM y antenas del rango largas, así como
dispositivos que mide la nieve.
En su derecho usted puede ver a 4m el polo largo
que actúa como un ancla. Esto puede fundir
completamente
fuera
si
nosotros
somos
desafortunados con el tiempo.
A continuación se muestra una estación de
referencia Ésta
esta ubicada en el café
Melkevol Bretun
[email protected]
[email protected]
antena de DGPS en el tejado. Este actuará como el
punto fijo para posicionar. Se localizan un PC,
módem de la radio y receptor de DGPS en el
edificio.
COMUNICACIONES.
El ambiente glacial impone demandas de
comunicación ciertamente incluyendo
 poder de alta omnidireccionalidad de
las bases, alto rango de comunicación
entre la estación base y la estación de
referencia
 taza baja de datos
 detección de errores y corrección
 respaldo de canales
Porque la comunicación puede fallar en
cualquier punto, el Glacsweb almacena y
adelanta datos con un mecanismo de
transferencia. Las estaciones bases usan un
buffer anillo similar al de las estaciones para
asegurar que los datos fluyan cuando los
canales de comunicación estén disponibles los
enlaces del sistema en rango largo (2.5Km),
salta entre la estación base y la estación de
referencia con 500mw, 466 MHz modem radio
con manejo de construcción de errores 9.6Kbps
si es que esto falla la estación base usa un
respaldo
global
del
sistema
para
comunicaciones de telefonía móvil para enviar
datos directamente al SNS. Esto actualmente
ocurre cuando un radio modem falla en la
estación de referencia.
La inclusión de un PIC un microcontrolador
regido por la salida de uso de TCP/IP. Nosotros
divisamos un protocolo basado en paquetes
con detección de error que permite un bajo
desborde y un alto grado de experimentación
usando un multimaster bus de red topológica.
El sistema extensivo usa almacena y adelanta,
tiempo, tiempo fuera, chequeos y hace retiros y
arregla los errores de comunicación por
ejemplo
paquetes
broadcast
permite
sincronización del sistema en tiempo.
COMPUTACION.
Para crear una red de sensor, Glacsweb puede
incorporar un rango de diferentes sistemas de
computación de software:
 Microcontroladores por nodos de
sensor
 un pequeño sistema operativo por
nodo sensor
 bajo poder del sistema para la
estación base
 capacidad de enrutamiento y paso de
mensajes
 un servidor para el SNS
 software para publicar y visualizar los
servicios.
Los microcontroladores muy simples usan
sistemas operativos estándares. Dando a la
memoria pequeña disponible en un PIC.
Nosotros no optamos usar un sistema
operativo.
Muchas inalámbricas emplean redes sensor
como lo es TinyOS, el cual debería estar
menos complejo y mas fácil para mantener,
pero
los
límites
de
capacidad
de
almacenamiento
de esos sistemas hacen
dificultoso implementar algoritmos complejos.
TinyOS
Es un sistema operativo y una plataforma de
fuente abierta que apunta redes sin hilos del
sensor. Se diseña para poder incorporar la
innovación rápida así como para operatorio
dentro de los apremios severos de la memoria
inherentes en redes del sensor. TinyOS se
escribe en gran parte en C y el NESC. El NESC
es un lenguaje de programación componentebasado y es una extensión al lenguaje de
programación de C. Las aplicaciones para la
plataforma de TinyOS se escriben hacia
adentro sobre todo en el NESC.
TinyOS es desarrollado por un consorcio
conducido por la universidad de California,
Berkeley.
Estaciones base pueden estar disponibles para
comunicarse con muchos sistemas usando
ambos dispositivos como estándar y otros mas
complejos.
Los PICS no son convenientes para una red
estándar Wi-Fi, pero ellos se activan usando un
software en lugar de hardware por ejemplo RS232 bus para enlutar nosotros estamos usando
un ARM corriendo en Linux.
