Evaluación hardware y software de dos plataformas comerciales de redes de sensores inalámbricosTFM

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE I N GE N I E R Í A D E T EL E C O M U NI C A C I ÓN UNIVERSIDAD DE MÁLAGA

TRABAJO FIN DE MÁSTER

EVALUACIÓN HARDWARE Y SOFTWARE DE DOS PLATAFORMAS COMERCIALES DE REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS

MÁSTER EN TELEMÁTICA Y REDES DE TELECOMUNICACIÓN

MÁLAGA, 2012

Natalia

Haro

Fontiverio

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE I N GE N I E R Í A D E T EL E C O M U NI C A C I ÓN UNIVERSIDAD DE MÁLAGA Titulaci!" M#$t%& %! T%l%'#tica ( R%)%$ )% T%l%c*'u!icaci! T%l%c*'u!icaci! Reunido el tribunal examinador en el día de la fecha, constituido por: D./D.!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! D./D.!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! D./D.!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! para "u#$ar el %raba"o &in &in de M'ster M'ster titulado:

EVALUACIÓN +ARD,ARE Y SOFT,ARE DE DOS PLATAFORMAS PLAT AFORMAS COMERCIALES DE REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS del alumna D. Natalia Haro Fontiverio diri$ido por D. Javier López Muñoz A()RD* +)R !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!! !!!! )%)RGAR LA (AL&(A(*- D !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!! , para 0ue conste, se extiende firmada por los componentes del tribunal, la presente dili$encia M'la$a, a !!!!!! de !!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!! de !!!!!!!!! l/La +residente/a

l/La 1ocal

l/La 2ecretario/a

&do.: &do.: !!!!! !!!!!!!! !!!!! !!!!! !!!!! !!!! !! &do.: &do.: !!!!!! !!!!!!!!! !!!!!! !!!!!! !!!!! !! &do.: &do.: !!!!!! !!!!!!!!! !!!!! !!!!! !!!!! !!! !

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE I N GE N I E R Í A D E T EL E C O M U NI C A C I ÓN UNIVERSIDAD DE MÁLAGA EVALUACIÓN +ARD,ARE Y SOFT,ARE DE DOS PLATAFORMAS COMERCIALES DE REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS

REALI-ADO POR" Natalia Haro Fontiverio

DIRIGIDO POR" Javier Lopez Muñoz

DEPARTAMENTO DE" Departamento e Len!"a#e$ % C&en'&a$ e (a Comp"ta'&)n TITULACIÓN" M#$t%& %! T%l%'#tica ( R%)%$ )% T%l%c*'u!icaci! PALABRAS CLAVE" Ti!(O$. L*/PAN. MPS012. CC3032

RESUMEN" Las redes de sensores, compuestas por dispositivos inalámbricos de capacidad limitada que colaboran entre sí para recoger datos, han recorrido un largo camino desde los laboratorios hasta las empresas. Antes de la implementación final de una red inalámbrica de sensores, se hace necesario un estudio previo de las prestaciones a nivel individual de los distintos dispositivos inalámbricos comerciales actuales.

M'la$a , Diciembre 2012

A mi abuela: Maria Sedeño Segovia

RES!E" Las redes de sensores, compuestas por dispositivos inalámbricos de capacidad limitada que colaboran entre sí para recoger datos, han recorrido un largo camino desde los laboratorios hasta las empresas. Antes de la implementación final de una red inalámbrica de sensores, se hace necesario un estudio previo de las prestaciones a nivel individual de los distintos dispositivos inalámbricos comerciales actuales.

A#S$RA%$ Sensor networks, composed of wireless devices limited capacit to work together to collect data, have come a long wa from the laborator to the companies. !efore the final implementation of a wireless sensor network, it is necessar a previous stud of individual"level benefits of the various e#isting commercial wireless devices.

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A%R-"'!&S 2AC A/
Microcontrolador Acknowledgement Analog to digital converter Ipv6 Based Low Power Wireless Personal Area Network Reduced instruction set computer Physical layer Phase locked loop niversal serial !us Random access memory Wireless sensor network Read only memory

Capítulo

CAPÍTULO 4" INTRODUCCIÓN

'

n algunas aplicaciones, el uso de redes cableadas para la monitoriEación de entornos es poco práctico  costoso. 9or esta raEón, es interesante crear arquitecturas de red de baFo coste que ofreEcan movilidad a sus terminales. 'n este sentido el despliegue de redes de sensores inalámbricos GBS1H es una buena opción. -n BS1 consta de sensores autónomos distribuidos capaces de vigilar las condiciones físicas o ambientales,  de enviar cooperativamente sus datos a travIs de la red a una ubicación principal. 'stas redes se componen de cientos de dispositivos de baFa potencia  baFo coste que se caracteriEan por tener recursos limitados  limitadas capacidades operativas  un rango de comunicación de corto alcance. 'stas limitaciones son los aspectos críticos que influen en la elección de una pila de protocolos. -n protocolo mu utiliEado para las capas físicas  enlace es el estándar )''' ?@+.$8.6. uando una BS1 utiliEa esta norma, se le llama Low 9ower Bireless 9ersonal Area 1etwork GLoB9A1H.

'l estándar )''' ?@+.$8.6 es ho en día un estándar para las capas baFas de las BS1s. 1umerosas investigaciones demuestran que es posible habilitar comunicaciones eficientes de )9v< sobre enlaces )''' ?@+.$8.6 introduciendo una capa de adaptación. La pila de protocolo resultante se conoce con el nombre de )9v< sobre redes inalámbricas de baFa potencia de área personal G
apítulo $ una arquitectura adaptada a los requisitos de las BS1s. Además, las aplicaciones deben reutiliEarse  adaptarse a los protocolos e#istentes  evitar la creación de otras nuevas con el fin de evitar problemas de interoperabilidad.

+.+ &bDetivos Los obFetivos de este trabaFo final fi nal de máster, se citan a continuaciónJ • • •

Análisis de las mItricas en las redes inalámbricas de sensores Análisis  evaluación de dos productos disponibles en el mercado 'studio de la pila de protocolos de las dos plataformas disponibles en el mercado

+. Estructura del trabaDo final de máster 'n el apítulo $ se realiEa una introducción del trabaFo final de máster, se fiFan los obFetivos  se describe su estructura. 'n el apítulo + se revisa el estado estado actual de las redes de sensores inalámbricas. inalámbricas. Se presentan los tipos de redes de sensores e#istentes, las aplicaciones potenciales, los factores que influen en su diseKo, los estándares e#istentes  protocolos de comunicación. 'n el apítulo 5 tiene lugar un estudio de dos tecnologías e#istentes en el mercado. 'n este estudio a modo de evaluación se revisan las prestaciones hardware como software de cada una de las plataformas seleccionas.

+

Capítulo

CAPÍTULO 3" R E D E S D E INALÁMBRICOS

SENSORES

'

n las ltimas dIcadas hemos asistido a un e#plosivo crecimiento de las redes de computadores  en concreto de las comunicaciones comunicaciones inalámbricas, propiciado por los continuos avances tecnológicos. Así, han aparecido circuitos electrónicos cada veE más pequeKos, potentes  de menor coste, permitiendo tambiIn en esta línea, importantes avances en el campo de los transductores. (odo ello permite el desarrollo de nuevos dispositivos dispositivos de pequeKo pequeKo tamaKo  baFo baFo coste. 'stos factores han permitido el despegue del campo de investigación de las edes )nalámbricas de Sensores, conocidas en inglIs como Bireless Sensor 1etworks GBS1H, que han sido identificadas como una de las tecnologías más prometedoras por diversos analistas tecnológicos  revistas especialiEadas. La posibilidad de implementar dispositivos de baFo coste  elevada duración sin mantenimiento capaces de obtener información del entorno  reenviarla de forma inalámbrica a un centro de coordinación ofrece posibilidades inimaginables en multitud de aplicaciones. Las BS1 están siendo aplicadas con I#ito a sistemas de automoción, aplicaciones industriales, aviónica, entornos inteligentes, identificación de productos, domótica  seguridad, control de consumo energItico, estudio de invernaderos, monitoriEación del medio ambiente,  un sinfín de nuevas aplicaciones.

.+ (efinición Las redes la forman un conFunto de dispositivos físicos conectados entre sí, que envían  reciben impulsos elIctricos, ondas electromagnIticas o cualquier otro medio para el transporte de datos, con la finalidad de compartir información  recursos además de ofrecer servicios M$N.

5

apítulo +

. %lasificación Las redes se pueden clasificar de la siguiente formaJ 9or alcance ed de área personal Gpersonal area network, 9A1H ed de área local Glocal area network, LA1H ed de área de campus Gcampus area network, A1H ed de área metropolitana Gmetropolitan area network, 2A1H edes de área amplia Gwide area network, BA1H ed de área de almacenamiento Gstorage area network, SA1H ed de área local virtual G*irtual LA1, *LA1H ed irregular • • • • • • • •

9or topología ed en bus ed en anillo ed en estrella ed en malla ed en árbol ed mi#ta • • • • • •

9or tipo de cone#ión 2edios guiados able coa#ial able de par trenEado 0ibra óptica 2edios no guiados ed por radio ed por infrarroFos ed por microondas • • •

• • •

9or direccionalidad de los datos Simple# o -nidireccional Dalf"/uple# o !idireccional 0ull"/uple# • • •

9or grado de autentificación ed privada ed de acceso pblico • •

9or relación funcional liente"servidor 9eer"to"peer • •

9or tecnología ed 9oint"to"point ed broadcast • •

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edes de sensores inalámbricos

