José Ulloa Suárez Cesar León Soledispa Ingeniería WiseConn S.A.

1. José Ulloa Suárez Cesar León Soledispa Ingeniería WiseConn S.A.

2. Introducción ¿En qué consisten? Elementos Métricas Aplicaciones Problemas Estrategias ahorro de energía

3. Wireless Sensor Network • La 1ra de las 10 tecnologías emergentes en el 2003 según el MIT. • El número de empresas que fabrican sensores en un país, está considerado como un indicador tecnológico. • Integración con otras tecnologías • Agricultura, Biología, Medicina. • Posibilita aplicaciones antes impensables. • Interacción de los seres humanos con el medio.

4. ¿En qué consisten? • Dispositivos pequeños, autónomos, distribuidos geográficamente, llamados nodos sensores instalados alrededor de un fenómeno objeto para monitorizarlo, con capacidad de cómputo (realizar mediciones), almacenamiento y comunicación en una red conectada sin cable. SENSAR + CPU + RADIO = MILES DE APLICACIONES • Redes desatendidas (sin intervención humana), con alta probabilidad de fallo (en los nodos, en la topología), habitualmente construidas ad-hoc para resolver un problema muy concreto (es decir, para ejecutar una única aplicación).

5. Elementos de una WSN • Sensores • De distinta naturaleza y tecnología toman del medio la información y la convierten en señales eléctricas. • Nodo Sensor • O procesadores de radio, toman los datos del sensor a través de sus puertas de datos, y envían la información a la estación base. • Gateway • Elementos para la interconexión entre la red de sensores y una red TCP/IP por ejemplo. • Estación Base • Recolector de datos basado en un ordenador común o sistema embebido. • Red Inalámbrica • Típicamente basada en el estándar 802.15.4 ZigBee.

6. EVALUACIÓN WSN Tiempo de vida. Cobertura. Coste y facilidad de instalación. Tiempo de respuesta. Precisión y frecuencia de las mediciones. Seguridad. EVALAUCIÓN NODO SENSOR Energía Flexibilidad Robustez Seguridad Comunicación Computación Sincronización Tamaño y costo Métricas de una WSN

7. Aplicaciones con WSN • Monitorización de Entorno • Aplicación donde un científico quiere recoger lecturas de un entorno inaccesible y hostil en un período de tiempo para detectar cambios, tendencias, etc. • Monitorización de Seguridad • Aplicación para detección de anomalías u ataques en entornos monitorizado continuamente por sensores. • Tracking • Aplicación para controlar objetos que están etiquetados con nodos sensores en una región determinada. • Redes Híbridas • En general, los escenarios de aplicación contienen aspectos de las tres categorías anteriores.

8. Potenciales industrias Acuicultura Minería Forestal Telemetría Domótica Automatización Industrial

9. Problemas WSN • Optimización en el consumo de energía: • La comunicación es el principal consumidor. • CPU debe estar en estado “sleep”. • Economizar las distancias de las comunicaciones. • Técnicas de software: Programación eficiente. • Ancho de banda y cobertura de red limitados. • Recursos de hardware limitados: • Memoria • CPU • Topología dinámica de la red • Elementos móviles • Nodos con alta probabilidad de fallo • Nodos que entran en el sistema

10. Estrategias ahorro energía • Sleep • La mayor parte del tiempo. • Wakeup • Minimizar este tiempo para pasar rápidamente al estado de trabajo. • Active • Mínimo período de tiempo de trabajo y retorno inmediato al estado sleep. Estados generales de un nodo sensor

11. Arquitectura Arquitecturas propuestas Elementos lógicos y físicos Comunicación

12. Arquitectura Centralizada

13. Arquitectura Distribuida

14. Nodo Sensor Puerto Expansión (ADC, I/O) Humedad Relativa y Temperatura Antena Integrada Radiación Total y PAR Módulo de comunicación inalámbrica Puerto JTag Microcontrolador (Contiene Sistema Operativo Embebido) • IEEE 802.15.4 compatible (2.4 GHz, 250 kbps) • Bajo consumo (2 pilas AA) • Tamaño (6.3 cm x 3.2 cm) • Hasta 150 metros de alcance y 400 metros con antena externa

15. Comunicación WiMax 50 Km 200 m 802.11b ZigBee 802.11a / 802.11g Bluetooth 2 50 m Bluetooth 1 250 Kbps 2 Mbps 70 Mbps • 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.

16. Programación Sistema Operativo para WSN (TinyOS, SOS, Contiki) CC2420 (ChipCon)

17. TinyOS Características Modelo de ejecución y programación NesC Integración

18. TinyOS • Creado por la universidad Berkeley. • Para ejecutar sobre motes: mica, mica2, micadot, micaz, telos. • Diseñado específicamente para sensores en red • Capaz de manejar capacidades limitadas de HW. • Diseñado para escalar con tendencias tecnológicas de la actualidad. • Operaciones intensivas de concurrencia y garantiza atomicidad.

19. Modelo de ejecución • Basado en eventos. • Soporta altos niveles de concurrencia en poca cantidad de espacio. • Concurrencia • Tareas que se ejecutan hasta completarse en background sin interferir con otros eventos del sistema. Pueden ser interrumpidas por eventos del sistema de bajo nivel. • Proporciona mecanismos para crear exclusión mutua en secciones de código (concepto de atomicidad).

20. Modelo de Programación • Basado en componentes (módulos). • Cada módulo es diseñado para operar continuamente respondiendo a eventos de entrada (alarmas, timers, radio, etc.). • Cuando llega un evento, trae con él el contexto de ejecución requerido.

21. Tareas, Eventos y Comandos • Conjunto de Tareas • Realizan trabajo principal. • Ejecutan atómicamente respecto a otras tareas. • Ejecutan concurrentemente con otros comandos o eventos. • Conjunto de Eventos/Comandos: • Pequeña cantidad de trabajo, motivada por interrupciones de HW o señales. • Constituyen la interfaz del componente.

22. Grafo de Componentes • Programación permite: • Modularidad eficiente • Fácil composición. • Tipos de componentes: • Abstracciones de HW • Mapean HW físico en el modelo de componentes de TinyOS. Ej: RFM • Hardware sintético • Simulan el comportamiento de HW avanzado. Ej: RadioByte • Comp. De SW de alto nivel • Control, enrutamiento, transferencia de datos, cálculos, agregación de datos. Grafo de componentes para una aplicación de enrutamiento

23. Lenguaje de ProgramaciónNESC

24. NesC • Lenguaje de programación diseñado para programar componentes. • Sintaxis parecida a C (dirigido por eventos). • Semántica: • Implementación de interfaces. • Programación orientada a eventos. • Programación de componentes: • Implementación -> qué componentes se proporciona • Configuración -> qué componentes se usan para proporcionar la interfaz a un componente. APLICACIÓN = COMPONENTE 1 + COMPONENTE 2 + COMPONENTE 3 + …

25. Estructura de un componente • Lógicamente • Configuration • En general vacía. Sólo contendrá algo si se pretende crear un componente no mediante su implementación directa (en Module) sino ensamblando otros componentes ya creados. • Implementation • Define las conexiones que hay entre los diferentes componentes que usa la aplicación. • Module • Contiene la implementación del comportamiento del componente. • Físicamente (2 Ficheros) • Configuración e Implementación (miaplicacion.nc). • Módulos (miaplicacionM.nc). • Se pueden incluir librerías (.h)

26. Ejemplo de un componente