ESCUELA POLITECNICA ESCUELA POLITECNICA NACIONALNACIONAL

Aplicaciones de Redes de SensoresAplicaciones de Redes de Sensores

Grupo 12Grupo 12 Integrantes:Integrantes:

Kléver GanchalaKléver Ganchala

Armando RomeroArmando Romero

IntroducciónIntroducción AmbientesAmbientes ArquitecturaArquitectura GlacswebGlacsweb

Redes de SensoresRedes de Sensores

IntroducciónIntroducción Una red de sensores puede ser útil para Una red de sensores puede ser útil para

monitorear nuestro alrededor en lugares monitorear nuestro alrededor en lugares remotos y peligrosos, con la particularidad remotos y peligrosos, con la particularidad de que muchos de estos procesos deben de que muchos de estos procesos deben ser estudiados en lugares inaccesibles. ser estudiados en lugares inaccesibles.

El desarrollo de la tecnología de redes El desarrollo de la tecnología de redes

inalámbricas y miniaturización de los inalámbricas y miniaturización de los elementos ha hecho posible que se tenga elementos ha hecho posible que se tenga un monitoreo relista de los procesos. Las un monitoreo relista de los procesos. Las redes incorporan tecnologías de tres redes incorporan tecnologías de tres diferentes áreas de investigación: diferentes áreas de investigación: sensores, comunicación y computación.sensores, comunicación y computación.

Ambientes de Redes de SensoresAmbientes de Redes de Sensores

Centro de investigación CORIE realiza una Centro de investigación CORIE realiza una observación medioambiental modelo para observación medioambiental modelo para el Río Columbia. Integra a una red de el Río Columbia. Integra a una red de sensor de tiempo real, un sistema de sensor de tiempo real, un sistema de dirección de datos y modelos numéricos dirección de datos y modelos numéricos avanzados. En general esta observación avanzados. En general esta observación medio ambiental, esta dirigida a medio ambiental, esta dirigida a problemas que combinan el hábitat del problemas que combinan el hábitat del salmón y otros peces, mejoras de la salmón y otros peces, mejoras de la navegación y restauración del hábitat. navegación y restauración del hábitat.

Ambientes de Redes de SensoresAmbientes de Redes de Sensores

(UCLA's) Fundación dedicada a la (UCLA's) Fundación dedicada a la investigación, enseñanza, y el servicio al investigación, enseñanza, y el servicio al público, realiza la investigación de redes público, realiza la investigación de redes que mide la población de pájaros y otras que mide la población de pájaros y otras especiesespecies

El Centro Envisense organiza la El Centro Envisense organiza la investigación y el desarrollo de proyectos investigación y el desarrollo de proyectos que aplica las tecnologías de la informática que aplica las tecnologías de la informática penetrantes en el medioambiente: penetrantes en el medioambiente: Glacsweb,Glacsweb, sensores de red inteligente para sensores de red inteligente para prever inundaciones, redes para prever inundaciones, redes para monitorear la erosión de las costasmonitorear la erosión de las costas

ArquitecturaArquitectura Una red de sensores esta estructurada Una red de sensores esta estructurada

básicamente de la siguiente manerabásicamente de la siguiente manera

Los nodos sensor recogen los datos Los nodos sensor recogen los datos autónomamente y la red pasa estos datos autónomamente y la red pasa estos datos a una o mas estaciones base, quienes se a una o mas estaciones base, quienes se encargan de transportar los datos hasta encargan de transportar los datos hasta llegar hacia el servidor de red de sensores llegar hacia el servidor de red de sensores (SNS) (SNS)

La Figura1 La Figura1 muestra un muestra un

simple simple esquema de esquema de

red de red de sensoressensores

GLACSWEBGLACSWEB Glacsweb describe “Ambientes de redes Glacsweb describe “Ambientes de redes

de sensores” enfocándose a la de sensores” enfocándose a la deformación subglacial.deformación subglacial.

Los proyectos Glacsweb desarrollan un Los proyectos Glacsweb desarrollan un sistema de monitoreo para un ambiente sistema de monitoreo para un ambiente glacial, que podría ser transferible a otras glacial, que podría ser transferible a otras localidades remotas en la tierra y en el localidades remotas en la tierra y en el espacio. El monitoreo de las capas de hielo espacio. El monitoreo de las capas de hielo y glaciares proveen información acerca y glaciares proveen información acerca del calentamiento global y el cambio de del calentamiento global y el cambio de clima.clima.

GLACSWEBGLACSWEB Tiene como objetivo conocer los Tiene como objetivo conocer los

movimientos de tierra y sedimentos bajo movimientos de tierra y sedimentos bajo el hielo.el hielo.