9or grado de difusión )ntranet )nternet • •

.0 Redes inalámbricas de sensores  actuadores 'n el pasado, la recogida de datos de un sensor se realiEaba de forma manual o con equipos sensores conectados a una central mediante enlaces cableados. Las dos opciones presentaban problemas, las mediciones realiEadas por operadores humanos eran costosas en tiempo, lo que restringía la cantidad de ubicaciones en las que tomar medidas. 9or otro lado, el uso de sensores cableados obligaba al despliegue de grandes e#tensiones de cable e incluso en determinados escenarios la toma de medidas resultaba de difícil acceso. on los avances realiEados en los campos de la electrónica  las comunicaciones inalámbricas se pudieron solventar estos problemas, lo que ha permitido el auge de las redes de sensores inalámbricas. 'stos avances han permitido el desarrollo de nodos sensores multifuncionales de baFo coste, baFa potencia, pequeKo tamaKo  que permiten comunicarse inalámbricamente dentro rangos cada veE maores. -na red inalámbrica de sensores GBS1H está compuesta por un conFunto de componentes autónomos conocidos como nodos o motas, que cooperan en un mismo cometido. Se comunican de manera inalámbrica, recolectando información de sus sensores con diversas capacidades sensitivas entre ellasJ la temperatura, el movimiento, el sonido, la vibración, la presión, etc. :eneralmente, los sensores transmiten la información almacenada a un elemento sumidero de la red que acta de gatewa o pasarela, transfiriendo dicha información al destino final. 9or otra parte las redes inalámbricas de sensores  actuadores GBSA1H es un paso más en las BS1,la funcionalidad de este tipo de redes es la de recolectar la información del entrono  reaccionar de manera adecuada a los fenómenos físicos que se han producido. La estación base central conocida en este caso como sumidero GsinkH monitoriEa  coordina toda la labor de la red. La diferencia más significativa entre una red inalámbrica tradicional  una BS1, es que la comunicación en las BS1 no se realiEa de e#tremo a e#tremo, se realiEa mediante protocolos de ruteo ruteo multisalto.

.5 $opología en redes inalámbricas de sensores 9odemos encontrar dos topologías de redes inalámbricas principales, la topología ad" hoc  la topología con infraestructura. 'n la topología en ad"hoc o peer"to"peer todos los nodos o motas poseen las mismas prestaciones, con lo cual solo se necesitaría de una identificación alfanumIrica SS)/ GService Set )dentifierH incluida en todos los paquetes de red. 'l inconveniente de esta topología de red, es que el rendimiento de la red puede verse afectada cuando se aumenta el nmero de nodos. 'ste tipo de topología permite una gran dispersión geográfica, incluso aunque algunos nodos no lleguen a verse entre si. La topología con infraestructura se caracteriEa por nodos o motas que desempeKan un papel o tarea específica, a los que se les reconocen ciertas prestaciones. Los sensores crean una topología de red Gnormalmente en estrellaH con un nodo coordinador que es el

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apítulo + encargado de centraliEar las comunicaciones hacia una red convencional o hacia otras redes distintas. Los nodos deben estar dentro de la Eona de cobertura del coordinador para establecer la comunicación. /e la combinación de ambas topologías, nace la topología red en malla inalámbrica, más conocida como redes inalámbricas 2esh o multihop GmultisaltoH, se caracteriEan por no poseer un nodo central o coordinador, de tal forma que las motas transmiten tr ansmiten los paquetes desde el nodo origen hasta la gatewa apoándose apoándose en algn protocolo de encaminamiento, encargado de definir la forma de guiar los paquetes de información hasta la estación base que generalmente no se encuentra en el rango de cone#ión directa, a travIs de la ruta más óptima, es decir, con el mínimo nmero de saltos. on lo cual, las comunicaciones necesitan un menor coste de potencia. 'ste tipo de redes tiene la característica por la facilidad de despliegue,  ser autoconfigurable además de ser tolerable a fallas, a que la caída de un solo nodo no implica la caída de toda la red. -na mota puede actuar en cualquier situación como emisor, receptor e incluso puede encaminar paquetes a otro nodo para que se transmitan al gatewa. Las redes inalámbricas 2esh permiten maor cercanía de las motas al evento o fenómeno físico que se desea monitorear. 'n la 0igura $.$, se muestra un eFemplo ilustrativo de las topologías t opologías de redes inalámbricas.

"igura #$#% &'emplo de topolog(a topolog(a de red

.> 2actores para la evaluación de una red inalámbrica de sensores 9ara evaluar una red BS1 se deben a analiEar ciertos parámetros primordiales, en función del uso que se le dará a la red, puede resultar más relevante hacer más hincapiI en ciertos parámetros que en otros, a que normalmente debe sacrificarse uno de los parámetros, de manera de poder obtener una meFora de rendimiento en otro. 9or eFemplo, el disminuir el nmero de muestras de los eventos, es una manera de aumentar la vida til de la red. <


A continuación se describirán estos parámetros para la evaluación de una red de sensores inalámbricos. •

'scalabilidad de la red

La escalabilidad en redes de sensores BS1 puede entenderse tanto en hardware como software. Si analiEamos la escalabilidad de la parte hardware, implica sensibilidad  alcance de los sensores, !B  uso de la energíaO  si analiEamos la escalabilidad en lo referente al software con la fiabilidad de los comandos de difusión  transferencia de datos, gestión de volmenes de datos  la utiliEación de algoritmos escalables para el análisisM+N. /ado que la topología de red en una BS1 es multisalto, la red se puede e#tender más allá que una red inalámbrica tradicional. Aunque por otro lado, se ve incrementado el consumo de energía en los nodos  con ello disminue la vida til del sensor. Lo ideal es establecer alguna alternativa a estas situaciones, como por eFemplo realiEar mediciones no tan frecuentes del parámetro investigado,  así disminuir el nmero de transmisiones. La cantidad de nodos que pueden formar una red de sensores BS1 puede alcanEar valores e#tremos. La densidad de sensores puede ser calculada segn M5NJ μ ( R ) =

N

( A / π⋅ R + )

/onde 1 es el nmero de sensores en la región o área A   es el rango o alcance de transmisió transmisiónn radio de de un sensor. sensor. 'l valor valor de PGH representa el nmero de nodos que se encuentran dentro del rango de transmisión de cada nodo en la región considerada. •

*ida til

Las redes inalámbricas se ven afectadas en cuanto al consumo de energía debido a las limitaciones de su fuente de alimentación. Sin embargo, la tecnología en este aspecto no ha avanEado demasiado, por el contrario se han hecho grandes esfuerEos en conseguir un aprovechamiento má#imo en la forma de distribuir la energía para el funcionamiento de los nodos. ada sensor debe realiEar su cometido con el obFetivo de ma#imiEar la vida til de la red. 9or lo que la clave de toda instalación es el grado de utiliEación de la energía. 'n los nodos se presenta el consumo má#imo de energía durante la transmisión  recepción r ecepción de datos. 'sto es lo que se considera a la hora de aumentar la duración de las baterías, por medio de una disminución de la potencia radial del sensor, o disminuendo los ciclos de transmisión a un mínimo, sin que esto afecte al requisito de la =oS. 9ara conseguir que los sensores tengan un baFo consumo de energía, supone que los componentes que los componen consuman baFa potencia. La 9-, el transceptor, los elementos de memoria interna etc. deben ser elementos de baFa potencia  ello puede afectar el compromiso de rendimiento medio. La transmisión de datos en los nodos puede realiEarse de tres formasJ de modo continuo en intervalos establecidos, dirigido por eventos Gtransmite cuando se cumple cierta condiciónH, o dirigido por consulta Gtransmite solo cuando e#iste una solicitudH. Aunque >

apítulo + tambiIn e#isten sistemas híbridos que utiliEan una combinación de algunas de estos tres mItodos. :ran parte de las investigaciones han ido orientadas a la optimiEación del consumo de energía, es una de las principales limitaciones que tienen estos dispositivos. 9or ello, se han realiEado ciertas estrategias hardware  software de modo que el tiempo  la duración de la mota en la red con suficiente energía sea el má#imo posible. Se conocen tres estados de funcionamientoJ $. SleepJ 'stado 'stado en el que el mote mote está está durmien durmiendo do o inactiv inactivo. o. Se pretende pretende que estI la maor parte del tiempo posible en este estado  que su consumo sea el mínimo. +. BakeupJ BakeupJ 'stado 'stado de cambio, cambio, en en el que que el nodo nodo se despierta despierta  va a pasar pasar a un estado activo.Se produce cuando el sensor recibe algn cambio, estímulo o interrupción programada dentro de sus funciones de detección  análisis. -no de los obFetivos es que el tiempo de wakeup sea mínimo para pasar rápidamente al estado de trabaFo. 5. ActiveJ Acti veJ 's el el estado estado activo activo del del mote, mote, donde donde está realiEando realiEando el trabaFo trabaFo de adquisición, procesado procesado  trasmisión de datos. 9or supuesto, este tiempo debe ser mínimo para volver cuanto antes al estado sleep, a que el consumo será el maor de los tres que se dan en cada fase. 'n la figura $.+ se muestra a modo visual los estados de un nodo sensor.

"igura #$)% &stados de de un nodo sensor

?


Además de las operaciones de radio, otras como la modulación o el maneFador radio tambiIn consumen su parte de energía  utiliEan parte el procesador. 9or supuesto, la recepción  trasmisión radio hacen que los niveles de consumo de energía puedan llegar hasta los 6u& en el caso de la transmisión, por lo que un factor importante para reducir estos consumos sería reducir el tiempo de estado activo del mote, como sabemos. 9ara acabar con este punto mencionar que otra de las tIcnica utiliEadas en el ahorro energItico, es la utiliEación de un protocolo de encaminamiento de paquetes eficiente.

