uimp: redes de sensores, fundamentos y aplicaciones
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Redes de sensoresRedes de sensoresFundamentos y Fundamentos y aplicacionesaplicaciones
Paula Tarrío AlonsoPaula Tarrío Alonso
Cursos de verano UIMPSantander, 2 de julio de 2008
Grupo de Procesado de Datos y SimulaciónUniversidad Politécnica de Madrid
ContenidosContenidos
IntroducciónIntroducción Inteligencia ambientalInteligencia ambiental Redes de sensoresRedes de sensores Historia y evoluciónHistoria y evolución
Fundamentos de las redes de sensoresFundamentos de las redes de sensores Tipos de nodosTipos de nodos Comunicación entre nodosComunicación entre nodos Principios de diseñoPrincipios de diseño
Aplicaciones de las redes de sensoresAplicaciones de las redes de sensores EjemplosEjemplos LocalizaciónLocalización
ContenidosContenidos
IntroducciónIntroducción Inteligencia ambientalInteligencia ambiental Redes de sensoresRedes de sensores Historia y evoluciónHistoria y evolución
Fundamentos de las redes de sensoresFundamentos de las redes de sensores Tipos de nodosTipos de nodos Comunicación entre nodosComunicación entre nodos Principios de diseñoPrincipios de diseño
Aplicaciones de las redes de sensoresAplicaciones de las redes de sensores EjemplosEjemplos LocalizaciónLocalización
Inteligencia AmbientalInteligencia Ambiental
Entornos inteligentes que se adaptan a Entornos inteligentes que se adaptan a las necesidades de las personaslas necesidades de las personas
El usuario permanece ajeno a la El usuario permanece ajeno a la tecnología subyacentetecnología subyacente
Redes de sensores
EjemploEjemplo
Portero visor y cerradura electrónica
Portón automático
Calefacción inteligente
Persiana eléctrica
Control del Hogar desde el PC
Cortinas automáticas
Riego automático
Detectores de movimiento
Redes de sensoresRedes de sensores
Formadas por un gran número Formadas por un gran número de nodos densamente de nodos densamente desplegadosdesplegados
Capaces de:Capaces de: medir parámetros, medir parámetros, almacenarlos, almacenarlos, procesarlos y procesarlos y enviarlosenviarlos
Nodos pequeños y baratosNodos pequeños y baratos Pocos recursos Pocos recursos Redes ad hocRedes ad hoc
MideProcesa
Transmite y recibe
Smart dust
(polvo inteligente)
Motes
Redes ad hocRedes ad hoc
Conjunto de nodos que se despliegan con un Conjunto de nodos que se despliegan con un objetivo concreto sin que exista una infraestructura objetivo concreto sin que exista una infraestructura previaprevia
Comunicación inalámbricaComunicación inalámbrica Capacidad de auto-organización Capacidad de auto-organización
CaracterísticasCaracterísticas
Bajo consumo de energíaBajo consumo de energía
Bajo costeBajo coste
Restricciones de hardwareRestricciones de hardware
AutoconfiguraciónAutoconfiguración
SeguridadSeguridad
HistoriaHistoria
Predecesores:Predecesores:
Chain Home (II Guerra Mundial)Chain Home (II Guerra Mundial)
SOSUS (Guerra Fría)SOSUS (Guerra Fría)
NORAD (Guerra Fría) NORAD (Guerra Fría)
Años 80: Proyecto DSNAños 80: Proyecto DSN
EvoluciónEvolución
Ley de Moore: Cada Ley de Moore: Cada 2 años se duplica el 2 años se duplica el número de número de transistores en un transistores en un circuito integradocircuito integrado
10 tecnologías emergentes que cambiarán el mundo (MIT-2003)
En el futuro:
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IntroducciónIntroducción Inteligencia ambientalInteligencia ambiental Redes de sensoresRedes de sensores Historia y evoluciónHistoria y evolución
Fundamentos de las redes de sensoresFundamentos de las redes de sensores Tipos de nodosTipos de nodos Comunicación entre nodosComunicación entre nodos Principios de diseñoPrincipios de diseño
Aplicaciones de las redes de sensoresAplicaciones de las redes de sensores EjemplosEjemplos LocalizaciónLocalización
Nodo
Nodo base
Arquitectura de Arquitectura de comunicacióncomunicación
Internet
Tipos de nodosTipos de nodos
MotesMotes: Toman datos del entorno con los : Toman datos del entorno con los sensores y envían la información a la sensores y envían la información a la estación baseestación base
Pasarela (gateway), estación base o Pasarela (gateway), estación base o data sinkdata sink: recoge los datos de la red de : recoge los datos de la red de sensores. Puede tener conexión con sensores. Puede tener conexión con redes externas o estar conectada a un redes externas o estar conectada a un ordenador.ordenador.
