Trabajo wsn teoría de la información y códigos 2012

Universidad de Santiago de Chile

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Eléctrica

Estado del Arte “Redes de sensores

Inalámbricos y sus

aplicaciones”

(WSN “Wirless Sensor Network”)

Curso: Teoría de la Información y Códigos

Alumno: Francisco Valenzuela Riquelme

Profesor: Héctor Kaschel Cárcamo

Santiago, Octubre de 2012

Redes de Sensores inalámbricos (WSN) Teoría de la Información y Código

1

CONTENIDO

1.- Introducción ........................................................................................................ 2

2.- ¿Qué son las redes de sensores inalámbricos (WSN)? ..................................... 3

2.1.- Caracterísiticas de las WSN ........................................................................ 3

2.2.- Orígenes de las WSN .................................................................................. 5

2.3.- Hitos importantes en las WSN ..................................................................... 6

2.3.- Desafíos de las redes sensoras .................................................................. 7

3.- Elementos de las WSN ...................................................................................... 8

3.1.- Nodos sensores ........................................................................................... 9

3.1.1.- Arquitectura de Hardware de un nodo sensor ....................................... 9

3.1.2 Arquitectura de red de un nodo sensor ................................................. 13

3.1.3.- Modelo Jerárquico de una WSN ......................................................... 14

3.1.4.- Sistemas operativos para motas ......................................................... 14

3.1.5.- Lenguajes de programación ................................................................ 18

4.- Arquitectura protocolar de una WSN ................................................................ 19

4.1.- Protocolos WSN ........................................................................................ 19

4.2.- Criterios para seleccionar un protocolo MAC ............................................ 19

4.3.- Tipos de tecnologías y estándar IEEE ....................................................... 20

4.4.- Seguridad y encriptación en las WSN ...................................................... 24

5.- Aplicaciones de las WSN ................................................................................. 25

5.1.- Aplicaciones Industriales ........................................................................... 26

5.2.- Aplicaciones Médicas ................................................................................ 28

5.3.- Domótica ................................................................................................... 29

5.4.- Entornos ambientales ................................................................................ 30

6.- Ventajas y Desventajas de las WSN ................................................................ 34

7.- Tendencia de las WSN..................................................................................... 34

8.- Conclusiones .................................................................................................... 36

9.- Referencias ...................................................................................................... 37


2

1.- INTRODUCCIÓN

Las tecnologías de redes inalámbricas han tenido un rápido desarrollo en los

últimos años. Hemos pasado de los veteranos infrarrojo (Irda) para

comunicaciones punto apunto a las WPAN de corto alcance y multipuntos como

“Bluetooth” o las redes de rango de alcance medio multisaltos como “ZigBee”.

Otras tecnologías inalámbricas que podemos nombrar son, la tecnología WIFI

para redes locales (WLAN), la tecnología “WIMAX” para redes WMAN. También

la telefonía celular de largo alcance (GPRS) o el desarrollo de las comunicaciones

M2M con tecnología inalámbrica.

El desarrollo más interesante es el de las redes de sensores inalámbricos (WSN),

debido a sus múltiples aplicaciones, en distintos sectores (seguridad, media

ambiente, industria, agricultura etc.).

Los principales analistas tecnológicos, dentro de las tecnologías inalámbricas,

valoran las redes inalámbricas de sensores (WSN) como una de las opciones de

futuro más prometedora. Fabricantes como Microsoft, Intel, IBM, Motorola y Texas

Instruments, por citar algunos, han lanzado líneas de investigación en esta

tecnología.

Las redes inalámbricas de sensores (Wireless Sensor Networks) también se

encuadra dentro de la llamada Inteligencia Ambiental (“pervasive computing,"

"ambient intelligence” = computación ubicua 1 ). El concepto "inteligencia

ambiental" es un terreno fronterizo entre los últimos avances en computación

ubicua y los nuevos conceptos de interacción inteligente entre usuario y máquina.

En el terreno práctico, la inteligencia ambiental consiste en la creación de una

serie de objetos de uso cotidiano con cualidades interactivas "suaves" y no

invasiva. El objetivo básico de la inteligencia ambiental es el dotar a objetos de

capacidades de adquisición de información (tanto del entorno físico como del

estado actual del objeto), procesamiento y comunicación, de tal forma que puedan

comunicarse entre ellos y ofrecer nuevos servicios a sus usuarios.

Por lo anterior, el objeto de este trabajo se enmarca en lo que corresponde al

estado del arte de las redes sensoras inalámbricas, otorgando al lector una visión

global de lo que es su estructura, protocolos, tecnología y aplicaciones disponibles

hoy en día.

1 Computación ubicua (ubicomp) es entendida como la integración de la informática en el entorno de la

persona, de forma que los ordenadores no se perciban como objetos diferenciados. Esta disciplina se conoce en inglés por otros términos como Pervasive computing, Calm technology, Things That Think y Everyware. Desde hace unos años también se denomina "Inteligencia ambiental"

http://es.wikipedia.org/wiki/Inform%C3%A1tica

http://es.wikipedia.org/wiki/Idioma_ingl%C3%A9s

http://es.wikipedia.org/wiki/Inteligencia_ambiental


3

2.- ¿QUÉ SON LAS REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS

(WSN)?

Las redes de sensores pueden considerarse un campo específico dentro de la

Computación Ubicua.

Este paradigma consiste en una red que es autónoma, formada por pequeños

nodos inteligentes, donde ellos mismos auto-organizan y gestionan la red (es

decir, un tipo particular de red ad-hoc2) y colaboran y cooperan para medir un

parámetro físico del entorno (temperatura, presión, humedad, datos químicos, etc.)

y, a su vez para procesar la información y hacerla circular convenientemente por la

red. Este modelo supone una visión particular de la computación ubicua que

requiere el desarrollo de dispositivos y tecnologías específicas, las cuales deben

suponer una integración en el entorno que monitorizan pero sin alterarlo.

Supone un campo de estudio en sus primeros pasos, con muchos desafío y temas

abiertos de investigación y con multitud de aplicaciones por explotar; así, por

ejemplo, en un informe de Febrero de 2003 el prestigioso Massachusets Institute

of Technology (MIT) lo cataloga como una de las diez tecnologías emergentes que

cambiarán el futuro y la propia NASA está haciendo estudios porque considera

que esta nueva disciplina puede ser adecuada para capturar parámetros físicos

necesarios para la exploración de Marte.

A continuación, se va a profundizar en los aspectos técnicos más relevantes que

caracterizan este tipo de redes y cuáles son las principales líneas de investigación

que no están resueltas.i

2.1.- CARACTERÍSITICAS DE LAS WSN

Una WSN está compuesta de un número muy elevado de nodos que se

encuentran distribuidos en el entorno donde se produce el fenómeno que se desea

monitorizar. La posición de los nodos no tiene porqué estar predeterminada y se

puede suponer que el despliegue es al azar. Además, se contempla que los nodos

sean estáticos o con baja, media o alta movilidad, según la aplicación en concreto.

Por lo tanto se requieren técnicas típicas de redes ad-hoc para el descubrimiento y

conformación de la red. Sin embargo, las WSN no son exactamente redes ad-hoc

por lo que dichas técnicas pueden ser un punto de partida pero es necesario

avanzar un paso más, para dar respuesta a su problemática particular. Las

diferencias con una red ad-hoc al uso son:

2 Una red ad hoc es una red inalámbrica descentralizada. La red es ad-hoc porque cada nodo está preparado

para reenviar datos a los demás y la que los router llevan a cabo esa función. También difiere de las redes

inalámbricas convencionales en las que un nodo especial, llamado punto de acceso, gestiona las

comunicaciones con el resto de nodos.

