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

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

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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"

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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:

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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.

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- 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

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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

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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
Proyecto DARPA (Defense Advanced Research Project Agency)-SensIT. UC
1999-2003 Berkeley, University Southern California, University Cornell
2001 Laboratorio de investigación de Intel se enfoca a las WSN.
NSF (National Science Foundation) funda el Center for Embedded
2002 Networked Sensing.
Emerge la industria de las WSN; comienza con compañías tales como
2001-2002 Sensoria, Crossbow,EmberCorp, SensiCast. Luego se instalan Intel, Bosch,
Motorola, Genera lElectric, Samsung.
2003-2004 Norma IEEE802.15.4. ZigBee Alliance.
Establecimiento del modelo TELOS (Universidad de California
2005-2006 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.

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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

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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.

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 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

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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

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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.

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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,

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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.

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4.- ARQUITECTURA PROTOCO LAR 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.

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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%.

20


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

21


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

22


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.

23


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.

24


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

25


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.

26


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 ™
27


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 discapacidad XVI, 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.

28


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

29


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.

30


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.

31


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.

32


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.

33


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.

34


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
35


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.

36


9.- REFERENCIAS

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http://ieee802.org/15/pub/TG4.html
http://santards.iee.org/getieee802/download/802.15.4-2006.pdf

38

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