El sistema Glacsweb consiste de sensores El sistema Glacsweb consiste de sensores insertados en el glaciar, una estación base insertados en el glaciar, una estación base y una estación de referencia que filtre los y una estación de referencia que filtre los datos del (SNS), la información debe ser datos del (SNS), la información debe ser entregada diariamente. La mayoría de los entregada diariamente. La mayoría de los sensores ubicados están en una capa de sensores ubicados están en una capa de sedimento de hielo de 50 – 80m de sedimento de hielo de 50 – 80m de profundidadprofundidad

Figura 2 Figura 2 Apreciación global del glacsweb. El sistema Apreciación global del glacsweb. El sistema consiste en nueve sensores insertados en el glaciar, una consiste en nueve sensores insertados en el glaciar, una estación base en la superficie del glaciar y una estación de estación base en la superficie del glaciar y una estación de referencia que revela los datos al servidor (SNS). referencia que revela los datos al servidor (SNS). (Southampton, Inglaterra).(Southampton, Inglaterra).

La estación base es como un filtro de La estación base es como un filtro de comunicación entre los sensores y la comunicación entre los sensores y la estación de referencia y realiza el control estación de referencia y realiza el control de operación autónomo. Esta incluye un de operación autónomo. Esta incluye un medidor de temperatura, un medidor de medidor de temperatura, un medidor de nieve, una webcam y un sistema de nieve, una webcam y un sistema de posicionamiento global (GPS) para seguir posicionamiento global (GPS) para seguir los movimientos del hielo, antenas de los movimientos del hielo, antenas de corto y largo alcance un dGPS (diferencial corto y largo alcance un dGPS (diferencial de GPS de mayor presición); para de GPS de mayor presición); para sobrevivir por un año la mayoría de sobrevivir por un año la mayoría de sistemas usa relojes de tiempo real (RTC) sistemas usa relojes de tiempo real (RTC) para dar poder entre lecturas.para dar poder entre lecturas.

Estación BaseEstación Base

Figura 3 Figura 3 Diagrama del sistema de la estación base. La Diagrama del sistema de la estación base. La estación base sirve como un comunicador entre los estación base sirve como un comunicador entre los sensores y la estación de referencia y como el controlador sensores y la estación de referencia y como el controlador para el funcionamiento autónomo. para el funcionamiento autónomo.

SENSORESSENSORES

Cada una de los sensores tienen 100psi de Cada una de los sensores tienen 100psi de presión, una temperatura de sensor para presión, una temperatura de sensor para el control y la reprogramación remota, dos el control y la reprogramación remota, dos PIC microcontroladores de lectura del PIC microcontroladores de lectura del sensor de datos y una memoria ROM para sensor de datos y una memoria ROM para el almacenamiento de la información. Los el almacenamiento de la información. Los Pics pueden recibir e interpretar comandos Pics pueden recibir e interpretar comandos incluyendo la reprogramación y el cambio incluyendo la reprogramación y el cambio de horarios de tiempo.de horarios de tiempo.

SENSORESSENSORES

Se realiza la comunicación con la estación Se realiza la comunicación con la estación base vía transmisor utilizando una antena base vía transmisor utilizando una antena de corto alcance.de corto alcance.

Los sensores tiene dos estados en Los sensores tiene dos estados en transmisión y en espera. En espera los transmisión y en espera. En espera los sensores solo consumen 10 micro sensores solo consumen 10 micro amperios para bajas temperaturas los amperios para bajas temperaturas los sensores consumen 3.6-V-Ah son de sensores consumen 3.6-V-Ah son de lithium / thionyl chloride, AA. lithium / thionyl chloride, AA.

Figura 4 Figura 4 Diagrama del sensor. Cada sonda se diseña para Diagrama del sensor. Cada sonda se diseña para resistir temperaturas muy frías y las interrupciones de resistir temperaturas muy frías y las interrupciones de comunicación largacomunicación larga

Figura 5 Figura 5 primeros sensores tipo v2 se exhibe la nueva primeros sensores tipo v2 se exhibe la nueva electrónica . El agujero en la izquierda es para enviar la electrónica . El agujero en la izquierda es para enviar la información al de ambiente exterior (sobre todo si es el información al de ambiente exterior (sobre todo si es el agua líquida)agua líquida)

COMUNICACIONES.COMUNICACIONES.