Las redes ad hoc antiguas fueron las PRNETs de los años 70, promovidas por la agencia DARPA del

Departamento de Defensa de los Estados Unidos después del proyecto ALOHAnet.

http://es.wikipedia.org/wiki/Red_inal%C3%A1mbrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Ad_hoc

http://es.wikipedia.org/wiki/Router

http://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_acceso

http://es.wikipedia.org/wiki/DARPA

http://es.wikipedia.org/wiki/ALOHAnet


4

- El número de nodos en una WSN puede ser varias veces mayor (miles de nodos)

y en un área dada, el número de nodos puede ser muy elevado (gran densidad).

- Un nodo dispone de unos recursos limitados y es propenso a fallos. Únicamente

logrando una cooperación y coordinación real de todos los nodos, se puede lograr

que la red en conjunto funcione correctamente.

- Un nodo sensor usa normalmente mecanismos de broadcast para comunicarse

con su entorno mientras que la mayoría de las redes ad-hoc están basadas en

comunicaciones punto a punto.

- Un nodo sensor tiene limitada su capacidad de memoria, procesamiento y se

alimentan con baterías.

- Los nodos sensores no suelen tener un identificador global, como supone una

dirección IP, por la sobrecarga computacional y de memoria que introducen y, por

definición, el elevado número de nodos sensores que hay en la red.

Figura1: Red de sensores inalámbrica ad-hoc

En resumen, las WSN están formadas por un alto número de dispositivos,

densamente distribuidos en un área, que forma una red ad-hoc multisalto, es decir,

que deben ser capaces de encaminar la información desde un origen a un destino

sin confiar en una infraestructura externa. Una característica única de estas redes

es el tipo de información que genera y la forma en que lo hace. Normalmente se

consideran dos casos: bien que la red informa de un suceso ocurrido, bien que el

usuario interroga sobre un hecho. En este último caso, lo habitual en una WSN es

que el interés del usuario no se centre en la respuesta concreta de un nodo en

cuestión, sino sobre el estado de cierto parámetro en un área determinada (por

ejemplo, la zona bajo estudio en la que la temperatura supera un cierto umbral).

Como consecuencia de esta necesidad hay que introducir un nuevo concepto, la

agregación de la información. Si todos los nodos que miden un parámetro por

encima de cierto umbral deben responder al usuario, probablemente la red se

saturará (tenemos miles de nodos con poca capacidad de procesado). Por tanto,

es necesario desarrollar técnicas para procesar la información en tránsito. De esta

manera, la información es procesada y agregada a medida que avanza por la red

hacia el destino, con lo que se reduce la carga de la red.ii


5

2.2.- ORÍGENES DE LAS WSN

Las redes de sensores provienen de la utilización de sensores durante las guerras

con la detección de los atacantes por mar. Es por esto que empezaron a utilizar el

“SONAR” (del inglés SONAR, acrónimo de Sound Navigation And Ranging,

navegación y alcance por sonido’) que es una técnica que usa la propagación

del sonido bajo el agua (principalmente) para navegar, comunicarse o detectar

otros buques. El sonar puede usarse como medio de localización acústica,

funcionando de forma similar al radar, con la diferencia de que en lugar de emitir

señales de radiofrecuencia se emplean impulsos sonoros. De hecho, la

localización acústica se uso en aire antes que el radar, siendo aun de aplicación el

SODAR (la exploración vertical aérea con sonar) para la investigación atmosférica.

Figura 2: Utilización del sonar en los barcos

El termino ≪sonar≫ se usa también para aludir al equipo empleado para generar

y recibir el sonido. Las frecuencias usadas en los sistemas de sonar van desde las

infra-sónicas a las ultrasónicas. Aunque algunos animales (como delfines y

murciélagos) han usado probablemente el sonido para la detección de objetos

durante millones de anos, el uso por parte de humanos fue registrado por vez

primera por Leonardo Da Vinci en 1490. Se decía que se usaba un tubo metido en

el agua para detectar barcos, poniendo un oído en su extremo.iii

La primera de estas redes fue desarrollada por Estados Unidos durante la guerra

fría y se trataba de una red de sensores acústicos desplegados en el fondo del

mar cuya misión era desvelar la posición de los silenciosos submarinos soviéticos,

el nombre de esta red era SOSUS (Sound Surveillance System). Paralelamente a

ésta, también EE.UU. desplegó una red de radares aéreos a modo de sensores

que han ido evolucionando hasta dar lugar a los famosos aviones AWACS, que no

son más que sensores aéreos. SOSUS ha evolucionado hacia aplicaciones civiles


6

como control sísmico y biológico, sin embargo AWACS sigue teniendo un papel

activo en las campañas de guerra.

A partir de 1980, la DARPA comienza un programa focalizado en sensores

denominado DSN (Distributed Sensor Networks), gracias a él se crearon sistemas

operativos (Accent) y lenguajes de programación (SPLICE) orientados de forma

específica a las redes de sensores, esto ha dado lugar a nuevos sistemas militares

como CEC (Cooperative Engadgement Capability) consistente en un grupo de

radares que comparten toda su información obteniendo finalmente un mapa

común con una mayor exactitud.

Estas primeras redes de sensores tan sólo destacaban por sus fines militares, aún

no satisfacían algunos requisitos de gran importancia en este tipo de redes tales

como la autonomía y el tamaño. Entrados en la década de los 90, una vez más

DARPA lanza un nuevo programa enfocado hacia redes de sensores llamado

SensIt, su objetivo viene a mejorar aspectos relacionados con la velocidad de

adaptación de los sensores en ambientes cambiantes y en cómo hacer que la

información que recogen los sensores sea fiable.

Ha sido a finales de los años 90 y principios de nuestro siglo cuando los sensores

han empezado a coger una mayor relevancia en el ámbito civil, decreciendo en

tamaño e incrementando su autonomía. Compañías como Crossbow han

desarrollado nodos sensores del tamaño de una moneda con la tecnología

necesaria para cumplir su cometido funcionando con baterías que les hacen tener

una autonomía razonable y una independencia inédita.

El futuro ya ha empezado a ser escrito por otra compañía llamada Dust Inc,

compuesta por miembros del proyecto Smart Dust ubicado en Berkeley, que ha

creado nodos de un tamaño inferior al de un guisante y que, debido a su

minúsculo tamaño, podrán ser creadas múltiples nuevas aplicaciones.iv

2.3.- HITOS IMPORTANTES EN LAS WSN

Años Eventos

1980’s Sensores distribuidos conectados mediante cables.

1993 Proyecto LWIN en la UCLA

1999-2003 Proyecto DARPA (Defense Advanced Research Project Agency)-SensIT. UC Berkeley, University Southern California, University Cornell

2001 Laboratorio de investigación de Intel se enfoca a las WSN.

2002 NSF (National Science Foundation) funda el Center for Embedded Networked Sensing.

2001-2002

Emerge la industria de las WSN; comienza con compañías tales como Sensoria, Crossbow,EmberCorp, SensiCast. Luego se instalan Intel, Bosch, Motorola, Genera lElectric, Samsung.

2003-2004 Norma IEEE802.15.4. ZigBee Alliance.