Los motesLos motes
BTnode
SUNSpotMica2
MicaZ
Cricket
TelosBImote2IRIS
Los motesLos motes Microprocesador
Radio
Fuente de alimentación
Conector para
sensores externos
SensoresSensores
TemperaturaTemperaturaHumedadHumedadLuzLuzPresión atmosféricaPresión atmosféricaDetector de incendiosDetector de incendiosAceleraciónAceleraciónSonidoSonidoCampo magnéticoCampo magnéticoAgua, vegetación, Agua, vegetación, Humedad del sueloHumedad del suelo
Frecuencia cardiacaPresión arterialFrecuencia respiratoriaTemperatura corporalSaturación de oxígeno en
sangre Actividad eléctrica del cerebro,
músculos y nerviosPresión intracranealDolor Biosensores
La pasarelaLa pasarela
MIB600
MIB520
MIB510
SoftwareSoftware Sistema operativo Sistema operativo
TinyOSTinyOS Lenguaje de Lenguaje de
programación NesCprogramación NesC
Blink.nc
configuration Blink {
}
implementation {
components Main, BlinkM, SingleTimer, LedsC;
Main.StdControl -> SingleTimer.StdControl;
Main.StdControl -> BlinkM.StdControl;
BlinkM.Timer -> SingleTimer.Timer;
BlinkM.Leds -> LedsC;
}
BlinkM.nc
module BlinkM {
provides {
interface StdControl;}
uses {
interface Timer;
interface Leds;}
}
implementation {
command result_t StdControl.init() {
call Leds.init();
return SUCCESS;}
command result_t StdControl.start() {
return call Timer.start(TIMER_REPEAT, 1000);}
command result_t StdControl.stop() {
return call Timer.stop();}
event result_t Timer.fired(){
call Leds.redToggle();
return SUCCESS;}
}
Topologías de redTopologías de red
En estrellaEn estrella
En mallaEn malla
ComunicaciónComunicación
Tecnologías inalámbricasTecnologías inalámbricas
ZigBee (IEEE 802.15.4)ZigBee (IEEE 802.15.4)
UWB (Ultra Wide Band)UWB (Ultra Wide Band)
Bluetooth (IEEE 802.15.1)Bluetooth (IEEE 802.15.1)
RFID (Radio Frequency Identification) RFID (Radio Frequency Identification)
WiFi (IEEE 802.11)WiFi (IEEE 802.11)
……
Consumo de energíaConsumo de energía
La energía es un recurso muy escaso Hay que gestionar eficientemente la energía
consumida A nivel físico A nivel de enlace A nivel de red A nivel de transporte A nivel de aplicación A nivel de sistema operativo …
Una aplicación típicaUna aplicación típica
sleep
wak
eup
Co
nsu
mo
Tiempo
Adquisición de datos
Procesado
Comunicación
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IntroducciónIntroducción Inteligencia ambientalInteligencia ambiental Redes de sensoresRedes de sensores Historia y evoluciónHistoria y evolución
Fundamentos de las redes de sensoresFundamentos de las redes de sensores Tipos de nodosTipos de nodos Comunicación entre nodosComunicación entre nodos Principios de diseñoPrincipios de diseño
Aplicaciones de las redes de sensoresAplicaciones de las redes de sensores EjemplosEjemplos LocalizaciónLocalización
AplicacionesAplicaciones
Aplicaciones militares: Aplicaciones militares: monitorización de fuerzas y equipos enemigos, monitorización de fuerzas y equipos enemigos, vigilancia en el campo de batalla, vigilancia en el campo de batalla, reconocimiento del terreno, reconocimiento del terreno, detección de ataques biológicos, químicos o nucleares, etc.detección de ataques biológicos, químicos o nucleares, etc.