Un servidor Linux Xeon es la destinación de los
datos y todas las publicaciones Web un
elemento principal de las Glacsweb es la
habilidad para publicar servicios Web y
descripciones de datos que en el futuro
[email protected]
[email protected]
buscarán artefactos que puedan recoger estos
datos.
Figura 5 Lecturas de presión de la sonda 8,
la sonda dejo de transmitir los datos
después de 7 de agosto probablemente se
resbalo en el agua.
RESULTADOS PRELIMINARES
En la instalación de un sistema prototipo en
Noruega en Agosto del 2003. Antes de que
conduciéramos un radar de penetración en la
tierra para mapear los ríos que están bajo el
hielo, nosotros hicimos huecos modificándolos
con alta presión. Las estaciones base usaron
un tipo de trípode sitiado en el hielo para
colocar las antenas en el caso de que la nieve
las cubra en el invierno.
Figura 6. Resultados de la estación base.
2003. a) el voltaje de la batería aumento
durante el verano 10 vatios debido al panel
solar. b) La estación base se movió durante
los periodos calurosos pero era bastante
estableen un declive de 15 grados.
La figura 5 muestra lecturas de presión
recibidas de la estación 8 por siete días antes
de que se posesione en el glaciar. La
temperatura fue una constante 0,8º C las
lecturas (no mostraron) fueron también
constantes a través de este periodo, La
estación 8 fue posicionada aproximadamente
20metrosdentro del glaciar. La estación para de
transmitir antes del 7 de Agosto porque entra
en una zona de agua en el cráter. Bajo estas
circunstancias la comunicación es imposible
hasta que el agua hiele por el invierno, cuando
nosotros esperamos para transmitir los retrasos
de los datos.
La figura 6 ilustra los voltajes de batería y los
resultados de temperatura obtenidos desde la
estación base. La figura 6.a muestra la
fluctuación del nivel de voltaje de la batería
entre 12.5v y aproximadamente 13.5v en el
curso de 65 días. En conjunto la carga de
baterías actualmente se incremento durante el
verano a 10W paneles solares montados en la
parte superior de la estación base.
Un sensor en rojo y temperatura en azul son
las lecturas de la figura 6.b indica que la
estación base se movió durante periodos de
calma pero fueron razonablemente estable en
15º. La temperatura de los glaciales muestra un
decrecimiento durante periodo de verano
permaneciendo entre los rangos operativos de
los componentes. Nosotros fijamos el equipo
usando piedras y poleas como un respaldo. Las
lecturas de los dGPS indican que el nivel del
hielo se baja 2 metros durante el verano
confirmando que las poleas no funcionan como
piedras en un glaciar.
dGPS - diferencial GPS
A pesar de que para las actividades al aire libre
los gps actuales tienen una precisión más que
suficiente, ciertas aplicaciones de esta
tecnología requieren una precisión mayor. Esta
precisión se puede conseguir por el método
diferencial.
El concepto clave es que dos receptores
cercanos se verán afectados de igual forma por
los retrasos en la señal. Supongamos uno de
los dos receptores fijo (estación base), cuyas
coordenadas son conocidas exactamente. De
esta manera, ya que la posición del satélite es
conocida, se podrá calcular la distancia de la
estación base al satélite (rango - distancia). En
funcionamiento normal, la distancia calculada
por la estación base debido a las señales que
[email protected]
[email protected]
le llegan del satélite estará afectada de errores
(pseudorango - pseudodistancia). La diferencia
entre rango y pseudorango es el error y se
conoce como corrección diferencial.
Nosotros hemos escrito software que corre bajo
Linux para sacar archivos automáticamente de
las unidades.
Estos resultados preliminares confirman que
los sonidos bajos de la Glacsweb sistema de
arquitectura. El futuro trabaja incluyendo
diseños y sistemas de posición de medidas
para localizar estaciones y la miniaturización
mas allá de los electrónicos. La segunda
versión de este sistema será instalado en el
verano del 2004 construido con nuestras
experiencias y adicionando nuevos sensores.