2005-2006

Establecimiento del modelo TELOS (Universidad de California Berkeley&Moteiv Corp) de sensor, que implementa totalmente el concepto de software empotrado.


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2.3.- DESAFÍOS DE LAS REDES SENSORAS

Antecedentes importantes: En 2003 la Comunidad Industrial InalámbricaI WC y

la Oficina para la Renovación y Uso Eficiente de la Energía, del Departamento de

Energíade USA, emitieron un informe conjunto denominado “Industrial Wireless

Technology forthe 21st century“ donde se indican los nuevos paradigmas

industriales para este siglo:

Mejora continua en la calidad del producto.

Costos de capital minimizados.

Vida útil del equipamiento extendida.

Operaciones en líneas de producción del tipo ráfagas.

Menores costos de operación.

Disponibilidad de equipos en continuo crecimiento.

En el informe citado se señala una serie de inconveniente que actualmente

aquejan a las instalaciones de redes cableadas. Entre ellas se citan:

Altos costos de instalación.

Altos costos de mantenimiento.

Aumentos constantes de los costos.

Alta tasa de falla en conectores.

Dificultad para detectar los problemas en conectores.

Por lo que proponen que se adopte como plataforma de comunicación a las redes

inalámbricas porque inducen:

Bajos costos de instalación y mantenimiento.

Facilidad en el reemplazo y mejoramiento.

Tasa de fallas muy baja en las interfaces físicas.

Disponibilidad amplia y absoluta en sistemas micro-electrónico-mecánicos.

Encargo rápido (rápida implementación sobre un pedido de un nuevo

dispositivo)

CONSERVACIÓN DE ENERGÍA: Debido al tamaño reducido de los nodos el

ahorro de consumo de energía es vital en este tipo de redes, ya que es casi

imposible la recarga y se pretende lograr su máxima eficiencia.

COMUNICACIONES DE BAJA CALIDAD: Se pretende aplicar sensores en

ambientes cuyas condiciones climáticas son extremas, por lo que la calidad de la

radio comunicación puede ser muy pobre, dificultando así la detección.

OPERACIÓN EN AMBIENTES HOSTILES: Se deben establecer protocolos que

sean fuertes ante posibles fallas de los sensores, debido a que los ámbitos de

acción serán ambientes hostiles que requieren nodos físicos diseñados con mucho

cuidado.

PROCESAMIENTO OBLIGADO DE LOS RECURSOS: Los recursos disponibles

son aún más críticos en este tipo de redes que en las redes ad-hoc, por lo que los

protocolos a desarrollar deberían conseguir una Calidad del Servicio lo más alta

posible.


8

3.- ELEMENTOS DE LAS WSN

Dos enfoque se han adoptados. El primero de integrar todos los componentes

(sensores, radiotransmisores y microcontroladores) en una sola placa iniciado por

Moteiv Corporation (ahora Sentilla). Tienen un menor costo de producción y

resultan más robustos en entornos duros o adversos.

La segunda aproximación comenzada por Crossbow Technology Inc. es la de

desarrollar una placa con los transceptores que se puede conectar a la placa del

microcontrolador. Esta aproximación es más flexible. Los nodos suelen estar

formados por una placa de sensores o de adquisición de datos y un “mote o mota”

(placa de procesador y transmisión/recepción de radio). Estos sensores se pueden

comunicar con un gateway, que tiene capacidad de comunicación con otros

ordenadores y otras redes (LAN, WLAN, WPAN...) e Internet.

Individualmente, podemos identificar los distintos elementos que forman parte de

una red, encontrando a:

• SENSORES: Toman del medio la información y la convierten en señales

eléctricas.

• NODOS (Motas): Toman los datos del sensor y envían la información a la

estación base.

• GATEWAY: Elementos para la interconexión entre la red de sensores y una red

de datos (TCP/IP)

• ESTACIÓN BASE: Recolector de datos basado en un ordenador común o

sistema embebido.v

Figura 3: Elementos de las WSN


9

3.1.- NODOS SENSORES

Un nodo sensor es un elemento computacional con capacidad de procesamiento,

memoria, interfaz de comunicación y puede formar conjuntos de sensores. El

Hardware básico de un nodo sensor se compone de un transceptor

(transmisor/receptor), proceador, uno o más sensores, memoria y batería. Los

componentes brindan la opción de comunicación (enviar/recibir información),

ejecutar tareas que requieren procesamiento mas allá de efectuar funciones de

sensado.

Figura 4: Estructura de un nodo sensor.

Figura 5: Estructura interna de un sensor inalámbrico inteligente.

3.1.1.- ARQUITECTURA DE HARDWARE DE UN NODO SENSOR

En general, un nodo genérico dispondrá de los siguientes bloques funcionales:

- Unidad de proceso: Por su coste, se suelen emplear microcontroladores. Está

encargado de gestionar todas las actividades del nodo entre las que destacan la

captura de datos y su procesado, labores críticas de comunicación con otros

nodos y la gestión eficiente de la energía disponible.


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- Memoria: Para realizar las funciones anteriormente mencionadas, la unidad de

proceso se apoya en el módulo de memoria (almacenamiento de datos de los

sensores, información relevante para las tareas de comunicaciones, etc.).

- Módulo sensor: se trata de un sensor o un grupo de ellos, conectados con la

unidad de proceso. Miden parámetros físicos de su entorno (temperatura, presión,

intensidad lumínica, humedad, movimiento, etc.).

- Módulo de comunicaciones inalámbricas o transceiver: Es la interfaz a través

de la cual el nodo interacciona y se comunica con sus nodos vecinos. Debido a las

restricciones son dispositivos de corto alcance (metros) y baja velocidad (varios

Kbps).

- Sistema de alimentación: Cada nodo debe estar equipado con su propia fuente

de alimentación y es el recurso que limita la vida útil del nodo y una de las

principales restricciones y requisitos de diseño. Normalmente son baterías

autónomas aunque, también se contempla el uso de placas solares.

La aplicación típica de una red de sensores sería aquella en la que existe un

destino y multitud de fuentes de datos (todos los nodos podrían comportarse como

fuentes). La información generada por los nodos debe viajar por la red hasta llegar

al destino que se encargará de comunicarla al usuario final o hacer de puente con

otra red.

Esta configuración general supone el uso de una pila de protocolos completa:

niveles de aplicación, transporte, red, acceso al medio y físico. En función de la

aplicación es posible que alguno de los niveles superiores (aplicación, transporte)

no sea necesario o sea muy simple.

La diferencia con una pila normal estará en la relación entre capas. Mientras que

en redes comunes se busca la independencia entre capas, en una WSN no se

puede aplicar este modelo ya que las restricciones son muy elevadas. Al contrario,

el objetivo es que se utilice la información de otras capas para optimizar los

recursos. Por ejemplo, el consumo energético es muy importante y los protocolos

se diseñan de manera que consuman la mínima energía posible para lo que se

tiene en cuenta parámetros del nivel físico. Por tanto, se añade un plano adicional

como mínimo, que es el de gestión de potencia.vi

Las principales casas que disponen de tecnologías para redes de sensores

inalámbricos son las siguientes:

Crosssbow: Ha estado a la vanguardia de la tecnología de sensores

inteligentes durante más de una década desarrollando plataformas de

software y hardware que dan soluciones en redes. Entre sus productos de

módulos inalámbricos podemos encontrar las plataformas Mica, Mica2,

Micaz, Mica2dot, telos, telosb, Iris e Imote2.


11

Sentilla: También llamada anteriormente MoteIV. Es la encargada de los

motes Tmote Sky y Tmote Invent.