•

(olerancia a fallas

9artiendo de que el comportamiento de las redes BS1 es impredecible,  que habitualmente se producen fallas en ellas, puede llevar a comportamientos no deseados en la red  hasta situaciones de colapso. 'n ocasiones los sensores pueden fallar, daKarse, ser interferidos físicamente o agotar la energía de sus baterías. 'l fallo de nodos individuales no debería afectar sobre el rendimiento global de la red, a que el tiempo en el que estos problemas puedan ser resueltos pueden Fugar en contra, llegando a ser fatal, si la red por sí sola no puede responder a estos problemas. La tolerancia a fallos es la capacidad que dispone la red de mantener sus funcionalidades sin interrupciones debido a fallos individuales. La fiabilidad GtH o tolerancia a fallas en un nodo, puede ser modelada mediante la distribución e#ponencial de 9oissonM6N para hallar la probabilidad de no sufrir un fallo dentro de un intervalo de tiempo G@,tHJ ( ) = e−λ⋅t

R t

/onde Q  t son la tasa de fallo del nodo  el periodo de tiempo, respectivamente. respectivamente. 's evidente, que el entorno donde los nodos se encuentren desplegados, va a influir en el cálculo de la tolerancia a fallas. La tolerancia a fallas en una red BS1 que se encuentre en una vivienda para monitoriEar temperatura  humedad por eFemplo, será baFa en comparación comparación a un despliegue de una red BS1 en un ambiente ambiente e#terior, donde la tolerancia a fallas será maor, a que los sensores tienen maor probabilidad de daKarse o ser interferidos físicamente. •

oste  facilidad de instalación

-na red de sensores BS1 debe ser capaE de auto configurarse, de tener la capacidad de evaluar  determinar problemas potenciales en la red. 2ediante la elección de un protocolo de enrutamiento enrutamiento adecuado, adecuado, una red BS1 puede puede por si sola descubrir enlaces  adaptarse a cada cambio del medio ambiente que se le presente. La ventaFa esencial de una red BS1 frente a otras tecnologías de red, reside en la facilidad de instalación, a que los nodos pueden disponerse por personas que desconocen los mecanismos de comunicación entre redes de datos. omo eFemplo, si comparamos el coste de un equipo !luetooth con el coste de un nodo sensor, el coste de un nodo sensor es dieE veces menor. abe seKalar, que los costes por mantenimiento de los elementos de red BS1 a largo plaEo son maores. 9or ello, se requiere que el sistema sea altamente robusto  ser capaE de realiEar una rutina de auto mantenimiento. :ran parte de la energía disponible



apítulo + en el sistema se consume en tareas de verificación  mantenimiento, por lo tanto la vida til de la red se ve afectada, originando tráfico de diagnósticos  reconfiguraciones. •

(iempo de respuesta

'l tiempo de respuesta ante un evento detectado en un nodo sensor debe ser mínimo. laro eFemplo es el suceso típico de una alarma, cuando se activa una alarma se envía un evento a un nodo sensor,  este debe atender al suceso reportando su respuesta ante la situación, para ello el nodo sensor debe reaccionar rápidamente. Además debe implantarse una prioridad de envío de mensaFes tan pronto como ocurra el evento, para meForar el tiempo de respuesta en la red BS1. •

9recisión (emporal

-n red BS1 debe ser capaE de mantener una base de tiempo global cíclica para ordenar las muestras  los eventos, esto significa que los nodos sensores deben estar sincroniEados entre ellos para transmitir los diferentes mensaFes de forma continua, dependiendo de las necesidades de los mensaFes, se configurará la frecuencia de los mismos. 9or lo tanto, para el mantenimiento del reloF distribuido en una red BS1 se requiere energía  disponibilidad de ancho de banda. •

9rivacidad

La maoría de las aplicaciones de las redes BS1 maneFan información sensible que debe ser protegida para evitar su difusión. 9or ello es necesario establecer enlaces de comunicación confidenciales, confidenciales,  asegurar la identidad de los elementos que conforman la red.

•

Seguridad

La seguridad en las redes BS1 ha ido cobrando importancia a medida que las aplicaciones de las mismas están migrando hacia la industria. 'n entornos distribuidos  descentraliEados, descentraliEados, se hace imprescindible la transmisión t ransmisión continua de grandes magnitudes de datos por las redes pblicas, atravesando multitud de medios. )maginemos un caso en el que un nodo sensor meteorológico registra datos como la temperatura, la humedad etc, a simple vista puede parecer que estos datos no poseen mucha importancia si son interceptados por manos no deseadas, pero pueden ser utiliEados en la planificación de ataques estratIgicos a una empresa u organiEación  especialmente cuando la red tiene un uso militar, con lo cuál mantener la seguridad de los mismos es de gran importancia. '#isten mecanismos de seguridad que se usan para preservar la información ante un uso indeseado, a sean ataques internos o e#ternos. 9or eFemplo, la autenticación de usuarios  dispositivos de red, asegura que los intervinientes en el proceso de comunicación son legítimos, o la autenticidad de los mensaFes que permite verificar la integridad de los datos. Además de los ataques mencionados, e#isten otros tipos de ataques que son difíciles de detectar a que no provocan una alteración de los datos pero que se pueden apalear con

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medidas preventivas, como son el análisis del tráfico para obtener información de la comunicación, la frecuencia  naturaleEa de los mensaFes. 9or ello, la alternativa en el diseKo de redes BS1 a fin de evitar estos inconvenientes, es conseguir un sistema más robusto, implementando diferentes tipos de seguridad en diferentes niveles del sistema, para ello el estándar de comunicaciones de las BS1, describe una serie de mecanismos de robusteE que veremos más adelante. •

(asa efectiva de muestreo

La tasa efectiva de muestreo es la velocidad a la que un dato tomado por cualquier nodo, puede ser comunicado al punto central de almacenamiento de la información. Los mecanismos más utiliEados para incrementar la tasa efectiva de muestreo están orientados en aprovechar la capacidad de procesamiento de la red, utiliEando por eFemplo mItodos de compresión espacial  temporal, reduciendo así el ancho de banda de la comunicación.

.9 Arquitectura de una red inalámbrica de sensores La forma de distribuir los sensores dependerá de las características del área a monitorear, pudiendo ser homogInea o heterogInea. 9or eFemplo, en el interior de un recinto cerrado como puede ser una fábrica, interesa una distribución de sensores homogInea empleando empleando una topología de red con infraestructura en estrella si el radio de cobertura entre nodos lo permitiese. 9or el contrario, en e#teriores como puede ser en una reserva natural, corresponde en su caso, caso, una distribución de sensores sensores heterogInea, heterogInea, dadas las características del terreno, en el que la conectividad del radio de cobertura entre sensores no estaría garantiEada, a menos que se emplee una topología t opología peer"to"peer multisalto distribuida. Los elementos que componen una BS1 sonJ los nodos sensores, la puerta de enlace o nodo sumidero  la estación base. 

Puerta de enlace enlace

La puerta de enlace hace de puente entre la red inalámbrica  una red de datos G(9R)9H, su obFetivo es interconectar dos redes de diferente tipo. La estación base realiEa la función de recolector de datos en un ordenador comn o sistema empotrado, normalmente es un equipo servidor dentro de una base de datos, desde donde los usuarios pueden acceder remotamente para observar  estudiar los datos.



Estación base

Los datos recogidos por la puerta de enlace son filtrados, analiEados  enviados a un servidor e#terno donde se dispone de una base de datos para su almacenamiento. 'sta base de datos es accesible desde un simple sistema Beb que muestra los datos almacenados.

$$

apítulo + 

Soporte físico de un nodo sensor sensor

Los nodos sensores son conocidos como motas, por el reducido tamaKo que presentan. Son dispositivos que poseen la suficiente inteligencia como para captar un fenómeno físico proveniente del medio o entorno en el que se encuentran, transformar dicha información, procesarla  transmitirla de manera inalámbrica hacia un destinatario. 9ara conseguir este cometido, no resulta nada fácil, encuadrarlo dentro de un espacio reducido, con un baFo consumo de energía  coste. 'n el que además se desea un amplio radio de cobertura de transmisión de datos eficaE  una eFecución de programas con una alta tasa de potencia. 'n cuanto a sus características, son dispositivos que procesan algoritmos sencillos, a que requieren un elevada autonomíaO autonomía O poseen poca velocidad de procesamiento, se comunican baFo una banda estrecha de frecuencias  una corta vida til. 9ero en conFunto, ofrecen una gran capacidad de procesamiento. Los nodos sensores están equipados con un elemento de cómputo, que en lugar de enviar todos los datos brutos de los sensores, tiene que procesarlos localmente mediante cálculos simples, con el fin de transmitir sólo la información necesaria  reducir las transmisiones dentro de la red M8N. 'l hardware de un nodo sensor consta de un transceptor, de uno o más sensores  actuadores, batería  una unidad de proceso Gprocesador  memoriaH, tambiIn pueden contener otros componentes en función de las necesidades de la aplicación, como es el almacenamiento de datos e#ternoJ memoria flash, localiEador :9S, generador de energía, etc. 'n la 0igura $.5, se puede observa la estructura interna de un nodo sensor.

ENTORNO

"igura #$*% +ardware de un un nodo sensor

La potencia de procesamiento de un nodo sensor va a depender del tipo de procesador. 'l procesador es el encargado de interpretar  procesar los datos que el sensor ha monitoreado, para transmitirlos a otra estación. Además de gestionar la memoria de almacenamiento encargada de almacenar datos intermedios Ro programas. La seKal analógica producida por el sensor es convertida a seKales digitales por el A/, la cual alimenta la unidad de procesamiento para luego ser almacenado M8N. Se clasifican a los sensores en tres grandes categoríasJ •

$+

Sensores pasivos omnidireccionalesJ eFemplos de estos sensores son los termómetros, sensores lumínicos, de vibración, micrófonos, de humedad, tensión


en materiales, detectores de humo, de presión atmosfIrica, etc. 2iden una magnitud física en la ubicación del nodo, sin interactuar con el medio que le rodea,  son capaces de alimentarse de la energía del ambiente donde se encuentran por algn mItodo estandariEado, que posteriormente suelen utiliEar para la amplificación de sus seKales seKales analógicas. analógicas. •

•

Sensores pasivos de haE estrechoJ un eFemplo de este tipo de sensor es una video cámera que puede efectuar mediciones de parámetros en una determinada dirección. Son pasivos pero poseen una buena definición sobre la noción de medidas  direcciones. Sensores activosJ eFemplos de estos sensores son los radares, un sonar etc. -tiliEan un muestreo activo del ambiente.

Dabiendo considerado anteriormente las mItricas a tener en cuenta al momento de evaluar los diferentes rendimientos en las redes BS1, vamos a considerar ahora los parámetros que califican califican a los nodos nodos individuales.