DESAFIOS DE LA RED DE SENSORES
Extraer los datos por los nodos del sensor en
las situaciones remotas involucra algunos
únicos desafíos
El proyecto Glacsweb ha solucionado muchos
de estos problemas mientras contribuye a dar
un mejor entendimiento y soluciones.
Miniaturización
Porque la red sensor se despliega a menudo
en los espacios confinados, la miniaturización
puede asegurar que ellos sean discretos. El
tamaño de la antena puede ser un problema
para las radios de frecuencias bajas. Nosotros
usamos antenas de dieléctrico que miden solo
5 * 7 * 0.5mm para ahorrar el espacio así como
para sus otras propiedades. Además la
miniaturización
del
sistema
debe
ser
equilibrado con el tamaño de la batería y
requisitos de poder de radio. Nosotros usamos
montada la superficie junto con las tablas de
doble lado pero la integración extensa podría
lograrse por otros medios mientras, incluimos
una lógica programable.
Administración de potencia
El funcionamiento a largo plazo de las redes de
sensores como un GlasWeb requiere manejo
económico de potencia. En común con otros
proyectos, nosotros usamos un horario de
tiempo para el consumo mínimo de potencia y
empleando una alta eficiencia, regulado el
suministro de potencia en modo conmutado.
Las preocupaciones sobre los retrasos de
comunicación largos y confiables hicieron
arriesgado usar inicialmente un sumamente
adaptable esquema de manejo de potencia. Sin
embargo, un sistema captura el manejo de
datos y proporción de cambio y sondea las
comunicaciones ad hoc que habría, en teoría,
además disminuye la potencia de uso.
Sistemas que requieren un largo aprovechar o
tiempo de reasumir debe evitarse, cuando los
ahorros de potencia pueden volverse el factor
dominante.
Comunicaciones de radio.
Las situaciones de vientos y lluvias a menudo
impiden comunicaciones de radio confiables.
Nosotros encontramos que esos cálculos
teóricos de pérdidas de radio en el glacial de
hielo era una pobre guía para el desempeño
real. Y esto es probablemente que sea verdad
para los factores imprevisibles en otro
ambiente, por ejemplo, cambios en las hojas
que recubren en un hábitat del bosque. La
habilidad para alterar la potencia del transmisor
y el uso de bajas frecuencias o los sistemas
retroalimentados acústicos serán común en el
futuro. Las comunicaciones entre los sensores
de nodos es útil donde algunos puedan estar
fuera de su rango de la estación base, pero el
uso de energía para establecer tal redes y
grupos ad hoc puedan ser minimizados.
Escalabilidad.
Es necesario agregar grupos de sensores
regularmente así como maneja potencialmente
sistemas de números grandes. Nuestra
topología de la red inicial permitió a 256 únicos
dispositivos conectarse a una estación base.
Una ventana de comunicaciones pueda limitar
la escalabilidad porque el tiempo puede ser
insuficiente para muchos ensayos para enviar
un registro de datos. Sin embargo, en nuestro
caso los ensayos pueden simplemente enviar
mas datos el próximo día o recibir ordenes para
permanecer despierto mucho mas tiempo.
Arreglos de estaciones de base o gateways
será típicamente necesario para aumentar la
escalabilidad.
Manejo Remoto.
Porque investigadores no pueden regularmente
visitar sistemas en posiciones aisladas, el
acceso remoto es necesario para reparar de
bichos, cierre de subsistemas, cambio de
horario y así sucesivamente. En nuestro caso,
nosotros agregamos una cámara web a la
estación base para monitorear el estado físico
del sitio y el sistema. El control de la potencia
para aislar el subsistema completamente era
también esencial para el manejo de potencia
así como un trabajo a su alrededor, por
ejemplo, como la Isla Duck el proyecto
demostró, el agua puede causar corto circuitos
en los sensores. El acceso remoto de las
comunicaciones por costumbre complica
porque los registros normales y routing son
indispensables. Más desarrollo y fracaso del
software en pruebas de escenario es necesario
para lograr un buen manejo remoto.
Utilidad.