Algunas Motas comerciales:

Figura 6: Dispositivo Tmote Figura 7: Dispositivo Telos

Figura 8: Dispositivo Mica Figura 9: Dispositivo Arduino Duemilanove


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TABLA COMPARATIVA DE MOTAS COMERCIALES


13

3.1.2 ARQUITECTURA DE RED DE UN NODO SENSOR

La estrategia tradicional de utilizar aplicaciones compactas causa gran cantidad de

problemas de integración en sistemas software complejos como pueden ser los

sistemas de gestión de una empresa o los sistemas de información integrados

consistentes en más de una aplicación. Estas aplicaciones suelen encontrarse con

importantes problemas de escalabilidad, disponibilidad, seguridad, integración...

Para solventar estos problemas se ha generalizado la división de las aplicaciones

en capas que normalmente serán tres: una capa que servirá para guardar los

datos (base de datos), una capa para centralizar la lógica de negocio (modelo) y

por último una interfaz gráfica que facilite al usuario el uso del sistema.

Un cluster está formado por nodos de cómputo y una red de comunicación.

Un nodo del cluster puede ser un ordenador convencional con su propia

memoria, sistema de I/O y su propio sistema operativo. Los nodos pueden estar

incluidos en una sola cabina (rack) o físicamente separados y conectados por una

LAN.

Figura 10: Arquitecturas de red para nodos sensores


14

3.1.3.- MODELO JERÁRQUICO DE UNA WSN

En la práctica, podemos encontrar que existen redes de sensores controladas a

través de dispositivos móviles como se muestra en la figura 11.

Figura 11: Ejemplo de un modelo Jerárquico de 3 niveles.

3.1.4.- SISTEMAS OPERATIVOS PARA MOTAS

Numerosos y variados son los sistemas operativos existentes hoy para sistemas

embebidos, mas no todos satisfacen las restricciones que imponen las Redes de

Sensores Inalámbricas, motivo por el cual muchos de ellos quedan descartados

inmediatamente.

De esta forma nuestro extenso espacio de decisión se reduce a unos pocos

elementos. A continuación se presentaran tres de los principales Sistemas

Operativos para redes de sensores, que cumplen con los requisitos.

Los tres sistemas presentan capas de abstracciones para independizar al

programador de los niveles inferiores (hardware). Mediante Drivers se comunican

aplicación y hardware, al igual que los sistemas operativos para arquitecturas x86.

El estudio se basara en como manejan las tareas y eventos que ocurren en cada

nodo.


15

Figura 12: Diagrama de topología cluster-tree de una red ad-hoc.

-PalOs: Es un sistema operativo desarrollado por la UCLA (Universidad de

California).

El modelo de ejecución se basa en que cada tarea mantiene una propia cola de

eventos. La tarea puede interactuar con una entrada o salida física. En la fase de

inicialización del programa, cada tarea registra una tarea de eventos en la

programación del sistema. Si la tarea 1 desea hablar con la tarea 2, postea un

evento en la cola de eventos de la tarea 2, usando una funcionalidad del

Scheduler (organizador o programador) del sistema, para que luego la tarea 2

capture ese evento al preguntar al Scheduler si tiene algún evento para él.

Para un correcto funcionamiento de esta estructura de software, es necesario que

un“timer” maneje la periodicidad con que una tarea registra eventos. La forma

en que se implementa es a través de una tarea “timer”. Esta posee tres colas:

1. “Cola Nexo”, encargada de interactuar con las demás tareas (recibe el envío

de otras tareas).

2. “Cola Delta”, en la cual se ordenan los distintos eventos dependiendo del

tiempo de expiración

3. “Eventos Expirados”, donde se van colocando para su posterior ejecución.

-SOS: Fue desarrollado en la Universidad de UCLA específicamente en el

“Networked and Embedded Systems Lab (NESL)”. Implementa un sistema de

mensajería que permite múltiples hebras entre la base del sistema operativo y las

aplicaciones, las cuales pasan a ser módulos que pueden ser cargadas o

descargadas en tiempo de ejecución sin interrumpir la base del sistema operativo.

Además procura remediar algunos de las limitaciones propias de la naturaleza

estática de muchos de los sistemas precursores a este (por ejemplo TinyOS).

El principal objetivo de SOS es la reconfigurabilidad. Esta se define como la

habilidad para modificar el software de nodos individuales de una red de sensores,


16

una vez que estos han sido desplegados físicamente e inicializado su

funcionamiento. En el caso de encontrar un problema, en caso de no contar con

esta solución, habría sido necesario recolectar todos los nodos para poder

modificar su software.

La capacidad de dinámicamente de agregar o remover módulos, permite la

construcción de software mucho más tolerante a fallos. Esto presenta dos grandes

ventajas: uno es el hecho de poder realizar actualizaciones de forma fácil, el otro

es la capacidad de anular el funcionamiento de algún modulo defectuoso, de algún

nodo que pertenece a la red.

Además de las técnicas tradicionales usadas en el diseño de sistemas embebidos,

las características del kernel de SOS son:

• Módulos cargados dinámicamente.

• Programación flexible de prioridades.

• Subsistema para manejo de memoria dinámica.

Las capas de abstracción de hardware y drivers son de la misma forma que para

el sistema PalOS.

-TinyOS: Fue desarrollado por la Universidad de Berkeley (California). TinyOS

puede ser visto como un conjunto de programas avanzados, el cual cuenta con un

amplio uso por parte de comunidades de desarrollo, dada sus características de

ser un proyecto de código abierto (Open Source). Este “conjunto de programas”

contiene numerosos algoritmos, que nos permitirán generar enrutamientos, así

como también aplicaciones pre-construidas para sensores.

Está escrito en base a NesC, un meta-lenguaje que se deriva de C, diseñado para

responder a las necesidades que existen en los sistemas embebidos. El método

de diseño es orientado a componentes. Cada componente usa eventos y

comandos que rápidamente permitan la transición de un estado a otro. Además

existen tareas, que solicitan el contexto de ejecución de la CPU para realizar

cómputos o procesamientos duraderos. Estas tareas se ejecutan completamente

con respecto a otras tareas, es decir, las tareas no pueden dividirse para

comenzar con otra y luego retomarlas, más si pueden ser interrumpidas

periódicamente por acontecimientos de una prioridad más alta (eventos).

Actualmente se utiliza una cola FIFO (primero en entrar, primero en salir) para el

scheduler, no obstante un mecanismo alternativo podría ser agregado fácilmente.


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Podemos comprar los 3 sistemas operativos anteriormente descritos según la

figura 13 que se muestra a continuación:

Figura 13: Tabla comparativa de sistemas operativos para motas

Otros sistemas operativos menos populares para motas son:

-CONTIKI: Es un Sistema Operativo de libre distribución para usar en un limitado

tipo de computadoras, desde los 8 bits a sistemas embebidos en

microcontroladores, incluidas motas de redes inalámbricas.

-CORMOS: Es un sistema operativo para comunicaciones de tiempo real aplicado

específicamente para redes de sensores inalámbricas

-ECOS (Embedded Configurable Operating System): Es un sistema operativo

gratuito, en tiempo real, diseñado para aplicaciones y sistemas embebidos que

sólo necesitan un proceso. Se pueden configurar muchas opciones y puede ser

personalizado para cumplir cualquier requisito, ofreciendo la mejor ejecución en

tiempo real y minimizando las necesidades de hardware.

