Evaluación de Comunicaciones Heterogéneas para el Despliegue de
Redes de Sensores en Entornos Industriales
Miguel Sepulcre
(UMH), José
Antonio Palazón
(UMH), Javier Gozálvez
(UMH), Jaime Orozco (INDRA), Oscar López (NEXTEL) y Etxahun
Sánchez (NEXTEL)
Índice
• Introducción
• Entorno industrial de pruebas
• Conectividad inalámbrica de red de sensores
• Comunicaciones inalámbricas para distribución de datos
• Conectividad inalámbrica backhaul
• Conclusiones
Introducción
Introducción
• Proyecto FASyS
(Fábrica Absolutamente Segura y Saludable)– Desarrollo de un nuevo modelo de fábrica que minimice los riesgos para la salud y
la seguridad del trabajador
– Protocolos de prevención, soluciones de monitorización de la salud, técnicas de
procesamiento de datos, etc.
• Componente tecnológico clave: sistema heterogéneo inalámbrico para aplicaciones de monitorización móvil distribuidas
– Monitorización continua del entorno de trabajo y de la salud de los trabajadores
– Integración de comunicación de corto, medio y largo alcance
• Retos en el desarrollo de un plataforma heterogénea de comunicaciones– Fiabilidad (adversas condiciones de propagación)– Conectividad en Tiempo‐Real (a través de múltiples tecnologías inalámbricas)
– Movilidad
Backhaul
inalámbrico HSDPA
Monitorización Estática /Móvil: IEEE 802.15.4
Distribución local de datos: WiMAX
• Necesidad de análisis de condiciones de propagación y conectividad– Extensa campaña de medidas con diferentes tecnologías inalámbricas
Introducción
Entorno industrial de pruebas
Entorno industrial de pruebas
• Fábrica de 10.000 m2
(GORATU, fabricante de máquina herramienta)– Muro perimetral y alturas de la planta cercanas a 11m
– Amplios pasillos de montaje y zonas separadas por muros de hormigón
– Obstáculos metálicos pueden reducir la conectividad (grúas puente,
maquinaria en proceso de montaje y elementos estructurales)
Máquina
Grúas
Máquina
Grúa
Nodo de comunicaciones
Muro 2m.
Muro perimetral
Almacén
Conectividad inalámbrica de red de sensores
Conectividad inalámbrica de red de sensores
• Evaluación de motes 802.15.4 para el estudio de conectividad WSN– Comparación experimental de motes
– Mote IRIS de Memsic
seleccionado por su mejor rendimiento‐eficiencia
• TinyOS, sistema abierto para desarrollar sobre IEEE 802.15.4
Memsic
IRIS
RF Transceiver AT86RF230
PHY/MAC IEEE 802.15.4 (DSSS/CSMA)
Freq. band ISM 2.4GHz
Transmit rate 250kbps
Max. RF power 3dBm
RX Sensitivity ‐101dBm
Conectividad inalámbrica de red de sensores
• Rendimiento de comunicaciones en WSN para nodos estáticos– 4 posiciones diferentes del nodo TX con diferentes condiciones de propagación– Transmisión periódica 1‐
hop de paquetes
– Niveles RSSI relativamente estables; con un promedio de PER<1%
Position X [m]
Pos
ition
Y [m
]
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
FA
FB
FCFD
RX
0 10 20 30 40 50-100
-95
-90
-85
-80
-75
-70
-65
-60
Tiempo [s]
RS
SI [
dBm
]
FAFBFCFD
Configuración:Pt=3dBm, hRX =5m, hTX =2m, T=20ms, payload=100Bytes
Posición X [m]
Posi
ción
Y [m
]
• Rendimiento de comunicaciones en WSN para nodos móviles– Emulación de un trabajador/vehículo desplazándose por la fábrica
– Variación de RSSI dependiendo de distancia y de elementos obstructores• Peor rendimiento a grandes distancias (M7) y en el interior del almacén (M11)
Conectividad inalámbrica de red de sensores
Position X [m]
Pos
ition
Y [m
]
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
M1M2 M3
M4
M5
M6
M7
M8M9 M10
M11
M12
Configuración:Pt=3dBm, hRX =5m, hTX =1.2m, T=20ms, payload=100Bytes
Posi
ción
Y [m
]
Posición X [m]
0 100 200 300 400 500 600 700-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
Elapsed time [s]
RS
SI [
dBm
]
M1 M2 M3 M4 M5M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12
Tiempo [s]
0 100 200 300 400 500 600 7000
2
4
6
8
10
Elapsed time [s]P
ER
[%]
M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10M11 M12
PER in last 5sAccumulated PERPER cada 5sPER acumulado