Aplicaciones medioambientales: Aplicaciones medioambientales: seguimiento de animales, seguimiento de animales, monitorización de las condiciones ambientales en cultivos, monitorización de las condiciones ambientales en cultivos, riego, riego, agricultura de precisión, agricultura de precisión, detección de incendios forestales, detección de incendios forestales, detección de inundaciones, detección de inundaciones, estudios de contaminación, estudios de contaminación, prevención de desastres, prevención de desastres, monitorización de áreas afectadas por desastres, etc.monitorización de áreas afectadas por desastres, etc. Estudios sísmicosEstudios sísmicos Seguridad de estructurasSeguridad de estructuras
AplicacionesAplicaciones
Aplicaciones médicas: Aplicaciones médicas: telemonitorización de datos fisiológicos en pacientes, telemonitorización de datos fisiológicos en pacientes, diagnóstico, diagnóstico, administración de medicamentos, administración de medicamentos, seguimiento de médicos y pacientes en hospitales, etc.seguimiento de médicos y pacientes en hospitales, etc.
Aplicaciones en el hogar/edificios: Aplicaciones en el hogar/edificios: domótica, domótica, control de electrodomésticos, control de electrodomésticos, entornos inteligentes, entornos inteligentes, control ambiental, etc.control ambiental, etc.
Aplicaciones industriales: Aplicaciones industriales: seguimiento de vehículos, seguimiento de vehículos, control de flota, control de flota, control de inventarios, etc.control de inventarios, etc.
Aplicaciones turísticas: Aplicaciones turísticas: interactividad en museos y espacios turísticos, interactividad en museos y espacios turísticos, control de acceso, etc.control de acceso, etc.
Modos de uso de las redes Modos de uso de las redes de sensoresde sensores
Monitorización continua: Monitorización continua: Nodos midiendo los mismos parámetros en un área de interés. Envío Nodos midiendo los mismos parámetros en un área de interés. Envío
periódico de la información recogida. periódico de la información recogida. Aplicación: control de agricultura, microclimas, etc.Aplicación: control de agricultura, microclimas, etc.
Monitorización basada en eventos: Monitorización basada en eventos: Nodos monitorizando entornos continuamente. Pero sólo hay envío de Nodos monitorizando entornos continuamente. Pero sólo hay envío de
información cuando ocurre algún evento. información cuando ocurre algún evento. Aplicación: control de edificios inteligentes, detección de incendios, Aplicación: control de edificios inteligentes, detección de incendios,
aplicaciones militares, etc.aplicaciones militares, etc. Localización y seguimiento: Localización y seguimiento:
Los nodos se usan para etiquetar y localizar objetos en una zona Los nodos se usan para etiquetar y localizar objetos en una zona determinada. determinada.
Aplicación: rastreo de animales, seguimiento de un trabajador, etc.Aplicación: rastreo de animales, seguimiento de un trabajador, etc. Redes híbridas: Redes híbridas:
Escenarios de aplicación que contienen aspectos de las 3 categorías Escenarios de aplicación que contienen aspectos de las 3 categorías anteriores.anteriores.
Monitorización continuaMonitorización continua
Monitorización basada en Monitorización basada en eventoseventos
Localización y Localización y seguimientoseguimiento
Aplicación híbridaAplicación híbrida
Aplicaciones de Aplicaciones de localizaciónlocalización La posición de un usuario en un La posición de un usuario en un
parámetro de contexto muy importanteparámetro de contexto muy importante La información de posición en una red de La información de posición en una red de
sensores es útil para:sensores es útil para: Interpretar la datos medidos y actuar en Interpretar la datos medidos y actuar en
consecuenciaconsecuencia Desarrollar algoritmos de encaminamiento Desarrollar algoritmos de encaminamiento
más eficientesmás eficientes
Localización en redes de Localización en redes de sensoressensores ¿En qué consiste la localización en redes de ¿En qué consiste la localización en redes de
sensores?sensores? Determinar la posición de los nodos de la redDeterminar la posición de los nodos de la red
¿Qué limitaciones hay?¿Qué limitaciones hay? Recursos limitadosRecursos limitados Bajo consumo Bajo consumo
Técnicas de localización:Técnicas de localización: GPSGPS InfrarrojosInfrarrojos UltrasonidosUltrasonidos Radio (RSS, TOA, AOA, etc.)Radio (RSS, TOA, AOA, etc.)
