Redes de Sensores Inalámbricos (WSN)Hardware, herramientas, aplicaciones

Ing. Pablo Godoy

ITIC - UnCuyo

pgodoy@itu.uncu.edu.ar

Temario

Introducción a WSN. Plataformas de Hardware. Aplicaciones. Herramientas (Tesbeds) Ensayos y cálculos de consumo.

Temario

• Introducción a WSN. 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 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

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

Microcontrolador Transceptor Sensores y/o

actuadores Fuente de

alimentación

Crossbow Technology Inc.

Componentes de un nodo sensor: Microcontrolador

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

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

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.

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

PHY 802.15.4 Microcontrolador

HCS08 BeeKit/CodeWarrior

Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado

Texas Instrument: CC2430, CC2480.

Radio IEEE802.15.4 + MCU.

Transceiver ZigBee (CC2480)

IAR Embedded Workbench

TinyOS

Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado

Crossbow: TelosB; MicaZ

TelosB: CC2420 y MSP430 de TI.

Investigación. MicaZ: CC2420 y

ATMEGA 128L. Uso industrial. TinyOS

Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado

Microchip: MRF24J40MA

MRF24J40 + antena + regulador.

PHY y MAC layer de IEEE 802.15.4

Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado

Tmote sky

MSP430. CC2420. Moteiv

Plataformas de Hardware Disponibles en el Mercado

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

QuickSilver Technology, USA

Interconexión de nodos heterogeneos

Temario

• 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

Harvard University, University of New Hampshire, University of North Carolina.

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.

Aplicaciones existentes

Harvard University, University of New Hampshire, University of North Carolina.

Aplicaciones existentes

Universidad de California, Intel, CITRIS (Center for Information Technology in the Interests of Society)

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).

Aplicaciones existentes

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

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

MoteLabDesplegado 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 webUbicada 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]

-7 138

+1 156

+3 196

+5 250

Potencia [dbm]

Distancia Freescale [m]

-7 42

+1.19 103

+3 128

+3,4 140

Muchas Gracias!

pablodgodoy@gmail.com