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Redes de Sensores Inalámbricos (WSN)
Hardware, herramientas, aplicaciones
Ing. Pablo Godoy
ITIC - UnCuyo
[email protected]
Temario
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Introducción a WSN.
Plataformas de Hardware.
Aplicaciones.
Herramientas (Tesbeds)
Ensayos y cálculos de consumo.
Temario
• Introducción a WSN.
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Plataformas de Hardware.

Aplicaciones.

Herramientas (Tesbeds).

Ensayos y cálculos de consumo.
Esquema completo de una WSN
Protocolos: IEEE 802.15.4
Protocolos: ZigBee
Protocolos: ZigBee
National Instruments
Temario
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Introducción a WSN.
Plataformas de Hardware.
Aplicaciones.
Herramientas (Tesbeds)
Ensayos y cálculos de consumo.
Requisitos de Hardware 1
• Bajo costo.
• Bajo consumo (energía limitada).
• El nodo debe consumir toda la energía de las
baterías (Ejemplo: Nodo con Vimin=2.7 V,
alimentado con dos baterias, V de corte=1.8 V,
dejará sin uso 50% de la energía 1).
• Robustez y confiabilidad mecánica de los nodos.
1 Joseph Polastre, Robert Szewczyk, and David Culler, University of California,
Berkeley
Requisitos de Hardware 2
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Calidad del radio enlace.
Canales de conversión analógico-digital o puertos
seriales.
Capacidad de procesamiento y memoria reducida,
pero suficiente.
Componentes de un nodo sensor
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Microcontrolador
Transceptor
Sensores y/o
actuadores
Fuente de
alimentación
Crossbow Technology Inc.
Componentes de un nodo sensor:
Microcontrolador
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Capacidad de memoria y procesamiento limitado,
pero suficiente (8 Mhz, 10Kb, 1Mb).
Modos de bajo consumo de energía (reduciendo
velocidad, voltaje o apagando perifericos sin uso).
Algunas veces embebidos en un mismo chip con la
radio (MC13213).
Ejemplos: Ember EM250, HCS08, MSP430,
ATMEGA 128L.
Componentes de un nodo sensor:
Transceptor
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El componente que más consume.
Diferentes modos de operación.
Diferentes potencias de transmisión.
Soportan la capa física del estándar 802.15.4
Opera en las bandas libre de licencia (2,4 Ghz).
Ancho de banda de 250 kbps.
Componentes de un nodo sensor:
Sensores y/o actuadores.
Activos, Pasivos

Analógicos, Digitales
El estándar IEEE 1451.4:

Standard IEEE1451 and IEEE1451.4, University of Siena, Electronics and electonic
measurements group.
Componentes de un nodo sensor: Fuente
de alimentación

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
Baterias (generalmente 2 baterías tipo AA).
Definen la vida útil del nodo.
Es necesario cuidar el capacity effect (uso de
capacitores o supercapacitores 1).
Investigación sobre harvesting energy (paneles
solares, viento, etc). Ejemplo: ZebraNet.
1 Bahareh Gholamzadeh, and Hooman Nabovati, Sadjad Institute of Higher
Education, Mashhad, Iran.
Plataformas de Hardware Disponibles en el
Mercado
Digi: XBee ZB; XBee PRO ZB, XBee y XBee-PRO
802.15.4.
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Simples de usar.
X-CTU.
Entradas analógicas
(4)
Modo sleep < 1µA
120 m – 1.5 Km
Modos AT y API.
Plataformas de Hardware Disponibles en el
Mercado
Freescale: MC13213, MC13192
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

PHY 802.15.4
Microcontrolador
HCS08
BeeKit/CodeWarrior
Plataformas de Hardware Disponibles
en el Mercado
Texas Instrument: CC2430, CC2480.
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

Radio IEEE802.15.4 +
MCU.
Transceiver ZigBee
(CC2480)
IAR Embedded
Workbench
TinyOS
Plataformas de Hardware Disponibles en el
Mercado
Crossbow: TelosB; MicaZ

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


TelosB: CC2420 y
MSP430 de TI.
Investigación.
MicaZ: CC2420 y
ATMEGA 128L.
Uso industrial.
TinyOS
Plataformas de Hardware Disponibles en el
Mercado
Microchip: MRF24J40MA
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
MRF24J40 + antena +
regulador.
PHY y MAC layer de
IEEE 802.15.4
Plataformas de Hardware Disponibles en el
Mercado
Tmote sky
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

MSP430.
CC2420.
Moteiv
Plataformas de Hardware Disponibles en el
Mercado
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
Atmel: AT86RF230
Jn5121 de Jennic
IRIS 2.4 de Crossbow
Uso de FPGA en WSN


Plataformas para prototipado rápido.
Nodos de arquitectura reconfigurable
dinámicamente.
Technische Universitat Darmstadt, Germany
Uso de FPGA en WSN
Interconexión de nodos heterogeneos
QuickSilver Technology, USA
Temario
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Introducción a WSN.
Plataformas de Hardware.
Aplicaciones.
Tesbeds
Ensayos y cálculos de consumo.
Campos de aplicación
Sensado de variables ambientales y agrícolas

Investigación

Monitoreo y control

Domótica

Ahorro energético

Seguridad

Bienestar

Comunicación

Campos de aplicación






Seguimiento médico de pacientes.
Logística.
Control de tráfico.
Aplicaciones militares y de supervivencia.
Monitoreo de desastres naturales.
Exploración de ambientes peligrosos.
Aplicaciones existentes
PinPtr (Sistema de detección de francotiradores):

Mica2 + placa propietaria con 3 sensores.

US Army MOUT (Military Operations in Urban
Terrain).