.7 2actores para la evaluación de los nodos individuales Algunos de los parámetros son similares a los utiliEados en la evaluación de las redes en sí mismas. •

'nergía

La demanda energItica de los nodos sensores debe ser mu baFa. Los sensores son dispositivos que dependen de la batería  desde luego el reemplaEo de la misma no es una tarea fácil sobre todo cuando se considera una red de varios miles de nodos. A diferencia de cualquier otro dispositivo el consumo energItico de un nodo en una red BS1 debe considerarse del orden de micro amperios  una vida til mucho más e#tensa. 9ara lograr este cometido deben emplearse en su fabricación componentes hardware de baFa potencia,  tIcnicas de ciclos de trabaFo mu cortos. 'n la fase activa del nodo, durante la comunicación radial, se produce el maor consumo energItico, con lo que para reducir estos tiempos a un mínimo, se han desarrollado  se siguen desarrollando algoritmos  protocolos que palien este consumo. •

0le#ibilidad

Si consideramos las posibilidades de trabaFo de cada red BS1, cada escenario proecta diferentes intercambios de cada uno de los parámetros de los dispositivos. 'llo obliga a que la arquitectura de los nodos sea fle#ible  adaptable,  se tiene que considerar el ciclo de vida, el tiempo de respuesta  el procesamiento de la red. 9or ello es fundamentalmente necesario una gran modularidad de software  hardware de manera que las diferentes aplicaciones puedan ser eFecutadas sin perder rendimiento ni eficiencia.

$5

apítulo + •

obusteE

La robusteE de un nodo se mide como la capacidad del mismo frente a cambios en los procedimientos, aplicaciones o circunstancias en las que se utiliEa. 9ara que un nodo pueda ser capaE de soportar el ciclo de vida requerido, debe ser fabricado tan robusto como sea posible. ada nodo de manera individual debe ser lo más independiente posible, para atender a interacciones inesperadas. 'n aplicaciones típicas de redes BS1s centenas de dispositivos deben trabaFar por aKos coe#istiendo con otros sistemas inalámbricos, de tal modo que es indispensable la robusteE tambiIn de los l os vínculos inalámbricos. •

omunicación

9ara minimiEar el tamaKo del dispositivo  su consumo energItico, generalmente la comunicación entre los nodos nodos sensores a travIs de distancias relativamente relativamente cortas se se realiEa por medio de seKales de radio frecuencia G0H. Si la distancia de los nodos es e#tensa, probablemente no se pueda mantener la intercone#ión de la red, o en caso que sea posible, no sería posible asegurar la redundancia suficiente como para mantener un nivel de confiabilidad aceptable. Si las comunicaciones de la red demandan una maor densidad de nodos, deben aKadirse aquellos que se consideren necesarios a los obFetivos del proecto. La forma de conseguir un rendimiento alto en una cone#ión, es obteniendo en los nodos sensores altas tasas de transferencia efectiva de datos con un consumo baFo de energía. A medida que aumenta la velocidad de transferencia disminue el tiempo de comunicación, por lo que el consumo disminue consecuentemente. •

apacidad de cálculo

'l procesamiento de los datos dentro de la red  el maneFo de protocolos de comunicación de baFo nivel, son las operaciones más frecuentes en cualquier red BS1. Los requerimientos de tiempo real, están asociados con la comunicación  con el monitoreo. Las 9-s de los nodos sensor deben controlar el radio, decodificar el mensaFe, almacenar en memoria los datos necesarios, etc, todo ello en tiempo real. Sin contar, el trabaFo habitual como el filtrado digital, el cálculo de valores medios o el análisis de la correlación  datos espectrales. La 9- de un nodo sensor Fuega un papel mu importante. A medida que la tasa de transferencia de información en la red sea maor, maor deberá ser la capacidad de cálculo del nodo. •

SincroniEación

's preciso mantener una sincroniEación entre nodos de una red. -n nodo para poder comunicarse debe encontrarse en su estado activoT,  cuando no se comunican, en su estado sleepT para ahorrar energía. 'stos estados deben corresponderse entre los estados de los nodos participantes en la comunicación, si no es así, se requerirán más ciclos de trabaFo debido a esta ineficiencia, degradando con ello el rendimiento de la red. 9or ello la sincroniEación de los nodos debe compensarse continuamente de forma precisa.

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•

(amaKo  costo

Actualmente en el mercado e#isten dispositivos en tamaKos desde una moneda hasta de un paquete de tabaco. 'l tamaKo facilita f acilita la instalación de los dispositivos en el escenario elegido. Los precios dependen de la capacidad de procesamiento, de los requerimientos de instalación instalación  del nmero de de equipos equipos solicitados. solicitados. on una fácil fácil instalación, instalación, se disminuen los costes de implementación. 9or otro lado, los nodos inalámbricos por baterías no precisan precisan de cables para su instalación. instalación.

.: El estándar 'EEE :4.+>.5 'n el aKo +@@@ dos grupos de trabaFo GUig!ee  el grupo $8 de trabaFo )''' ?@+H se unieron para dar a conocer la necesidad de un nuevo estándar para redes inalámbricas de baFo poder  por lo tanto baFos costos en ambientes industriales  caseros. /ando como resultado que en diciembre de ese aKo el comitI para nuevos estándares )''' G1esomH designara oficialmente un nuevo grupo de trabaFo para el desarrollo de un nuevo estándar de baFa transmisión en redes inalámbricas para áreas personales GL" B9A1H, con lo que nació el estándar que ahora se conoce como el ?@+.$8.6. Algunas de sus características se resumen en la (abla $.$. ,a!la #$#% -aracter(sticas del est.ndar e st.ndar I&&& /0)$#1$2

ango de transmisión de datos

?
'l estándar )''' ?@+.$8.6 presenta una arquitectura como en la 0igura $.6. 'ste estándar proporciona soporte de protocolos 2A  9D7 para redes inalámbricas de baFa potencia  baFo ancho de banda. banda. 'n la capa física, el estándar )''' ?@+.$8.6 puede funcionar en una gran gran variedad de bandas bandas de frecuencias, incluendo la banda )S2 de +,6 :hE en el cual el estándar define $< canales separados.

$8

apítulo + 9or encima de la capa física, la capa de 2A proporciona dos modos de funcionamientoJ modo beacon o modo sin beacon. 'l modo beacon habilitado ofrece muchas características interesantes como un canal de acceso libre de contención Glibre de colisionesH o la recepción de tramas mediante el sondeo o polling. 'n el modo sin beacon habilitado todas las tramas son enviadas mediante el algoritmo de contención S2A"A.

"igura #$2% Ar3uitectura I&&& /0)$#1$2 /0)$#1$2

Las funciones de la capa física 9D7 son las siguientesJ • • • • • •

Activar  desactivar la radio /etección de energía 2edida del L=), Link =ualit )ndicator S2A"A Garrier Sense 2ultiple Access with ollision AvoidanceH Selección de frecuencias de canal (ransmisión  recepción de datos

9or parte de la capa 2A, control de acceso al medio, se realiEan las siguientes funcionesJ • • • • •

:enerar beacons en caso de que el dispositivo sea un nodo coordinador SincroniEación con los beacons Soportar asociación  disasociación 9A1 Soporte de seguridad del dispositivo %frecer un enlace fiable entre dos entidades 2A

La medida del L=), es un indicador para caracteriEar la potencia de la seKal o de la calidad de un paquete recibido. 9uede ser implementado usando la detección de energía, la S1 o una combinación de ambos. Su implementación depende de la plataforma hardware utiliEada.

$<


'l )''' ?@+.$8.6 presenta dos topologías posibles. 9eer"to"peer, para redes mesh  en estrella. Los dispositivos pueden ser 00/ G0ull 0unction /eviceH o 0/ Geduced 0unction /eviceH. 'n la topología estrella la comunicación se establece entre los dispositivos  un nodo central, 9A1 oordinator, que es un 00/ que acta como tal. 'n la topología peer"to"peer e#isten los 9A1 oodinator pero cualquier nodo es capaE de comunicarse con cualquier otro siempre que se encuentre dentro de su alcance. Algunas aplicaciones requieren anchos de banda dedicados a lograr estados latentes para un consumo de baFa potencia. 9ara lograr dichos estados latentes el )''' ?@+.$8.6 se puede operar en un modo opcional llamado super"estructuras GsuperframesH. La superframe está formada por $< slots  está separada por dos tramas de tipo beacon. '#isten tres variantes de superframe mostradas en la 0igura $.8.

"igura #$1% "ormato "ormato de la super4rame en I&&& /0)$#1$2 /0)$#1$2

'l coordinador 9A1, transmite superframes de guía en intervalos definidos. 'stos intervalos pueden ser tan cortos como unos $8 ms o tan largos como +68 s. 'l tiempo entre cada uno de ellos se divide en $< ranuras de tiempo independientes a la duración de cada superframe. -n aparato o instrumento puede transmitir cuando sea durante una ranura de tiempo. 9ero debe de terminar su transmisión antes de la siguiente superframes de guía. 'l canal de acceso en las ranuras de tiempo es una contención de baseO sin embargo el coordinador de 9A1 puede asignar intervalos o ranuras de tiempo a un solo aparato que requiera un determinado ancho de banda permanentemente o transmisiones latentes baFas. 'stas ranuras de tiempo asignadas son las ranuras de garantía G:(SH  Funtas forman un periodo de contención libre localiEado antes de la pró#ima seKal de guía. 'n la 0igura $.< puede verse las tres variantes de superframe. /urante la superframe, los dispositivos compiten por obtener el canal mediante un sistema de tipo S2A"A ranurado. %pcionalmente se puede definir un periodo de inactividad durante el cual los dispositivos pueden entrar en modo inactivo  tambiIn e#iste la posibilidad de utiliEar periodos libres de competencia G09, contention free periodH para asignar un ancho de banda a determinadas determinadas aplicaciones aplicaciones G:(S, :uaranted :uaranted (ime SlotH.