• Rendimiento de comunicaciones en WSN para nodos móviles– Movilidad y baja altura de TX incrementa los niveles de PER
– Niveles más elevados de PER (~8%) obtenidos a grandes distancias y en el almacén
Conectividad inalámbrica de red de sensores
Position X [m]
Pos
ition
Y [m
]
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
M1M2 M3
M4
M5
M6
M7
M8M9 M10
M11
M12
Configuración:Pt=3dBm, hRX =5m, hTX =1.2m, T=20ms, payload=100Bytes
Posi
ción
Y [m
]
Posición X [m] Tiempo [s]
Comunicaciones inalámbricas para distribución de datos
Comunicaciones inalámbricas para distribución de datos
• Equipamiento experimental para pruebas con WiMAX– Alvarion
BreezeACCESS
@ 5.470‐5.725GHz (Canales de 20MHz)
– Herramienta Wireshark
para captura de tráfico (throughput
y RSSI/SNR data)
RX (Unidad Subscriptora)
TX (Unidad de Acceso)
Wireshark
• Evaluación de rendimiento WiMAX– Transmisión FTP de fichero a máxima potencia de transmisión
– Notable rendimiento y estabilidad del throughput
– Influencia de la altura de RX y las condiciones de visibilidad
Comunicaciones inalámbricas para distribución de datos
Position X [m]
Pos
ition
Y [m
]
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
TX
RX
Posición X [m]
Posi
ción
Y [m
]
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
35
40
Elapsed time [s]
Thro
ughp
ut [M
bits
/s]
hR
=5m
hR
=1m
Tiempo [s]
Thro
ughp
ut[M
bps]
Conectividad inalámbrica backhaul
Conectividad inalámbrica backhaul
• Equipamiento experimental para pruebas con
HSDPA
– Terminal Nokia 6720c (symbian) + Nemo Handy
– Herramienta Nemo Outdoor
de post‐procesado
– Despliegue de estaciones base UMTS/HSDPA
BS3
BS2
BS1
GORATU920m
1450m
270m
Conectividad inalámbrica backhaul
• Evaluación de rendimiento HSDPA– Descarga de fichero en el exterior e interior de la fábrica– Baja potencia recibida (RSCP) y altos niveles de BLER en el interior
– Compensación de la degradación de la calidad del enlace mediante la adaptación
de parámetros (potencia de transmisión, esquemas de modulación/codificación, …)
– Niveles homogéneos de throughput
a
pesar de las diferentes condiciones de
operación y propagación
Outside Inside
-90
-80
-70
-60R
SC
P (a
ctiv
e) [d
Bm
]
Outside Inside0
10
20
30
MA
C B
LER
Exterior Interior Exterior Interior
Outside Inside0
1
2
3
Thru
ghpu
t [M
bps]
Exterior Interior
Conclusiones
• Tecnologías de monitorización móvil y distribuidas– Gran potencial para mejorar la salud de los trabajadores
• Despliegue de soluciones inalámbricas en fábricas: reto ante adversas condiciones de propagación y operación
– Necesidad de analizar los niveles de conectividad alcanzables
• Evaluación experimental de diferentes tecnologías inalámbricas en entornos industriales
– Importancia de las condiciones de movilidad, propagación y visibilidad
– Influencia de la configuración del despliegue en el rendimiento
Conclusiones
Gracias por su atenciónEste trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia e
Innovación a través del proyecto CENIT FASyS (CEN_20091034).
www.uwicore.umh.es
• Posicionamiento en interior con la herramienta Nemo Handy– Instalada en el terminal móvil (Nokia 6720c)
– Posicionamiento manual de todas las medidas durante los experimentos
0 100 200 300 400 500 600 7000
20
40
60
80
100
120
Tiempo [s]D
ista
ncia
TX-
RX
[m]
A B C D E F G H I J K L
Conectividad inalámbrica de red de sensores
• Rendimiento de las comunicaciones con nodos en movilidad– Incremento de la potencia de transmisión
• Mejora del rendimiento: disminución del PER, aunque continúan
existiendo errores
• Incremento del consumo: impacto en la autonomía de los nodos
Conectividad inalámbrica de red de sensores
Position X [m]
Pos
ition
Y [m
]
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100M11
M12
0 10 20 30 40 50 60 700
2
4
6
8
10
Elapsed time [s]
PER
[%]
M11 M12
PER in last 5sAccumulated PER
Configuración: Pt=17dBm, hRX =5m, hTX =1.2m, T=20ms, payload=100Bytes
Posi
ción
Y [m
]
Posición X [m]Tiempo [s]