-MagnetOS: Sistema operativo distribuido para redes de sensores adhoc, cuyo

objetivo es ejecutar aplicaciones de red que requieran bajo consumo de energía,

adaptativas y fáciles de implementar.

-EYESOS: Se define como un entorno para escritorio basado en Web, permite

monitorizar y acceder a un sistema remoto mediante un sencillo buscador.


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3.1.5.- LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN

La programación de sensores es complicada, entre otras dificultades está la

limitada capacidad de cálculo y la cantidad de recursos. Y así como en los

sistemas informáticos tradicionales encontramos entornos de programación

prácticos y eficientes para depurar código y simular.

Podemos encontrar lenguajes como:

nesC: Lenguaje que utilizamos para nuestras motas, y que está

directamente relacionado con TinyOS.

Protothreads: Específicamente diseñado para la programación

concurrente, provee hilos de dos bytes como base de funcionamiento.

SNACK: Facilita el diseño de componentes para redes de sensores

inalámbricas, sobre todo cuando la información o cálculo a manejar es muy

voluminoso, complicado con nesc, este lenguaje hace su programación más

fácil y eficiente. Luego es un buen sustituto de nesc para crear librerías de

alto nivel a combinar con las aplicaciones más eficientes.

c@t: Iniciales que hincan computación en un punto del espacio en el

tiempo (Computation at a point in space (@) Time).

DCL: Lenguaje de composición distribuído (Distributed Compositional

Language).

galsC: diseñado para ser usado en TinyGALS, es un lenguaje programado

mediante el modelo orientado a tarea, fácil de depurar, permite

concurrencia y es compatible con los módulos nesc de TinyOS.

SQTL: (Sensor Query and Tasking Language): Como su nombre indica es

una interesante herramienta para realizar consultas sobre redes de motas.


19

4.- ARQUITECTURA PROTOCOLAR DE UNA WSN

4.1.- PROTOCOLOS WSN

Los protocolos WSN comprenden las capas:

Física

Enlace de Datos

Red

Las aplicaciones de los usuarios se forman sobre la capa de red.

Figura 14: Protocolos WSN

4.2.- CRITERIOS PARA SELECCIONAR UN PROTOCOLO MAC

Escalabilidad: Las redes de sensores son por definición dinámicas, y el agregar

nodos es totalmente normal. Por tanto, debe estar preparado para trabajar con

diferentes números de nodos.

Predecir los tiempos de retrasos: Los protocolos deben contener un

mecanismo que evite tener que preocuparse del correcto funcionamiento en

función de la disposición de los nodos, proximidad, calidad del canal, entre otros.

Adaptabilidad a los cambios mencionados anteriormente.

Eficientes a la hora de gestionar la energía, como principal desafío de las redes

de sensores, la cantidad de energía utilizada en el envío, recepción de paquetes

en las redes inalámbricas es esencial, ya que a menor energía utilizada mayor

tiempo de vida para la red.

Fiables, evitando los bloqueos, la pérdida de paquetes, la desaparición de nodos

y respondiendo a interferencias o ataques externos a la red.


20

4.3.- TIPOS DE TECNOLOGÍAS Y ESTÁNDAR IEEE

Los estándares consisten en una recopilación de especificaciones que regulan la

realización de procesos para garantizar la interoperabilidad de diversos productos.

En el entorno de las comunicaciones inalámbricas podemos mencionar algunos

como:

• Bluetooth (IEEE802.15.1): permite comunicaciones radio de 720 kbps (1 Mbps

de capacidad bruta) en radios de cobertura de entre 10 y 100 metros con un

consumo de corriente de 40 mA. Los datos son sincronizados entre ordenadores,

teléfonos móviles y otros periféricos tales como impresoras, PDAs, etc.

• Wimax (IEEE802.16): permite trabajar a una tasa de transmisión de 70 Mbps en

radios de cobertura de hasta 48 kilómetros a frecuencias de 2,5 y 3,5 Ghz.

• Wifi (IEEE802.11): permite transmisiones de datos de entre 11 Mbps

(IEEE802.11b) y 54 Mbps (IEEE802.11g) y opera en las bandas de radio de 2,4 -

2,5 Ghz. 8 Localización de nodos en una red inalámbrica de sensores.

• IEEE802.15.4: permite transmisiones de datos de entre 20 a 250 kbps en radios

de cobertura de entre 10 y 75 metros soporta bandas de radio de 2400-2483,5

MHz (utilizado en todo el mundo) empleando 16 canales. También es compatible

en las bandas de 868-868,8 MHz (Europa) y 902-928 MHz (Norte América), hasta

diez canales (2003) extendidos a treinta (2006).

Este estándar define el nivel físico y el control de acceso al medio en redes

inalámbricas de área personal (LR-WPAN) y es la base de la tecnología

inalámbrica llamada Zigbee.

Las principales características de este estándar son:

• Flexibilidad en la red debido a la facilidad de integración en la red mostrada por

sus dispositivos ya que cada nodo puede iniciar su participación en la red, y el

intercambio de información se realiza sin demasiado esfuerzo de instalación.

• Bajo coste, debido al uso de componentes de coste reducido.

• Bajo consumo de energía: se trata de uno de los objetivos primordiales de este

estándar ya que al tratarse del uso de dispositivos inalámbricos, deberemos

utilizar baterías y conseguir un consumo mínimo para evitar de reponer las

baterías de manera frecuente. Para ello utilizamos una potencia de transmisión y

un radio de alcance limitados (10 y 75 metros) y además utilizando unos ciclos de

trabajos bastante bajos del orden de un 0,5%. Por ejemplo, en caso de que

utilicemos una batería de una capacidad de 750 mAh en un rango de 10 metros,

con un consumo de 10 mA de corriente en estado activo, nuestra batería podría

alcanzar una duración de dos años si el ciclo de trabajo es inferior a 0,5%.


21

En la tabla que se muestra a continuación, se realiza una comparación de los

distintos estándares disponible, en donde se muestran sus principales

características de Hardware, cobertura y aplicaciones.

A continuación se presenta un gráfico que examina las distintas tazas de

transferencias v/s el costo, complejidad y consumo de energía.

Figura 15: Caracterísiticas Normas IEEE


22

Al analizar relación señal a ruido v/s la tasa de error, encontramos que la

tecnología ZigBee es la más “robusta”, tal como puede apreciarse en la figura 16

que se muestra a continuación.

Figura 16: Relación señal a ruido (SNR) v/s Tasa de Errores por Bit (BER)

A continuación podemos observar una tabla comparativa de estándares según sus

velocidades de transferencia, cobertura y costo para el año 2008.

Figura 17: Costo de tecnologías para el año 2008


23

Los distintos canales según los estándares dispuestos actualmente los podemos

apreciar en la figura 18 que se muestra a continuación:

Figura 18: Canales IEEE

Se espera que los módulos ZigBee sean los transmisores inalámbricos más

baratos jamás producidos de forma masiva, con un coste estimado alrededor de

los 2 euros. Dispondrán de una antena integrada, control de frecuencia y una

pequeña batería.

ZigBee Alliance es una alianza, sin ánimo de lucro, de más de 100 empresas, la

mayoría de ellas fabricantes de semiconductores, con el objetivo de auspiciar el

desarrollo e implantación de una tecnología inalámbrica de bajo coste. La alianza

de empresas está trabajando codo con codo con IEEE para asegurar una

integración, completa y operativa. Los principales mercados de la ZigBee Alliance

son la automatización de viviendas, edificios y la automatización industrial.