$>

apítulo + Se definen 5 mecanismos de comunicación. /os de ellos aplicados para estructuras de red en estrella  el restante para la comunicación en el caso de peer"to"peer.

"igura #$6% Mecanismos de comunicaci5n comunicaci5n en I&&& /0)$#1$2 /0)$#1$2 topolog(a en estrella7

'n la figura se muestra la comunicación establecida para una topología en estrella con beacons Guso superframesH  para el caso sin beacons, acceso al medio mediante S2A"A no ranurado. 'n la comunicación en redes peer"to"peer cada dispositivo se puede comunicar con cualquier otro que se encuentre dentro de su radio de alcance. 'n este caso, los dipositivos pueden estar permanentemente recibiendo o estar sincroniEados unos con otros. uando no e#ista sincroniEación entre ellos, la transmisión se realiEa mediante un sistema S2A"A no ranurado. '#isten 6 tipos de tramas diferentesJ beacon 0rame, /ata 0rame, Acknowledgment 0rame  la 2A command 0rame. La estructura de estas tramas es la mostrada en la 0igura $.>.

"igura #$8% "ormatos de de trama en I&&& /0)$#1$2 /0)$#1$2

$?


La trama 2A ommand 0rame se utiliEa para transmitir órdenes en el diálogo entre el 9A1 oordinator  los demás dispositivos. La trama a nivel físico se divide en tres partes. La primera de ellas se denomina SD GSnchroniEation GSnchroniEation DeaderH  se utiliEa para tareas de sincroniEación. La segunda parte, 9D G9D7 DeaderH contiene nicamente el tamaKo total de la trama. A nivel 2A la estructura varía en función del tipo de trama  las opciones que están habilitadas. 9resenta tres partes denominadas 2D G2A DeaderH, 20 G2A 0ooterH que contiene un código 0S G0rame heck SequenceH para la comprobación de errores  los datos G2A 9aloadH. 'l campo 0rame ontrol se utiliEa para definir el tipo de trama, los addressing fields  otros flags de control.

.C LoF)A" on el fin de integrar las redes de sensores inalámbricas inalámbricas con otras tecnologías de red, es necesario una capa de red general como )pv<. 'ste protocolo no puede ser usado directamente como protocolo de red superior a )''' ?@+.$8.6, a que, entre otros, los paquetes )9v< son demasiado grandes para que quepan en una nica trama de )''' ?@+.$8.6 G$$6 btesH. 9ara resolver este problema, el )'(0 especifica una capa intermedia que proporciona los servicios necesarios para el soporte de )9v< sobre )''' ?@+.$8.6 basadas en redes de sensores M btes, es necesario la fragmentación  el reensamblaFe para transferir paquetes )9v< entre nodos de sensores. La capa LoB9A1 tambiIn proporciona el mallado  la radiodifusión multisalto con el fin de gestionar el encaminamiento de paquetes entre los nodos de la misma 9A1 G9ersonal 1etwork AreaH. Además, puede realiEar la compresión de cabecera )pv<. A fin de garantiEar la e#tensibilidad, la especificación LoB9A1 no define un nico VLoB9A1"headerV, sino que define una cabecera separada para cada servicio prestado. A fin de distinguir entre los encabeEados de los diferentes servicios. uando una trama se envía, los encabeEados correspondientes se crean, aKadiendo su con su correspondiente bte  luego se almacenan en un orden fiFo en el inicio de la carga til de la trama 2A )''' ?@+.$8.6. 'n el caso que un paquete )9v< sea sea lo suficientemente pequeKo pequeKo para caber en una nica trama de LoB9A1 no se realiEa la fragmentación de la cabecera. (ras la recepción de paquetes, los encabeEados LoB9A1 son procesados por los servicios apropiados en el mismo orden en que fueron almacenados. 9uesto que cada servicio puede decidir que cabeceras adicionales no se van a procesar, estos servicios pueden considerarse considerarse como VsubcapasV VsubcapasV independientes independientes dentro de la capa LoB9A1.

$

Capítulo

CAPÍTULO 1" C O M P A R A T I V A E N T R E D O S PLATAFORMAS DEL MERCADO" TELOSB Y SUN SPOT

A

travIs de los aKos las redes de sensores se han vuelto cada veE más populares, no sólo como un tema de investigación, sino tambiIn para aplicaciones reales. /ebido a esto, ahora e#isten muchos marcos para el desarrollo de redes de sensores, cada uno con su propia preferencia de lenguaFe de programación  soportes para plataformas hardware. Actualmente e#iste una gran cantidad de plataformas comerciales disponibles para redes de sensores. 2uchas de estas plataformas son de propósito general lo que permite adquirir los dispositivos para programarlos  realiEar aplicaciones propias sin necesidad de desarrollar una plataforma propia. '#isten diversos tipos de nodos en función de su propósito o sus características. Los nodos de propósito general son aquellos que pueden ser adaptados para realiEar diferentes medidas  se pueden utiliEar en mltiples aplicaciones. 'n algunos casos estos nodos incorporan entornos completos para el desarrollo de aplicaciones como los sistemas operativos (in%S, 1anoC  &2* entre otros. Además, muchos de ellos incorporan conectores que permiten conectar placas de sensores  medir prácticamente cualquier parámetro físico que se desee.

154 I!t&*)ucci! 'n este capítulo se va a realiEar una descripción de los componentes, tanto hardware como software tanto para la mota de (elos! como la mota de Sun S9%(. *amos a realiEar un estudio por separado de dos plataformas de sensores más comunes en el desarrollo de redes de sensores inalámbricos,  posteriormente concluiremos con la comparación de ambas tecnologías.

+@

omparativa entre dos plataformas del mercado

153 Plata6*&'a T%l*$B (elos! G,PR)200H se muestra en la 0igura +.$, tecnología producida por rossbow (echnolog )nc, fue el resultado de más de $+ meses de investigación, desarrollado por dos estudiantes de postgrado de la -niversidad de alifornia, !erkele e investigaciones de otras instituciones G)ntel, '(D Uurich, etc...H. (elos! integra la capacidad de programación por -S!, computación baFo un procesador de baFo consumo con una memoria e#tendida, comunicación mediante un sistema radio integrado )''' ?@+.$8.6, un conFunto conFunto de sensores de luE, temperatura temperatura  humedad además de ofrece un servicio de detección en un solo dispositivo.

"igura )$#% Parte superior de un ,PR)2)0

'n la 0igura +.+ puede verse el diagrama de bloques del (9+6+@.

"igura )$)% 9iagrama de !lo3ues del ,PR)2)0

A continuación veremos una descripción de cada bloque del sensor por separado.

+$

apítulo 5 'l microcontrolador 2S965@ consiste en un procesador de $< bits a ?2DE con arquitectura )S, algunos perifIricos  un sistema de reloF fle#ible, interconectados usando un bus comn para datos, memoria A2 interna de $@ k! para las variables del programa Gcon arquitectura von"1eumannH von"1eumannH  memoria 0lash de 6? Cb, esta memoria no volátil se divide en dos EonasJ la Eona de código  la Eona de información. La Eona de código es el lugar donde se almacena el programa a eFecutar por la 9-  la Eona de información es una Eona de libre propósito para uso del programador. La arquitectura )S se caracteriEa por tener un Fuego de +> instrucciones  > modos de direccionamiento, ser ortogonal, es decir, cualquier instrucción puede usar cualquiera de los modos de direccionamiento e incorporar $< registros de $< bits totalmente accesibles. 'l reloF de sistema esta diseKado para dispositivos de baFo consumo, a que permite varios modos de operación configurables configurables por software, por lo que consta de dos reloFes principales  uno secundarioJ •

•

•

ALCJ reloF principal de baFa frecuencia au#iliar Gpara el modo de baFo consumo stand"bH. 2LCJ reloF principal de alta velocidad, para alto rendimiento. -tiliEado por la 9-  el sistema. S2LCJ reloF destinado a los perifIricos.

-na baFa frecuencia de reloF implica un baFo consumo. 'n este diseKo se optó por usar un cristal de baFa frecuencia de 5+CDE  uno de alta frecuencia de ?2DE para la 9-. /e esta manera, el funcionamiento normal es lo suficientemente rápido  se puede utiliEar un modo de baFo consumo. 'l microcontrolador 2S965@ funciona baFo una tensión de $.? *, el sistema completo tiene una tensión de corte de $.? *, e#actamente el mismo que el voltaFe mínimo requerido para el 2S965@. 'n las siguientes (abla +.$  (abla +.+ se muestran las especificaciones especificaciones del microcontroladorJ ,a!la )$#% &speci4icaciones del microcontrolador microc ontrolador M:P2*0 para ,elosB;8<

2ote (pe 7ear (pe 9rogram memor GC!H A2 GC!H Active 9ower GmBH Sleep 9ower GWBH Bakeup (ime GWsH 2)9S

++

(elos +@@6 () 2S965@ 6? $@ 5 $8 < $<


,a!la )$) -onsumo de corriente de la l a mota ,elosB;8<

2ote Standb 2- )dle 2- Active 2- X adio Y 2- X adio (Y G@ d!mH 2- X 0lash ead 2- X 0lash Brite 2- Bakeup adio Bakeup