El ambiente glacial impone demandas de El ambiente glacial impone demandas de comunicación ciertamente incluyendo:comunicación ciertamente incluyendo:

Poder de alta omnidireccionalidad de las Poder de alta omnidireccionalidad de las bases, alto rango de comunicación bases, alto rango de comunicación entre la estación base y la estación entre la estación base y la estación de referenciade referenciaTaza baja de datos Taza baja de datos Detección de errores y corrección Detección de errores y corrección Respaldo de canalesRespaldo de canales

Porque la comunicación puede fallar en Porque la comunicación puede fallar en cualquier punto, el Glacsweb usa un cualquier punto, el Glacsweb usa un mecanismo de transferencia. Las mecanismo de transferencia. Las estaciones bases usan un buffer anillo estaciones bases usan un buffer anillo similar al de las estaciones para asegurar similar al de las estaciones para asegurar que los datos fluyan cuando los canales de que los datos fluyan cuando los canales de comunicación estén disponibles los comunicación estén disponibles los enlaces del sistema en largo rango enlaces del sistema en largo rango (2.5Km), 500mw, 466 MHz radio MODEM (2.5Km), 500mw, 466 MHz radio MODEM con manejo de corrección de errores con manejo de corrección de errores 9.6Kbps 9.6Kbps

Si es que esto falla la estación base usa un Si es que esto falla la estación base usa un respaldo global del sistema para respaldo global del sistema para comunicaciones de telefonía móvil para comunicaciones de telefonía móvil para enviar datos directamente al SNS. enviar datos directamente al SNS.

COMPUTACION.COMPUTACION.Para crear una red de sensor, Glacsweb Para crear una red de sensor, Glacsweb

puede incorporar un rango de diferentes puede incorporar un rango de diferentes sistemas de computación de software:sistemas de computación de software:

Micro controladores por nodos de sensor.Micro controladores por nodos de sensor. Un pequeño sistema operativo por nodo Un pequeño sistema operativo por nodo

sensorsensor Bajo poder del sistema para la estación baseBajo poder del sistema para la estación base Capacidad de enrutamiento y paso de Capacidad de enrutamiento y paso de

mensajesmensajes Un servidor para el SNSUn servidor para el SNS Software para publicar y visualizar los Software para publicar y visualizar los

servicios.servicios.

Los microcontroladores muy simples usan Los microcontroladores muy simples usan sistemas operativos estándares. Dando a sistemas operativos estándares. Dando a la memoria pequeña disponible en un PIC. la memoria pequeña disponible en un PIC. En este proyecto no se opto usar un En este proyecto no se opto usar un sistema operativo.sistema operativo.

Muchas inalámbricas emplean redes sensor Muchas inalámbricas emplean redes sensor como lo es TinyOS, el cual debería ser como lo es TinyOS, el cual debería ser menos complejo y mas fácil para menos complejo y mas fácil para mantener, pero los límites de capacidad mantener, pero los límites de capacidad de almacenamiento de esos sistemas de almacenamiento de esos sistemas hacen dificultoso implementar algoritmos hacen dificultoso implementar algoritmos complejos.complejos.

RESULTADOS PRELIMINARESRESULTADOS PRELIMINARES

En la instalación de un sistema prototipo En la instalación de un sistema prototipo en Noruega en Agosto del 2003. Antes de en Noruega en Agosto del 2003. Antes de que se introdujera un radar dentro de la que se introdujera un radar dentro de la tierra para monitorear los ríos que están tierra para monitorear los ríos que están bajo el hielo, se hicieron los huecos bajo el hielo, se hicieron los huecos modificándolos con alta precisión. Las modificándolos con alta precisión. Las estaciones base usaron un tipo de trípode estaciones base usaron un tipo de trípode sitiado en el hielo para colocar las antenas sitiado en el hielo para colocar las antenas en el caso de que la nieve las cubra en el en el caso de que la nieve las cubra en el invierno.invierno.

La figura 5 muestra lecturas de presión La figura 5 muestra lecturas de presión recibidas de la estación 8 por siete díasrecibidas de la estación 8 por siete días

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

La figura 6 La figura 6 ilustra ilustra los voltajes de los voltajes de batería y los batería y los resultados de resultados de temperatura temperatura obtenidos obtenidos

desde desde la la estación estación

base.base.

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 estable en un declive de 15 grados.

DESAFIOS DE LA RED DE SENSORESDESAFIOS DE LA RED DE SENSORESExtraer los datos por los nodos del sensor en las Extraer los datos por los nodos del sensor en las

situaciones remotas involucra algunos únicos situaciones remotas involucra algunos únicos desafíosdesafíos

El proyecto Glacsweb ha solucionado muchos de El proyecto Glacsweb ha solucionado muchos de estos problemas mientras contribuye a dar un estos problemas mientras contribuye a dar un mejor entendimiento y soluciones.mejor entendimiento y soluciones.