Además de ser el estándar aceptado y utilizado por las WSN, ZigBee es un

sistema ideal para redes domóticas, específicamente diseñado para reemplazar la

proliferación de sensores y actuadores individuales. ZigBee fue creado para cubrir

la necesidad del mercado de un sistema a bajo coste, un estándar para redes

Wireless de pequeños paquetes de información, bajo consumo, seguro y fiable.


24

4.4.- SEGURIDAD Y ENCRIPTACIÓN EN LAS WSN

Las comunicaciones inalámbricas son inherentemente inseguras.

Debe tenerse en cuenta que las transmisiones pueden ser interceptadas o

modificadas por agentes maliciosos. Un atacante puede, por ejemplo, actuar como

receptor, modificar los paquetes y reenviarlos con contenido incorrecto o

modificado a su conveniencia.

En el comienzo de esta tecnología, el principal objetivo era el ahorro de potencia.

Es por esto que los protocolos creados y el software correspondiente se centraban

en esta tarea más que en proporcionar una comunicación relativamente segura.

La natural escasez de recursos que rodea a las redes de sensores inalámbricos

establece aún mayores restricciones en cuanto a las tecnologías de seguridad que

pueden ser implementadas. Por ejemplo, es casi imposible proveer a los nodos

con un sistema de clave pública/clave privada debido a su pequeño poder

computacional y a su limitada memoria disponible.

La transmisión de un bit de datos equivale en gasto de potencia a la ejecución de

entre 800 y 1000 instrucciones, por lo que redundancias introducidas por

mecanismos de seguridad es inaceptable. Por lo tanto, no es factible implementar

un sistema con un medio-alto grado de complejidad o que agregue demasiadas

redundancias.

El método que se utiliza excluyentemente es la encriptación por clave simétrica

(por ser relativamente sencillo de implementar). Aún así, estos algoritmos deben

ser implementados cuidadosamente. Actualmente existen dos protocolos que

cumplen esta función: μTESLA y SNEP. El primero provee autenticación, mientras

que el segundo provee confidencialidad, autenticación y frescura.

La encriptación a nivel enlace y los mecanismos de autenticación mencionados, si

bien proveen un nivel básico de seguridad contra intrusos de pequeño poder

computacional, no son suficiente protección contra ataques de mayor escala. El

diseño de protocolos seguros para redes de sensores inalámbricos es un área que

todavía se encuentra en desarrollo.


25

5.- APLICACIONES DE LAS WSN

Como se mencionó anteriormente, la tecnología y norma más empleada a la hora

de realizar comunicaciones inalámbricas es ZigBee, ZigBee Alliance ha

conformado nueve grupos de trabajo para desarrollar esta tecnología. En este

trabajo trataremos de sintetizar algunas aplicaciones de distintos campos que

están actualmente en desarrollo y las futuras por desarrollar.

El estándar ZigBee originalmente desarrollado para la domótica por ZigBee

Alliance, fue actualizado y publicada una nueva versión (Release 17) en el año

2007 con el nombre de ZigBee PRO. La diferencia básica entre las dos versiones,

consiste en la capacidad de ZigBee PRO de aceptar distintas topologías de red,

mientras que ZigBee 1.0 no las soportaba. Las dos versiones comparten la misma

capa física y capa MAC. Al iniciar operación un dispositivo ZigBee, este realiza un

escaneo entre los 16 canales disponibles y establece la comunicación entre los

dispositivos utilizando el mismo canal. Solo se tendrá en cuenta en esta

explicación la frecuencia de 2.4 GHZ.

Si una interferencia interrumpe el canal establecido entre los dispositivos ZigBee, estos vuelven nuevamente a escanear el espectro disponible para establecer comunicación por otro canal. Esta situación puede presentarse cuando los sensores coexisten al mismo tiempo con sistemas de Wi-Fi en sus cercanías. En la figura 19 puede observarse una típica topología de red, donde los routers y coordinadores son dispositivos de función completa (FFD, Full Function Device) y los sensores finales son dispositivos de función reducida (RFD, Reduced Function Device) ambos por sus siglas en inglés.

Figura 19: Topología de red FFD y RFD ZigBeePro


26

5.1.- APLICACIONES INDUSTRIALES

Las tecnologías inalámbricas poseen grandes ventajas sobre las redes cableadas:

la posibilidad de un despliegue rápido de los sensores sin tener que instalar

grandes longitudes de cable. Fuera de los costos asociados por este concepto,

están los problemas de acondicionamiento de señal en grandes distancias, donde

es necesario utilizar acopladores y amplificadores para el acondicionamiento de

señal. Por las anteriores razones ZigBee ha ganado un camino importante en la

industria.

La arquitectura típica de una red industrial de sensores con ZigBee, lo usa como el

primer elemento de la red. La convergencia de servicios es la tendencia en las

redes de hoy y los sensores inteligentes hacen que esta tarea sea más eficiente.

Como se mencionó unas líneas atrás, los dispositivos ZigBee se pueden

configurar de dos formas: como FFD ó como RFD. Los routers y coordinadores

son dispositivos que necesariamente deben estar conectados en forma continua y

necesitan enviar información en tiempo real. Los dispositivos finales o de función

reducida RFD, solo se conectan en el momento que es necesario enviar la

información de alguna señal, como por ejemplo en variables lentas como

temperatura o nivel que son enviadas cada cierto intervalo de tiempo. Pero en el

momento que es necesario enviar una información urgente el RFD debe salir del

modo SLEEP y pasar al modo ON. De la misma forma los coordinadores y routers

darán prioridad a esta señal de emergencia y la enviarán de inmediato a través de

la red para que el sistema envíe de vuelta la acción correctora.

En la figura 20 observamos la estructura de una red de sensores para una planta

de producción. Los sensores ZigBee están ubicados como elemento primario de

medida inteligente monitoreando los procesos más críticos: por ejemplo, los

niveles de corriente de los motores, su temperatura de operación, etc. Estos se

comunican directamente con el dispositivo coordinador o router quién se encarga

de hacer llegar la información a un dispositivo Gateway por medio de una interface

que convierte la información en un protocolo que viaje por la red cableada (por

ejemplo IEEE 485 ó RS 232). El Gateway se comunica con una red Ethernet ya

sea por cable de cobre o fibra óptica con el sistema de Gestión y Monitoreo de la

planta, que a su vez se comunica por Internet a través de túneles virtuales seguros

VPN, con otras plantas satélites de ser necesario.


27

Figura 21: Esquema General de una red de sensores industrial

Específicamente, la empresa National Instrument™ tiene desarrollado un completo

sistema de control para motores y máquinas en ambientes industriales, el cual han

denominado “Detección y Diagnóstico de Fallas por Medición y Análisis de

Vibraciones”, el cual revisaremos a través de las siguientes imágenes que intentan

mostrar las partes y estructura de una red de sensores en un ambiente industrial,

además de incluir algunas motas y estación base comerciales.

Figura 22: Control industrial usando WSN National Instrument ™


28

5.2.- APLICACIONES MÉDICAS

Las aplicaciones médicas son uno de los campos donde más se espera el

desarrollo esta tecnología. No solo en el campo del monitoreo sino en el cuidado y

bienestar de las personas.

Se plantea la integración y convergencia con otros tipos de redes que puede ser la

Ethernet o las redes celulares de nueva generación como UMTS y LTE.