8.$ WA 86.8 WA $.? mA +$.? mA $.8 mA 6.$ mA $8.$ mA < Ws 8?@ Ws

'l 2S965@ posee un controlador de /2A Gacceso directo a memoriaH para reducir la carga del ncleo  obtener un menor consumo de energía. 'ste controlador opera mientras el ncleo del 2- está durmiendo. omo por eFemplo, permite realiEar las tareas de muestreo del conversor conversor A/, transferir datos desde  hacia hacia la antena radio sin interrumpir la 2-. Los controladores /2A tradicionalmente se utiliEan para aumentar el rendimiento, pero en el caso de sistemas integrados de baFa potencia, el controlador /2A reduce el ciclo de trabaFo al permitir que el ncleo del 2 permaneEca dormido más tiempo ti empo  con menos interrupciones de servicio. Las meForas en el rendimiento con el /2A consiguen una frecuencia de muestreo má#ima de +@@ksamplesRseg en comparación con $@@ksamplesRseg como má#imo sin el controlador /2A. 'l oscilador controlado digitalmente GZ/%Z, /igital ontrolled %scillatorH permite al dispositivo despertarse desde los modos de baFo consumo hasta el modo activo. La transición del modo de espera  :leepT G$WAH al modo activo G?2DEH no supera los
apítulo 5 fase son menos bruscas, de modo que se consigue reducir la interferencia con canales contiguos. La antena del +6+@ es omnidireccional pudiendo alcanEar los 8@ metros dentro de un edificio  los $+8 en el e#terior. 'l +6+@ proporciona una serie de aceleradores GhardwareH para obtener un meFor rendimiento. 'stos incluen cifrado  autenticación, soporte de transporte de paquetes, corrección de errores mediante AC  decodificación de direcciones. 'l inconveniente de que los aceleradores se encuentren embebidos en el chip del transceiver en lugar del microcontrolador, está en que el cometido de los aceleradores no pueden usarse e#presamente como una función general. 9or eFemplo, un buffer de datos puede ser encriptado  almacenado en la memoria flash, sin embargo hasta que no sea enviado a travIs del transceptor radio, este módulo quedará inutiliEado. %tros inconvenientes se refleFan en el soporte ofrecido de corrección de errores mediante AC, cuando los paquetes no están dirigidos al nodo local se descartan, impidiendo que mensaFes con contenido relevante como pueden ser tablas de encaminamiento no lleguen a su destino. (elos! integra una serie de funciones que crea un sistema más robusto. La mota de (elos! inclue un hardware de protección contra escritura para almacenamiento e#terno. 'ste hardware de protección es esencial para sistemas que pueden ser reprogramados inalámbricamente. inalámbricamente. /e forma que, cuando la mota se conecta a un puerto -S!, la protección contra escritura se desactiva  puede escribirse sobre el segmento de la memoria flash e#terna. uando funciona con batería Gsin -S!H, el segmento queda protegido contra escritura. escritura. La mota inclue un bloque bloque llamado Batch/og (imer (imer GB(/H, su función principal es la de realiEar un reset controlado del sistema despuIs de que un problema de software ocurra. La detección del problema se logra por medio de sucesivos refrescos al B/( por parte del software. Si el B/( e#pira, entonces el sistema es reiniciado automáticamente. Adicionalmente, Adicionalmente, si el B/( no es utiliEado para controlar la eFecución del software puede ser utiliEado como un timer e#tra. :racias a la característica de sus conectores de <  $@ pines, la mota tiene la capacidad de interactuar con dispositivos adicionales. 9ueden ser configurados para controlar sensores analógicos, perifIricos digitales  displas L/. 9ara acabar aKadir que la mota de (elos! esta diseKada como una plataforma de código abierto, compatible con el sistema operativo de distribución abierta (in%s. 'l sistema operativo  su software está escrito en nes.

151 Plata6*&'a SUN SPOT La tecnología Sun S9%( GSmall 9rogrammable %bFect (echnologH es desarrollada por la empresa Sun 2icrosstems. A finales del aKo +@@6 se inició el proecto Sun S9%( en el departamento de investigación Sun Labs Gactualmente %racle LabsH, pero hasta el aKo +@@< no se comercialiEó la primera versión de la tecnología Sun S9%(. 'l obFetivo de los ingenieros de Sun era adaptar a las redes de sensores inalámbricos, los conocimientos  la e#periencia adquiridos en el desarrollo de &ava 2'
+6


'ditionH. Dasta febrero de +@$$, con %racle Labs, no se ha lanEado una revisión de esta tecnología con la que se meFora el hardware  software de la primera versión del +@@<. Los sensores Sun S9%( operan a partir de un procesador de 5+ bits a $?@ 2hE, 8$+Cb de memoria A2, 6 2b de memoria memoria 0lash no volatil, ? multicolor multicolor L'/s, < pines para entradas análogas, 6 pines para salidas de alta corriente  tensión  8 pines de entrada  salida general además de un interfaE -S! integrados en un mismo dispositivo. La comunicación inalámbrica se realiEa con un radio transmisor  una antena integrada que es compatible con )''' ?@+.$8.6. La placa del sensor inclue un acelerómetro de 5 eFes, un sensor de temperatura  un sensor de luE. La mota Sun S9%( que acta como nodo sensor dentro de la red de sensores inalámbricos se la conoce como eSpot. (iene tres componentes básicos como se observa en la 0igura +.5J

"igura )$*% +ardware de la mota mota e:pot

•

•

•

9laca base principalJ principalJ esta 9! G9rintedircuit!oardH G9rintedircuit!oardH alberga la 9-, el chip de memoria, el transmisor  receptor radio  el puerto -S!. 9laca base con sensoresJ esta 9! está conectada a la principal  alberga entre otros componentesJ el acelerómetro 5/,el sensor de luE,el sensor de temperatura, dos botones de control  ocho L'/s GLight"'mitting /iodeH tricolor de estado. !ateríaJ es la fuente de energía de la mota  se conecta a la placa principal, la cual contiene el controlador de energía. +8

apítulo 5

A continuación, vamos a describir las características más importantes de cada bloque de la mota de Sun S9%( por separado. Atmel A,=#RM=)00 consiste en un procesador de 5+ bit a $?@2DE 'l microcontrolador Atmel con arquitectura )S, $< Cb para instrucciones  otros $< Cb para instrucciones de memoria cachI. 'ste microcontrolador tiene 5 reloFes, uno principal :LC,  otros dos J 0LC que es controlado por desde un software programable enganchado en fase 9LL,  !LC que es controlado por el reloF en tiempo real 5+.>
,a!la )$* &speci4icaciones del microcontrolador micr ocontrolador A,=#RM=)00 para :N :P>,;/<

(ipo de 2ota (ipo 9rogram memor G2!H A2 GC!H Active 9ower GmBH Bakeup (ime GmsH 2ote Standb GWAH 2- )dle GmAH 2)9S

Sun S9%( Atmel A($2+@@ 6 8$+ 66 +"$@ 5+ +6 +@@

La mota de eS9%( puede ser alimentada por batería, por una fuente de voltaFe e#terna o por una cone#ión a -S!. La batería batería interna de 5.> * es de ion"litio recargable, posee un circuito de protección contra el e#ceso de tensión o sobrecarga. 9uede ser recargada desde el conector -S! o desde una fuente e#terna de 8*. La mota inclue un circuito de control de potencia, que realiEa varias funciones, como son la de mantener el reloF del sistema en tiempo real, r eal, de despertar al sistema cuando se activa una alarma o cuando ocurre una interrupción desde el módulo de aplicación,  de despertar al sistema  modificar su estado a deep"sleepT.

+<


150 C*'7a&aci! %!t&% la 7lata6*&'a T%l*$B ( SUN SPOT 9ara comparar las tecnologías descritas, (elos!  Sun S9%(, vamos a realiEar el cálculo de las variables de potencia que se describen a continuación.

%/L%L&S (E )&$E"%'A •

9otencia de transmisión 9t

's la potencia con la cual se transmite la seKal. P ta @ dBm

•

[ 5. WB [ "+6 d!m

-mbral de ecepción Y(hresh\

's la mínima potencia con la que se recibe un paquete para que Iste pueda ser detectado e#itosamente. PR?,hresh PR?,hresh

[ "@ d!m [ $.@@@@@@@@@@@@@@@+e"$+ $.@@@@@@@@@@@@@@@+e"$+ B

9ara ambos sensores las dos potencias calculadas anteriores son las mismas, a que tienen en comn el mismo transceptor 0. •

9otencia requerida para transmitir

La energía usada por la radio del emisor para transmitir el paquete de datos. 9ara el sensor de (elos! onsideramos el valor de corriente de la (abla +.+, $>.6 mA con un voltaFe de $.? * . Pt@

[ $>.6 mA # $.? * [ 5$.5+ mB [ $6.8? d!m

9ara el sensor de Sun S9%(J onsiderando el valor de la (abla +.5, $>.6 mA  un voltaFe de 5.> *. Pt@

•

[ $>.6 mA # 5.> * [ <6.5? mB [ $?.@?? d!m

9otencia requerida para la recepción

's la energía consumida para recibir un paquete de datos.

+>

apítulo 5 9ara el sensor de (elos!J onsiderando el valor de la (abla +.+ $.> mA  un voltaFe de $.? *. Pr @

[ $.> mA # $.? * [ 58.6< mB [ $8.6> d!m

9ara el sensor de Sun S9%(J onsiderando el valor de la (abla +.5, $.> mA  un voltaFe de 5.> *. Pr @

•

[ $.> mA # 5.> * [ >+.? mB [ $?.<+> d!m

9otencia consumida en modo idle

's la energía consumida cuando se encuentra la radio activada pero no se encuentra transmitiendo ni recibiendo. 9ara el sensor de (elos! La corriente en este caso es de 86.8 WA  el voltaFe sigue siendo $.? *. Pidle

[ 86.8 WA # $.? $.? * [ ?.$ WB [ "$@.@?5< d!m

9ara el sensor de Sun S9%(, se considera una corriente de +6 mA segn la (abla +.5. Pidle

•

[ +6 mA # 5.> * [ ?.? mB [ $.6?6? d!m

9otencia consumida en modo sleep

's aquella que requiere el nodo cuando se encuentra en sus períodos de inactividad con la radio apagada. 9ara el sensor de (elos! La corriente en este caso es de 8.$ WA  el voltaFe sigue siendo $.? *. Psleep Psleep

[ 8.$ WA # $.? * [ .$? WB [ "[email protected]>+5 "[email protected]>+5 d!m

9ara el sensor de Sun S9%(, el valor 5+ WA segn la (abla +.5. Psleep Psleep

[ 5+ WA # 5.> * [ $$?.6 WB [ ".+<< d!m

SeKalar que tanto la mota de (elos! como la mota de Sun S9%( trabaFan con el mismo modelo de transceptor, el hipcon +6+@. 9ara recoger el transceptor radio más aplicable, debemos evaluar el impacto del ruido, la fle#ibilidad disponible para la aplicación final, la facilidad de comunicación con otros dispositivos, el consumo de +?


energía, los tiempos de inicio  de ancho de banda de datos disponible. 'l transceptor radio debe ser seleccionado basándose en los requisitos de aplicación. La (abla +.6 proporciona un resumen resumen de las características características de radio más comunes. ,a!la )$2% -apacidades de algunos transceptores radio del mercado;6<

(pe *endor 9art. n] 2a# /ata rate GkbpsH # power GmAH (# power GmARd!mH 9owerdown power GWAH (urn on time GmsH 2odulation 9acket detection Address decoding 'ncrption support 'rror detection 'rror correction Acknowledg "ments !uffering GbtesH

1arrowband

Bideband

02 hipcon hipcon 1ordic ($@@@ $@@@ +6@@ n0 +6@$

hipcon 2otorola Ueevo +6+@ 2 U*6@@+ $5$$

$$8.+

><.?