Miniaturización.Miniaturización. Administración de potencia.Administración de potencia. Comunicaciones de radio.Comunicaciones de radio. Escalabilidad.Escalabilidad. Manejo Remoto.Manejo Remoto. Utilidad.Utilidad. Estandarización.Estandarización. Seguridad.Seguridad.

MiniaturizaciónMiniaturizaciónPorque la red sensor se despliega a menudo Porque la red sensor se despliega a menudo en los espacios confinados, la miniaturización en los espacios confinados, la miniaturización puede asegurar que ellos sean discretos. El puede asegurar que ellos sean discretos. El tamaño de la antena puede ser un problema tamaño de la antena puede ser un problema para las radios de frecuencias bajas. Se usa para las radios de frecuencias bajas. Se usa antenas de dieléctrico que miden solo 5 * 7 * antenas de dieléctrico que miden solo 5 * 7 * 0.5mm para ahorrar el espacio así como para 0.5mm para ahorrar el espacio así como para

sus otras propiedades.sus otras propiedades.

Administración de potenciaAdministración de potencia

El funcionamiento a largo plazo de las El funcionamiento a largo plazo de las redes de sensores como un GlasWeb redes de sensores como un GlasWeb requiere manejo económico de potencia.requiere manejo económico de potencia.

Se usa un horario de tiempo para el Se usa un horario de tiempo para el consumo mínimo de potencia y emplear consumo mínimo de potencia y emplear una alta eficiencia, regulado el suministro una alta eficiencia, regulado el suministro de potencia en modo conmutado.de potencia en modo conmutado.

Comunicaciones de radio.Comunicaciones de radio.

Las situaciones de vientos y lluvias a Las situaciones de vientos y lluvias a menudo impiden comunicaciones de radio menudo impiden comunicaciones de radio confiables. Se encuentra que algunos confiables. Se encuentra que algunos cálculos teóricos de pérdidas de radio en cálculos teóricos de pérdidas de radio en el glacial de hielo era una pobre guía para el glacial de hielo era una pobre guía para el desempeño real. Y esto es el desempeño real. Y esto es probablemente que sea verdad para los probablemente que sea verdad para los factores imprevisibles en otro ambientefactores imprevisibles en otro ambiente

Fotografía de una estación base

EscalabilidadEscalabilidad..

Es necesario agregar grupos de Es necesario agregar grupos de sensores regularmente así como sensores regularmente así como maneja potencialmente sistemas de maneja potencialmente sistemas de números grandes. La topología de la números grandes. La topología de la red inicial permitió a 256 únicos red inicial permitió a 256 únicos dispositivos conectarse a una dispositivos conectarse a una estación base. estación base.

Manejo Remoto.Manejo Remoto.

Porque investigadores no pueden Porque investigadores no pueden regularmente visitar sistemas en regularmente visitar sistemas en posiciones aisladas, el acceso remoto posiciones aisladas, el acceso remoto es necesario para reparar de bichos, es necesario para reparar de bichos, cierre de subsistemas, cambio de cierre de subsistemas, cambio de horario y así sucesivamente. horario y así sucesivamente.

Utilidad.Utilidad.

Para ser práctico, los sensores Para ser práctico, los sensores medioambientales de trabajo en red medioambientales de trabajo en red deben primeramente consistir los deben primeramente consistir los componentes fuera del estante, esos componentes fuera del estante, esos son relativamente fáciles para son relativamente fáciles para desplegar desplegar

EstandarizaciónEstandarización

Un desafió a futuro será estandarizar Un desafió a futuro será estandarizar interfaces y incluso algunos interfaces y incluso algunos implementos de radio conectados a implementos de radio conectados a una red de computadoras para una red de computadoras para permitir la interoperabilidad entre permitir la interoperabilidad entre productos de diferentes vendedores productos de diferentes vendedores de redes de sensores. de redes de sensores.

Seguridad.Seguridad.

Todos los niveles de red de sensor Todos los niveles de red de sensor deben tener en cuenta seguridad. deben tener en cuenta seguridad. Los sistemas deben mezclarse en el Los sistemas deben mezclarse en el ambiente y, cuando es apropiado, ambiente y, cuando es apropiado, lleva advertencias, alarmas, y otra lleva advertencias, alarmas, y otra información. Algunas redes pueden información. Algunas redes pueden cubrir con la pérdida de uno o más cubrir con la pérdida de uno o más nodos debido a daño. nodos debido a daño.