Diapositiva 1

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

• En qué consisten?
• Elementos
• Métricas
• Aplicaciones
• Problemas
• Estrategias ahorro de energía

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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.

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En qué consisten?
SENSAR CPU RADIO MILES DE APLICACIONES

• 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.

• 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).

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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.

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Métricas de una WSN

• 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

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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.

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Potenciales industrias
Domótica
Automatización Industrial
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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

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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
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Arquitectura

• Arquitecturas propuestas
• Elementos lógicos y físicos
• Comunicación

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Arquitectura Centralizada
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Arquitectura Distribuida
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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

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Comunicación

• 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.

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Programación
Sistema Operativo para WSN (TinyOS, SOS,
Contiki) CC2420 (ChipCon)
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Solución Propuesta
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TinyOS

• Características
• Modelo de ejecución y programación
• NesC
• Integración

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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.

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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).

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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.

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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.

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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
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Lenguaje de ProgramaciónNESC
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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 -gt qué componentes se proporciona
• Configuración -gt qué componentes se usan para
  proporcionar la interfaz a un componente.

APLICACIÓN COMPONENTE 1 COMPONENTE 2
COMPONENTE 3
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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)

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Ejemplo de un componente