$@@@

$@@@

+8@

+8@

>+5.+

5.?

.<

+6

$?

$.>

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<8

$+R$.8

$<.8R$@

$R@

$5R@

$>.6R@

56

<8

$

$

$.8

@.6

$

$

$6@

@.@+

+

$.$5

5

@.8?

+@

^

%%CR ASC 1o

0SC

1o

1o

0SCR :0SC 9rogram" mable 1o

1o

1o

1o

1o

:0SC /SSS"%" /SSS"%" =9SC =9SC 7es 7es 7es

0DSS" :0SC 7es

7es

7es

7es

7es

1o

1o

1o

1o

7es

7es

$+?"bit" A'S 7es

7es

$+?"bit" S 7es

1o

1o

1o

1o

7es

7es

7es

1o

1o

1o

1o

7es

7es

7es

1o

$

5+

$<

$+?

$55

7es^

AnaliEando esta tabla, se observa que e#isten dos distinciones J 1arrowband Gradios en banda estrechaH  Bideband Gradios en banda anchaH. 9or lo general, los tipos de radio en banda estrecha proporcionan tiempos de arranque mu rápido, a que están sincroniEadas por el 2- GmicrocontroladorH, pero tienen esquemas simples de modulación, no ha códigos de ensanchamiento,  no son robustos al ruido. +

apítulo 5 Los tipos de radio en banda ancha deben esperar oscilaciones de alta velocidad para arrancar. Los radios en banda estrecha habitualmente funcionan a frecuencias más baFas  proporcionan menores tasas de datos, los radios en banda ancha suelen operar en la banda de +,6 :DE :DE  proporcionan velocidades velocidades de datos datos más altas. -na de de las meForas en los esquemas de modulación que presentan las Bideband Gradios de banda anchaH, son por eFemplo el espectro ensanchado G/SSSH  la 9hase Shift Ceing G%"=9SCH, que proporcionan robusteE de la seKal al ruido. 'l chip +6+@ presenta mu buenas prestaciones, comparándola con otros chips encontrados en el mercado. Lo más destacado es el soporte para encriptación A'S. 'l chip +6+@ proporciona cifrado A'S"$+?. La aplicación consiste en cargar los bffers de seguridad de memoria A2 en la +6+@ con la información a ser cifrada " esto sería la carga til de un paquete, sin el encabeEado. /espuIs de que la carga til está cifrada, el microcontrolador lee del buffer de seguridad de memoria A2  concatena los datos con la cabecera del paquete sin cifrar. 'ste paquete completo sería cargado nuevamente en la cola del bfer 0)0% del chip +6+@ para ser transmitidos. 'l uso de la encriptación A'S"$+? puede ser ineficiente  sin duda disminuirá el rendimiento. 7a que la encriptación de los datos contenidos en el buffer no puede comenEar desde un offset en particular, sino que necesita ser escrito, leído,  re"escrito. 'n muchos casos, la autenticación es más deseable que el cifrado. La encriptación aumenta significativamente el consumo de energía en la mota  disminue el throughput de paquetes, pudiendo no cumplir con algunos requisitos de la aplicación. Se estudia la posibilidad de proveer a las capas inferiores la tarea de autenticación de los nodos vecinos, para así evitar que los paquetes no lleguen a la capa de aplicación desde vecinos no válidos o no deseados. Se han desarrollado algunas patentes, que incluen capas en la pila de protocolos del chip +6+@ con la capacidad de autenticar paquetes provenientes de los distintas motas vecinas, pero no se encuentra disponible hasta el momento en el mercado. 9or otro lado, el estándar )''' ?@+.$8.6 proporciona dos modos diferentes de direccionamiento, el direccionamiento de $<"bit  el <6"bit. A pesar que ambas motas compartan la misma tecnología radio, la pila radio de Sun S9%( solo ofrece un soporte para el direccionamiento de <6"bits, mientras que la pila radio de (elos! solo ofrece soporte para $<"bit de direcciones. '#isten modelos de motas en el mercado que ofrecen ambos modos de direccionamiento Gpor eFemplo la mota iSenseH. Si comparamos el sistemas operativo de ambas motas  sus pilas de protocolos. Las motas (elos! utiliEan el S.%. de código abierto (in%s +.# que cuenta con una arquitectura basada en componentes  tiene un modelo de eFecución dirigida por eventos. (in%s integra un conFunto de ficheros destinados al control de los diferentes chips radio o microcontroladores. (in%S está escrito en el lenguaFe nes, orientado a eventos eventos  basado basado en una una sola pila. -tiliEa un modelo de programación que integra el maneFo de comunicaciones, la capacidad de reaccionar frente a sucesos GeventosH que puedan ocurrir durante la eFecución del programa. La mota de (elos! incorpora un módulo para el control del radio +6+@ denominado +6+@ adio Stack. La pila de protocolos de esta interfaE radio se muestra en la

5@


0igura +.6. 'l nivel Active2essage es la capa más alta de la pila, responsable de rellenar la cabecera de los paquetes ?@+.$8.6  del suministro de la información sobre el paquete al nivel de aplicación. 1o es posible que la capa Active2essage reorganice los btes de encabeEado para el caso del chip +6+@, a que utiliEa las mismas cabeceras que el estándar ?@+.$8.6. La capa -nique Send Laer genera un nmero nico de secuencia de datos G/S1H de btes de la cabecera del paquete. 'ste bte se incrementa una veE por cada paquete saliente, comenEando con un nmero pseudo"aleatoria. -n receptor puede detectar paquetes duplicados mediante la comparación de la fuente  el bte /S1 de un paquete recibido con los paquetes anteriores. /S1 se define en la especificación ?@+.$8.6. 'l nivel %ptional packet Link Laer, proporciona la funcionalidad de retransmisión automática de nivel de enlace  es responsable de volver a intentar una transmisión de paquetes, si un AC no fue escuchado por el receptor. 'l nivel -nique eceive 0iltering Laer, mantiene un historial de la dirección de origen  del bte /S1 de los ltimos paquetes que se han recibido, auda a filtrar los paquetes recibidos duplicados. La capa %ptional
"igura )$2% Radio :tack en ,iny>: )$@

^1otaJ 'l bte 00 es el 0rame ontrol 0ield que define la estructura de la trama. 'n comparación, la mota mota Sun S9%(, no utiliEa ningn sistema sistema operativo. La programación de este dispositivo se realiEa mediante lenguaFe &ava  su eFecución de software se realiEa sobre una plataforma de aplicación llamada Squawk, la cual se define como _2aquina *irtual` en tIrminos de &ava, pero adicionalmente tambiIn hace las funciones de un sistema operativo. La máquina virtual se eFecuta directamente desde la memoria flash. La pila de protocolos radio del Sun Spot se muestra en la 0igura +.8, está basado en el )''' ?@+.$8.6  se apoa en el estándar
apítulo 5 de paquetes de )pv< en las redes de sensores inalámbricos. Sin embargo la capa de acceso ha sido sustituida por dos sub"capasJ una sub"capa de control de acceso al medio 2A  una capa física. !asado en la especificación LoB9A1, la biblioteca Sun S9%( proporciona enrutamiento, mallado  fragmentación mediante LoB9A1, en la capa de red. LoB9A1 aKade algunas cabeceras adicionales en los paquetes ?@+.$8.6. 'n particular, despuIs de los encabeEados de ?@+.$8.6, son aKadidos dos btes adicionales los cuales definen si el paquete es compatible con LoB9A1, si se fragmenta, etc.

"igura )$1% Radio :tack en :un:P>,

La capa adiogram es un protocolo de transporte basado en datagramas  no orientado a cone#ión. 'ste protocolo no ofrece ninguna garantía sobre la entrega o pedido. Los datagramas enviados a travIs de más de un salto podría ser considerados perdidos, se entregarán más de una veE  fuera de secuencia. La capa adiostream es protocolo de transporte orientado a cone#ión de tipo peer"to" peer  fiable. -tiliEa buffers de entrada  de salida para el conformado del tráfico Gcontrol de fluFoH. Se encarga de la fragmentación de los datos a enviarO así como de la entrega ordenada de Istos. 9ara el control de errores, utiliEa la tIcnica A= GAutomatic epeat" re=uestH de parada""espera GStop"and"waitH. Las pilas de protocolos radio de ambas plataformas están basadas en el estándar )'''?@+.$8.6  la especificación Low9A1. Ambos proporcionan implementaciones sólo parciales, que no son compatibles entre sí. omo se mencionó anteriormente el estándar )''' ?@+.$8.6 ofrece dos modos diferentes de direccionamiento. La pila radio Sun S9%( utiliEa las direcciones e#tendidas de <6"bit, mientras que en (in%S sólo $< bits se utiliEan para direcciones. 'sto no resulta un problema, a que la configuración del reconocimiento de direcciones puede ser alterada manualmente, el chip +6+@ puede ser configurado para para aceptar tramas dirigidas a la representación representación deseada. /e acuerdo con el estándar )''' los paquetes de de datos con el campo AC AC activo, deberían ser confirmados despuIs de e#actamente $+ períodos de símbolo G$+ PsH. La pila de Sun S9%( implementa este comportamiento mediante el acuse de recibo automático, característica proporcionada por el chip de radio. A diferencia de la