Para
ser
práctico,
los
sensores
medioambientales de trabajo en red deben
primeramente consistir los componentes fuera
del estante, esos son relativamente fáciles para
desplegar, mantenga y entienda, como muchos
los dispositivos en una red del hogar
inalámbrica.
[email protected]
[email protected]
El promedio de científicos de la Tierra no
pueden instalar los sistemas de GlacsWeb
porque esto requiere un amplio rango de
tecnología electrónica y computación con
complejos interfaces. Desarrollados estilos de
conecte y use ayudaran en esta área.
Además, los investigadores deben ser capases
de acceder a los grandes volúmenes de datos
recogidos por redes de sensores eficazmente.
El
BeanWatcher
es
una
herramienta
prometedora que esta dirigida al monitoreo y
manejo semiautomático.
Estandarización
Compatibilidad entre módulos componentes
fuera del estante como unidades dGPS y
tiempo de estaciones en el medioambiente las
redes de sensores son muy bajas, y en la
practica cada modulo integrado requiere código
separado. En algunos casos, los drivers están
disponibles para una cámara Web, por ejemplo
pero sin el sistema operativo correcto los
dispositivos son inutilizables. Un desafió a
futuro será estandarizar interfaces y incluso
algunos implementos de radio conectados a
una red de computadoras para permitir la
interoperabilidad entre productos de diferentes
vendedores de redes de sensores.
La comunidad de la investigación debe estar de
acuerdo en algunas ontologías comunes para
describir los dominios, entonces regularice
publicación de datos finales. Esto podría ser
logrado por sensores de redes conectados al
medioambiente para la Web semántica
(www.semanticweb.org).
La
GEOscience
Network. (www.geongrid.org/research.html) y
IrisNet presenta un movimiento en esta
dirección.
Seguridad.
Todos los niveles de red de sensor deben tener
en cuenta seguridad. Los sistemas deben
mezclarse en el ambiente y, cuando es
apropiado, lleva advertencias, alarmas, y otra
información. Algunas redes pueden cubrir con
la pérdida de uno o más nodos debido a
fracaso o daño, y en áreas remotas, la
seguridad física puede no ser un problema.
Además, los datos pueden necesitar protección
contra la alteración deliberada o accidental. Sin
embargo, los mecanismos de seguridad no
deben estorbar el acceso público a la
información. Un notable balance entre
seguridad y accesibilidad las ayudas asegura
que todas las fiestas puedan confiar el sistema.
Las redes de sensores ambientales ofrecen
una oportunidad de investigación interesante.
Ellos hacen esto posible, para la primera vez,
[email protected]
[email protected]
para unir un conjunto de datos de tipos
diferentes y escalas para reforzar nuestro
entendimiento de la Tierra. Sin embargo,
diseñando sustentables redes de sensores
para el ambiente natural es una tarea exigente.
Diseñando las comunicaciones, manejando la
potencia,
despliegue,
impermeabilizando,
estabilidad y diagnostico remoto todos
presentan desafíos de dificultades técnicas. En
el término largo, integrando redes de sensores
ambientales con el semántico Web puede
hacer información útil disponible globalmente.
BIBLIOGRAFIA
www.ccalmr.Ogi.edu/CORIE/about.html
http://envisense.org/glacsweb.htm
www.spectrum.iee.org/dec05/2373
www.geongrid.org/research.html
http://zdnet.com.com/2100-1105-976377.html
http://sensorwebs.jpl.nasa.gov/resourses/huntin
gton_sw31.html
www.mundogps.com/formacion/articulos
Armando Romero nacio en
la ciudad de Cayambe, sus
estudios
secundarios
los
realizo en el Instituto Superior
Central Tecnico, actualmente
es estudiante de la Carrera de
Electrónica
y
Telecomunicaciones en la
Escuela Politecnica Nacional.
Kléver Ganchala es un
estudiante de la Escuela
Politécnica Nacional de (Quito
Ecuador) estudia en la
Carrera de Electrónica y
Telecomunicaciones