ZigBee se define como una Tecnología de Asistencia (AT) en los campos de la

salud y el bienestar. Una definición actualizada de AT fue formulada en 2001:

Tecnología de Asistencia es cualquier producto o servicio diseñado para permitir

independencia para las personas mayores o con discapacidadXVI, definición que

fue adoptada por los autores de la Unión Europea SOPRANO , Revisión del

Estado del Arte y Análisis de Mercado Disponible, celebrado en mayo de 2007.

Teniendo en cuenta la anterior definición, los fabricantes de equipos médicos

pretenden crear una nueva generación de estos que puedan realizar medidas de

variables médicas automáticamente sin la intervención del paciente. Esto es

posible con la tecnología ZigBee, pues a diferencia de otras tecnologías como el

Bluetooth o el Wi-Fi, ZigBee puede funcionar sin necesidad de estar sincronizado,

lo que redunda en un consumo de energía muy eficiente aumentando la duración

de las baterías.

Los datos de los signos vitales del paciente podrán ser monitoreados en tiempo

real si el paciente lo amerita o en intervalos que pueden ser programados por los

médicos. Si en determinado momento los niveles de presión arterial, frecuencia

cardiaca, temperatura, glucosa en sangre (medida por métodos ópticos no

invasivos) o cualquier otra variable biológica susceptible de monitoreo, alcanza

valores por encima o por debajo de los valores normales, el dispositivo enviará

una alarma que puede ser llevada hasta el centro médico. Nuevamente la

importancia de ZigBee radica no en trabajar aislada de otras tecnologías sino

logrando su integración por diferentes medios de acceso para lograr una

convergencia de redesXVII.

Para este propósito es necesario implementar interfases adecuadas o gateways

que permitan la comunicación con otras redes. Es sabido que la propagación de la

tecnología ZigBee es afectada por diferentes factores aún a pesar de su

inmunidad al ruido y a otras frecuencias interferentes que están en el mismo

rango, lo que afecta su cubrimiento en algunos espacios.


29

En la figura 23 se puede apreciar algunos de los equipos que en este momento se

encuentran en desarrollo. Muchos de ellos están ya en su fase final de

experimentación como se menciona en el proyecto Code Blue de la Universidad

de Harvard, donde se integran varias tecnologías entre ellas ZigBee, para ofrecer

una arquitectura común que pueda ser utilizada para el cuidado de la salud en

situaciones de emergencia.

Figura 23: Dispositivos para el monitoreo de la enfermedades crónicas. Imagen

tomada de www.zigbee.org

5.3.- DOMÓTICA

Su tamaño, economía y velocidad de despliegue, lo hacen una tecnología ideal

para domotizar el hogar a un precio asequible.

Figura 24: Posibilidades de domótica ZigBee. Imagen tomada desde

www.zigbee.org

http://www.zigbee.org/

http://www.zigbee.org/


30

5.4.- ENTORNOS AMBIENTALES

Entornos ambientales tales como bosques u océanos que se requiere tener un

control de diversos parámetros tales como temperatura, humedad entre otras. De

esta manera también se puede detectar y prevenir condiciones climáticas

adversas.

Figura 25: Red de Sensores en la Oceanografía.

Los sensores se emplean para el medio ambiente en el caso de incendios

forestales, detección de inundaciones y exploración de animales en su hábitat

natural.

En el caso de monitoreo del medio ambiente se tiene un experimento de la

conservación de la fauna mediante el sensado de intrusos (humanos, animales u

otros depredadores) automatizado en la isla de Great Duck, en las costas del

estado de Maine en el noreste de los Estados Unidos.

Figura 26: Vista aérea de la Isla.


31

Un equipo de ingenieros de la Universidad de California (Berkely), monitorean el

comportamiento de las aves en sus nidos durante ciertas temporadas. Esto

mediante nodos inalámbricos que reportan la información obtenida de estas aves

denominadas petrels3.

Con esto, es posible que un grupo de biólogos del Colegio Atlántico, observen la

actividad de los petrels en dicha isla desde el confort de sus oficinas mediante el

enlace satelital que permite la comunicación de los nodos con la base en

California y de vuelta al estado de Maine. Los parámetros de estudio fueron la

cantidad de luz que penetra en los nidos, la temperatura a la que se encuentran

con o sin la presencia de las aves, y la humedad.

En la figura 27 se observan las posiciones donde los sensores son desplegados.

Figura 27: Distribución de los sensores

En el caso del monitoreo de los glaciares para entender el cambio climático que

involucra un cambio del nivel del mar debido al calentamiento global, es

importante entender como los glaciares contribuyen en la liberación de agua

fresca al mar. Esto puede causar altos crecimientos del nivel del mar y grandes

cambios en la temperatura y por lo tanto en las mareas marinas. El

comportamiento de un glaciar y sobre todo de su movimiento puede llevarnos a

predecir cambios futuros en su comportamiento.

Durante el verano de 2004 fue estudiado el comportamiento del glaciar

Briksdalsbreen en Noruega por medio de redes de sensores inalámbricas. El

objetivo fue entender la dinámica del glacial con respecto al cambio climático.

3 Los proceláridos (Procellariidae) son una familia de aves marinas pelágicas del orden de las Procellariiformes que

agrupa a los petreles (o patines),pardelas, fardelas, abantos marinos, fulmares y patos petreles. Forman un grupo de aves propias de los mares fríos, estrechamente emparentadas con los albatros, paíños y potoyuncos. La distribución natural de los petreles, y sobre todo del petrel gigante antártico (Macronectes giganteus), es bien extensa, comprendiendo todos los mares del hemisferio sur, desde las costas de la Antártida hasta el trópico de Capricornio.

http://es.wikipedia.org/wiki/Familia_(biolog%C3%ADa)

http://es.wikipedia.org/wiki/Aves

http://es.wikipedia.org/wiki/Ave_marina

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http://es.wikipedia.org/wiki/Diomedeidae

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http://es.wikipedia.org/wiki/Pelecanoides

http://es.wikipedia.org/wiki/Macronectes_giganteus

http://es.wikipedia.org/wiki/Hemisferio_sur

http://es.wikipedia.org/wiki/Ant%C3%A1rtida

http://es.wikipedia.org/wiki/Tr%C3%B3pico_de_Capricornio


32

Finalmente, podemos observar en la figura 27, el esquema correspondiente a la

monitorización de las condiciones en una selva tropical.

Figura 27: Monitorización en la selva tropical.

A modo de resumen, se presenta la siguiente imagen que resume las

posibilidades actuales de ZigBee.


33

La figura 28 nos muestra las posibilidades de desarrollar aplicaciones bajo

distintas redes y tecnologías disponibles.

Figura 28: Comparación de estándares inalámbricos disponibles para WSN

Según el gráfico anterior, observamos que ZigBee ofrece enormes prestaciones a

corto alcance; sin embargo, se espera que muy pronto se logren combinar

fácilmente las distintas redes inalámbricas, logrando que la distancia no sea una

limitación.

Las aplicaciones actuales y las que están en desarrollo hacen pensar que el uso

de esta tecnología se incrementará de manera exponencial en los próximos años

por su alta versatilidad.


34

6.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS WSN

Dentro de las ventajas que encontramos en las WSN, podemos mencionar las

siguientes

- Tiempo de vida

- Cobertura

- Costos y facilidad de instalación

- Tiempo de Respuesta

- Bajo consumo de potencia

- Precisión y frecuencia de las mediciones

- Seguridad (aún es un campo en desarrollo, sin embargo han logrado introducirse

algoritmos criptográficos que proveen de seguridad y eficiencia a la red).