3D, 1.3 metros, latencia 2 segundos.
Institute for Software Integrated Systems, Vanderbilt University
Aplicaciones existentes
Macroscope of redwood:

Sensores de T, H y R

5 minutos, 2 metros

Mote Mica2Dot.

Sensores digitales (I2C y SPI)
y sensores analógicos (ADC).

Objetivo: Obtener un modelo
del flujo de sabía.

Dificultad con variables
direccionales.
Intel Research Laboratory at Berkeley, y Universidad de California, Berkeley
Aplicaciones existentes
MAX: sistema de búsqueda human-centric.

Los objetos son marcados con “tags”

Seguridad y privacidad

Mote Mica2.
National University of Singapore
Aplicaciones existentes
Aplicaciones industriales: mantenimiento preventivo de
equipos.

Ejemplo: red desarrollada por Intel Corporation y
Arched Rock Corp.

Basado en la detección de patrones de vibración.

Pruebas realizadas en una fábrica de
semiconductores y un tanque de combustible en el
Mar del Norte.

Mica2, Intel mote.
Aplicaciones existentes
CenWits: Sistema de búsqueda y rescate en
espacios naturales.

Universidad de Colorado.

Motes Mica2, GPS.

Transmición beacon, memoria. Access points.
LP (Location Points).
Aplicaciones existentes
Volcanic monitoring.

Colaboración con SensorWeb.

16 nodos. Sensores sísmicos e infrasónicos.

TMote Sky.

ADC de 20 bits, filtro digital 50 Hz.

2 baterias alcalinas tipo D.

Nodos detectan eventos de interés.

Volcán Tungurahua, Volcán Reventador.
Harvard University, University of New Hampshire, University of North Carolina.
Aplicaciones existentes
Harvard University, University of New Hampshire, University of North Carolina.
Aplicaciones existentes
Aplicaciones de monitoreo para la salud.

Sleep Safe: Sistema que ayuda a prevenir la muerte
súbita en bebes (motes SHIMMER y Tmote).

Baby Glove: Sistema de monitoreo de tempetaruta,
pulso e hidratación (motes SHIMMER y Tmote).
Universidad de California, Intel, CITRIS (Center for Information Technology in the
Interests of Society)
Aplicaciones existentes

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

FireLine: Sistema que detecta signos de stress
excesivo en bomberos midiendo el pulso (Tmote).
Heart@Home: Sistema de monitoreo de presión
sanguínea y ritmo cardíaco (mote SHIMMER y
Tmote).
LISTSENse: Sistema que permite detectar sonidos a
personas con problemas de audición.
ZebraNet: WSNs utilizada para seguimiento de
animales.
Aplicaciones existentes
ZebraNet 1

Seguimiento de
migraciones de animales.

GPS, microcontolador TI
MSP430F149.

Muestras cada 8 minutos,
memoria flash 2 a 4 Mbit, 1
Km, tiempo de vida de
meses.

Celdas solares.

Radio: 9XStream.
1
Universidad de Princeton, Mpala Research Center in Kenya
Temario

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


Introducción a WSN.
Plataformas de Hardware.
Aplicaciones.
Herramientas (Tesbeds).
Ensayos y cálculos de consumo.
Herramientas de evaluación
Simuladores

NS-2

OMNeT++ y Castalia.

Prowler.

OPNET

Emuladores

TOSSIM

SENSE

Testbeds

Testbeds
MoteLab

Desplegado Harvard,

Basado en web.

160 Tmote (86 Ok).

Sensores de luz, temperatura y
humedad.

Alimentado por red.

Conectados a la red Ethernet.

Indoor.
Maxwell Dworkin Laboratory, the Electrical Engineering and Computer Science
building at Harvard University
Testbeds
SensorScope:

Estaciones que miden variables ambientales.

Alimentadas por energía solar.

Interface web

Ubicada Suiza. 2 despliegues.

Estudios de medioambiente.

TinyNode (microcontrolador TI MSP430 y radio
Xemics XE1205).
Testbeds


ORBIT: 400 nodos 802.11.
SignetLab: 48 Tmote. Universidad de Padova
(Italia). Indoor.
Temario





Introducción a WSN.
Plataformas de Hardware.
Aplicaciones.
Tesbeds
Ensayos y cálculos de consumo.
Nuestro trabajo en el ITIC
Objetivos de nuestro trabajo:

Gestión remota de redes de sensores:

Interacción con Grid Computing.

Interacción con laboratorios remotos.

Interacción de plataformas de distintos
fabricantes

Aplicaciones
Trabajo realizado en el ITIC



Mediciones de consumo y vida útil
Mediciones de alcance y variación de potencia con
la distancia
Estudio de la influencia de condiciones típicas de
operación sobre el alcance.
Ensayos de consumo: Descripción
Nodo modelo: 2 sensores de temperatura LM75,
1 sensor humedad SHT71, piránometro BPW41N.

Consumo promedio: Corriente promedio (sleep,
adquisición, sensado, reporte). Reporte cada 10
minutos.
• Instrumental:
– Osciloscopio Fluke 196C.
– Multímetro Fluke 189 .
– Resistencia serie de 10 ohm.

Ensayos de consumo: gráficas
Consumo de corriente durante reporte de datos
Ensayos de consumo: Resultados


Xbee:

Iav: 10.1 µA
Freescale

Iav: 9,35 µA
Mediciones de distancia de comunicación
Potencia
[dbm]
Distancia
Xbee [m]
Potencia Distancia
[dbm]
Freescale [m]
-7
138
-7
42
+1
156
+1.19
103
+3
196
+3
128
+5
250
+3,4
140
Muchas Gracias!
[email protected]