Dos grupos de métodosDos grupos de métodos
Mapa de potencia:Mapa de potencia: Modelo de propagación:Modelo de propagación: Medida Medida Distancia Distancia
Distancias Distancias Posiciones Posiciones
0 50 100 150 200 250 300 350
-95
-90
-85
-80
-75
-70
-65
-60
-55
Prx
(d
Bm
)
d (cm)
Localización basada en Localización basada en mapa de potenciamapa de potencia Fase de calibración:Fase de calibración:
Fase de localización:Fase de localización:
P1EP1DP1CP1BP1Ay1x1
PEPDPCPBPAyx
P2EP2DP2CP2BP2Ay2x2
P3EP3DP3CP3BP3Ay3x3
…………………
Localización basada en Localización basada en mapa de potenciamapa de potencia Fase de calibración:Fase de calibración: Fase de localización:Fase de localización:
P1EP1DP1CP1BP1Ay1x1
PEPDPCPBPAyx
P2EP2DP2CP2BP2Ay2x2
P3EP3DP3CP3BP3Ay3x3
…………………
PEPDPCPBPA
y3x3
Localización basada en Localización basada en modelo de canalmodelo de canal Idealmente:Idealmente:
En un entorno real:En un entorno real: MultitrayectoMultitrayecto RuidoRuido InterferenciaInterferencia
0 50 100 150 200 250 300 350
-95
-90
-85
-80
-75
-70
-65
-60
-55
Prx
(d
Bm
)
d (cm)
dctedBmPdBmP TXRX log20)()(
0 100 200 300 400 500-85
-80
-75
-70
-65
-60
-55
-50
Pote
ncia
s (d
Bm)
Distancias (cm)
0 100 200 300 400 500
-80
-75
-70
-65
-60
-55
-50
Pote
ncia
s (d
Bm)
Distancias (cm)
PlanteamientoPlanteamiento
M nodos de referenciaM nodos de referencia
N nodos de posiciones desconocidasN nodos de posiciones desconocidas
Cálculo de la posiciónCálculo de la posición
Individual: Individual: Se calcula la posición de cada Se calcula la posición de cada
nodo a partir de las medidas de nodo a partir de las medidas de distancia entre ese nodo y varios distancia entre ese nodo y varios nodos de referencianodos de referencia
Cooperativa:Cooperativa: Se utiliza la información recogida Se utiliza la información recogida
por todos los nodos y se hallan por todos los nodos y se hallan las posiciones de todos ellos las posiciones de todos ellos simultáneamente simultáneamente
Localización individualLocalización individual
(x1, y1)
(x2, y2)
(x3, y3)(x4, y4)
(x5, y5)
(x6, y6)
(x, y)
Posicionamiento circularPosicionamiento circular
Minimizar la suma de los errores en distancia Minimizar la suma de los errores en distancia al cuadradoal cuadrado
Mediante algoritmo iterativo, por ejemplo, Mediante algoritmo iterativo, por ejemplo, descenso del gradientedescenso del gradiente
kk yyxx
kky
xy
x
y
x
ˆ,ˆ
1 ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
n
iiii dyyxx
1
222
Posicionamiento Posicionamiento hiperbólicohiperbólico Transformar el problema en un problema Transformar el problema en un problema
lineallineal
Resolver por mínimos cuadradosResolver por mínimos cuadrados
iiiii yyyxxxdd 22 2221
2
21
222
21
22
22
2222
2
2
2
2
ddyx
ddyx
y
x
y
y
x
x
VVVVV
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bHHHx TT 1
011 yx