Algunas restricciones las encontramos en:

- Energía, capacidad de cómputo, memoria

- Redes desatendidas (sin intervención humana), con alta probabilidad de fallo, lo

cual se desea aminorar con el monitoreo de estas.

7.- TENDENCIA DE LAS WSN

Las características de flexibilidad, movilidad, alta fidelidad en sensorización, bajo

coste y rápido despliegue de las WSN crean muchas nuevas áreas de aplicación

interesantes para la sensorización remota. En el futuro, este amplio rango de

áreas de aplicación hará de las redes de sensores una parte integral de nuestras

vidas.

Sin embargo, la realización de las redes de sensores debe satisfacer las

restricciones introducidas por factores como la tolerancia a fallos, escalabilidad,

coste, hardware, cambios en la topología, entorno y consumo energético. Puesto

que estas restricciones son muy exigentes y específicas de las redes de sensores,

se requieren nuevas técnicas para este tipo de redes. En la actualidad hay

muchos investigadores involucrados en el desarrollo de tecnologías necesarias

para las diferentes capas de la pila de protocolo de las redes de sensores.

Además de estos proyectos, se requiere más trabajo en los problemas descritos y

más desarrollos para solucionar los temas de investigación abiertos que hemos

estado viendo en este capítulo.

Debemos tener en cuenta que estamos tratando con una tecnología bastante

reciente en la que hay muchos diseños pero pocos “funcionan”, no existe lo que se

llama una killer application que cree una nueva forma de mercado (como fue la

tecnología móvil) y que el 99% de las redes son cableadas.


35

Si resumiéramos los factores que están actualmente impidiendo el desarrollo

deberíamos resaltar:

• No existen tendencias claras de SO o plataformas hardware.

• Falta de estándares o protocolos comunes.

• Limitación de recursos: energía, capacidad de CPU, memoria.

• David Culler: “The lack of an overall sensor network architecture” (La falta de una

arquitectura general para redes de sensores).

Sin embargo, hay mucho trabajo por hacer en todos estos aspectos. Tanto a nivel

físico, como de computación: sistemas operativos, algoritmos distribuidos, etc.

como de comunicación: protocolos de enrutamiento, mantenimiento de la

topología, descubrimiento de vecinos, etc.

Cada vez van saliendo nuevas soluciones que permiten mejorar cada uno de

estos apartados. Por ejemplo, una posible solución distribuida sería la creación de

Middleware, que establezca una interoperabilidad entre los sistemas operativos y

una aplicación, de tal forma que proporcione interfaces de alto nivel para

enmascarar la complejidad de las redes y protocolos o que permita a los

desarrolladores centrarse en cuestiones específicas de la aplicación.

En un futuro no muy lejano veremos cómo las redes de sensores empezarán a

verse en todo tipo de aplicaciones como las que hemos visto en este capítulo y en

muchas más que irán surgiendo. Problemas como las limitaciones de memoria o

procesador irán desapareciendo con las nuevas nanotecnologías y MEMs, lo que

permitirá bajar mucho más el consumo de potencia, alargar la vida de los nodos y

quizá cambiar la perspectiva de estas redes hacia nuevos campos de actuación.

Figura: Características deseables en WSN


36

8.- CONCLUSIONES

Tras haber estudiado a fondo las redes de sensores inalámbricos observamos que

son una mejora bastante evidente frente a las tradicionales redes wireless, debido

a varios factores como son: la durabilidad del tiempo de vida de las baterías, lo

cual permite una mayor portabilidad de los nodos sensores y que estos puedan

registrar mayores sucesos al poder permanecer más tiempo en ciertos lugares, los

protocolos de encaminamiento de las redes de sensores permiten que aparte de

ganar en cuanto a durabilidad también se gane en eficiencia a la hora de evitar

colisiones entre paquetes, lo que asegura también un menor número de tráfico

innecesario en la red, y en cuanto al precio cada vez más se está equiparando el

desembolso para la construcción de una red wireless frente a una red de sensores

inalámbricos, por lo que es una competencia directa.

Debido a las excelentes características de este tipo de redes, en la actualidad se

están utilizando las redes de sensores en infinidad de proyectos relacionados con

distintos campos como pueden ser: medio ambiente, salud, el ámbito militar,

construcción y estructuras, automoción, demótica, agricultura, etc.

Gracias a la utilización de esta tecnología en los diversos campos se está

alcanzando un mayor nivel de control y monitorización lo cual lleva a una mejora

del manejo del medio en que se están utilizando y de respuesta frente a

inconvenientes o simplemente para el perfeccionamiento del mismo. El incremento

de estos nodos en nuestro día a día conlleva un mayor interés por conseguir un

mejor rendimiento y funcionamiento.

La enorme investigación que hay hoy en día sobre las rede de sensores

inalámbricos han promovido que se investiguen y desarrollen muchos protocolos

de enrutamiento en función de la utilidad que va a tener esa red de sensores, es

decir de la aplicación directa en que va a ser utilizada, pues no es lo mismo una

red de monitorización de un campo de uvas que una red de seguridad perimetral

en un conflicto bélico. Estos protocolo no solo han beneficiado a las redes de

sensores sino que gracias a ellos el desarrollo de estos protocolos han podido ser

extrapolados hacia otras tecnologías como la wireless o la de cableado,

permitiéndoles un mayor rendimiento.

Este tipo de redes actualmente, está llevando una revolución tecnológica similar a

la que tuvo la aparición de Internet, pues las aplicaciones parecen ser infinitas,

además se habla de redes de vigilancia global del planeta capaces de registrar

seguimiento de personas y mercancías concretas, monitorizar tráfico, y varias

iniciativas y proyectos de investigación han despertado gran interés para ser

aplicados en la práctica. Claro todo esto parecen ser grandes ventajas en un

futuro, pero la mala utilización podría acabar con la privacidad de mucha gente

porque se están llegando a miniaturizar tanto los nodos que pueden ser tan

pequeños como para estar en cualquier lugar sin ser detectados y funcionando sin

ningún tipo de problemas, por eso esperemos que el desarrollo sobre estas redes

sirva solo para la mejora de nuestras vidas.


37

9.- REFERENCIAS

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Ingeniería de Telecomunicación. Universidad Politécnica de Cartagena.

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Escuela técnica superior de Ingeniería Informática, Valencia, pp.10-11, Septiembre

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iv José Antonio Moñino M. “Aplicación del Modelado Específico de Dominio a las

Redes de Sensores Inalámbricos”. Escuela Técnica Superior de Ingeniería de

Telecomunicación Universidad Politécnica de Cartagena, pp. 31, Diciembre 2001.

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38

XII IEEE Standards 802, Part 15.4: “Wireless Medium Access Control (MAC) and

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XIII Delphine Christin, Parag S. Mogre, Matthias Hollick. “Survey on Wireless

Sensor Network Technologies for Industrial Automation: The Security and Quality

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XIV Mareca Hatler, Darryl Gurganious, and Charlie Chi Ph.D, “IndustrialWireless

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-http://www.ni.com/wsn/whatis/esa/ .

XVI ZigBee Alliance. “ZigBee Wireless Sensor Applications for Health, Wellness and Fitness”, March 2009.

IEEE 802.15.4

http://ieee802.org/15/pub/TG4.html

http://santards.iee.org/getieee802/download/802.15.4-2006.pdf

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Documents

Trabajo wsn teoría de la información y códigos 2012