5+


biblioteca Sun S9%(, (in%S se encarga encarga de la confirmación de los ACs, por defecto, mediante su propio software software en lugar del propio hardware. (in%S no garantiEa la recepción de paquetes transferidos desde el chip +6+@ al microcontrolador. La diferencia de realiEar el control de fluFo de paquetes recibidos mediante software  hardware, se percibe en tIrminos de tiempo. uando se realiEa por software, la respuesta del receptor al AC suele llegar con un poco más de retraso que en el caso de hardware. 'sto puede llevar al aumento del porcentaFe de caída de paquetes, si el tiempo de espera es demasiado grande. 9or otro lado, el uso de confirmación de paquetes paquetes mediante hardware hardware puede resultar que se reciban falsos ACs ACs  el microcontrolador nunca reciba reciba ese paquete. /ado que en el el estándar )''' ?@+.$8.6, los acuses de recibo no contienen la dirección de la máquina que envió el paquete original, un paquete  su reconocimiento sólo están relacionadas por su nmero de secuencia correspondiente. omo resultado, un falso AC se producirá si un paquete no relacionado con el mismo nmero de secuencia es reconocido mientras el remitente del paquete original espera un acuse de recibo. La utiliEación de un control software permite una maor versatilidad del protocolo de comunicaciones  por otra parte se tiene maor independencia del medio físico utiliEado. 'n la mota (elos! el chip de radio comparte su bus con el microcontrolador  con otros perifIricos. /e modo, que a pesar de que el valor de tiempo de espera AC sea maor que en el caso de la mota de Sun S9%(, no afecta al chip radio, a que puede mantener su bus ocupado mientras espera un AC. omo resultado los otros perifIricos del bus GpeF. almacenamiento flashH pueden acceder a travIs del microcontrolador, cuando la radio está ocupada. Además el empleo de algn mecanismo como puede ser la ventana desliEante, puede paliar el problema de los tiempos de espera para la mota de (elos!. omo se mencionó anteriormente, la pila de Sun S9%( depende fuertemente de la especificación LoB9A1, para proporcionar encaminamiento, el mallado  la fragmentación. Aunque implementa la maor funcionalidad de la especificación LoB9A1, la biblioteca Sun S9%( no es compatible con )9v<  en su lugar utiliEa las direcciones e#tendidas )''' ?@+.$8.6 para identificar los nodos en la red. !asado en el principio de ZencabeEado mltipleZ de la especificación LoB9A1, la biblioteca Sun S9%( proporciona una implementación LoB9A1 e#tensible. 'sta implementación es utiliEado, por eFemplo, por la capa radiogramT Gel equivalente a la capa -/9H  por la capa radiostreamT Gel equivalente a la capa (9H protocolos para permitir que las aplicaciones de Sun S9%( puedan acceder a la red. 'stos protocolos se usan solamente para el soporte de )pv<.

55

Capítulo

CAPÍTULO 0" CONCLUSIONES

A

ctualmente e#iste una gran diversidad de plataformas de motes disponibles en el mercado, de entre los cuales se debe escoger la meFor combinación para lograr así un meFor rendimiento en el desempeKo, tanto por parte del hardware como su integración con el software o sistema sistema operativo del nodo. nodo. Las diferentes diferentes plataformas de motes que hemos visto se diferencian en sus características hardware lo que les proporciona distintas cualidades a unas de otrasJ maor procesador, frecuencias de transmisión, velocidad de transmisión de datos, consumo de energía, etc. 'n la (abla 5.$, observamos más concretamente un resumen comparativo de las características estudiadas estudiadas de cada mota, de los tiempos de cambio de estado, así como la potencia consumida consumida en cada estado, obteniendo obteniendo siempre los mínimos resultados resultados para los (elos!, consiguiendo un maor tiempo de vida del nodo. 'l microcontrolador de (e#as )nstruments presenta ciertas características que son meFores a las presentadas presentadas por la mota de Sun Sun S9%(. %frece una meFor respuesta respuesta en los tiempos de transición entre funcionamiento Gtiempo activo del nodo, wakeup time, etc H que se traduce en ahorro de energía  rapideE en atender solicitudes concurrentes. Sin embargo la mota de Sun S9%( presenta beneficios en lo que a procesamiento se refiere,  en memoria interna, tanto dedicada a programas como a la A2. 9odemos decir, que la mota de Sun S9%( ofrece maor capacidad de cálculo que la mota de (elos!. Las dos plataformas son mu diferentes, a que han sido diseKadas con diferentes obFetivos en mente. 'l 2ote !erkele utiliEa un microcontrolador de $<"bits, de baFo consumo corriendo (in%S  programado con 1es. 'l Sun S9%( utiliEa un microprocesador de 5+"bit eFecutado en la máquina virtual Squawk  programada en &ava. Ambos soportan )''' ?@+.$8.6 radio. 'l Sun S9%( fue diseKado para ser fácil de programar. (in%S se define como el estándar para las redes de sensores inalámbricas, i nalámbricas, debido principalmente a su e#tenso uso por parte de desarrolladores de aplicaciones para este tipo de sistemas. 'n la (abla 5.+, vemos un resumen comparativo de los lenguaFes de progrmación utiliEados por ambas plataformas.

56

onclusiones

,a!la *$#% Resumen so!re las especi4icaciones de las motas evaluadas

(ipo de 2ota (ipo 29rocesador GbitH *elocidad 9rocesador G2DEH 2emoria de 9rograma A2 GC!H Active 9ower GmBH Bakeup (ime 2)9S^ 9otencia requerida para transmitir Gd!mH 9otencia requerida para la recepción Gd!mH 9otencia consumida en modo )dle Gd!mH 9otencia consumida en modo sleep Gd!mH *oltaFe mínimo G*H

(elos +@@6 () 2S965@ $< ?

Sun S9%( +@@> Atmel A($2+@@ 5+ $?@

6? C! $@ 5 < Ws $< $6.8?

6 2! 8$+ 66 +"$@ ms +@@ $?.@??

$8.6>

$?.<+>

"$@.@?5<

$.6?6?

"[email protected]>+5

".+<<

$.?

5.>

 MIP: Millones de instrucciones por segundo7$

58

apítulo 6 ,a!la *$)% Resumen so!re los lengua'es l engua'es de programaci5n empleados en las motas evaluadas

"ombre %aracterísticas

nes

&+2'

5<

2ortaleGas

(ebilidades 's un lenguaFe nuevo Simplifica el desarrollo de Len guaFe de en comparación con aplicaciones  reduce el progr pr ogram amaci ación ón basad bas adoo otros como c o 'ava, tamaKo del código. en eventos. por lo tanto puede darse 's el lenguaFe utiliEado /esarrollado para el caso de que se para desarrollar (in%S, elaborar aplicaciones pr es e nt e n b ug s , l o s el cual es el sistema para dispositivos disposi tivos con cuales son fallas que se operativo adoptado por recursos limitados. irán corrigiendo a los grandes fabricantes. medida que surFan. 9lataforma de Fava 9rovee un ambiente orientada a trabar con robusto  fle#ible para dispositivos móviles. eFecutar aplicaciones en %rientado a trabaFar -tiliEa una maquina dispositivos móviles. nicamente con los virtual de Fava llamada 9 e r m i t e q u e l a s dispositivos SunSpot de Squawk. aplicaciones se eFecuten Sun 2icrosstems. directamente en el 9sin la necesidad de un omunidad  desarrollo sistema operativo. de proectos reducidos, 9ermite migrar una b a s á n d o s e e n e s t a apl ic ac ió n de un plataforma. dispositivo a otro sin pe p e r d e r s u e s t a d o d e eFecución.

#'#L'&6RA2*A M$N

-amilo Astudillo Chan Aranci!oia Proyecto de ,itulaci5n% &studio preliminar para un sistema Mesh.

M+N

9esign and Implementation o4 :cala!le Wireless :ensor Network 4or :tructural Monitoring$ PakDad :hamim N$ y otros$#s$l % March # Cournal o4 In4raestructure :ystem Eol$ #2 p.gs$ /=F#0#$ I::N #086F0*2)G)00/G#F/=F#0#$

M5N

AkyildiD Euran Akan H :u% Wireless :ensor NetworksJ R&EI:I,&9 -omputer Networks Cournal )001$

M6N

>ptimal design o4 4ault sensor networks$ +o!losK:taroswiecki M y Aitouche A$ s$l$ % I&&& International -on4erence on -ontrol Applications Anchorage :eptem!er )000$ p.gs$ 268F28)$

M8N

I$"$ AkyildiD W$ :u $ :ankarasu!ramaniam &$ -ayirci% Wireless sensor networks% a surveyJ  -omputer Networks Cournal )00)$

M
I&&& -omputer :ociety% I&&& :td /0)$#1$2F)006 :eptem!er )0067 I&&& -omputer :ociety% I&&& :td /0)$#1$2F)00* >cto!er )00*7

M>N

,elos% &na!ling ltraFLow Power Wireless Research$ Coseph Polastre Ro!ert :DewcDyk and 9avid -uller -omputer :cience 9epartment niversity o4 -ali4ornia Berkeley$

M?N

:un,M :mall Programma!le >!'ect ,echnology :un :P>,7 ,heory o4 >peration :un La!s May )008$ httpJRRsunspotworld.comRdocsR7ellowRSunS9%("

(heor%f%peration.pdf . repositorio$!i!$upct$esGdspaceG!itstreamG#0*#8G821G#Gp4c)/88$pd4 http%GGwww$tinyos$netGtinyosF)$@GdocGhtmlGtep#)6$html K$ Montenegro N$ ushalnagar C$ +ui 9$ -uller% ,ransmission o4 IPv6 Packets over I&&& /0)$#1$2 Networks )0087 ,he ,iny>: community we!site% http%GGwww$tinyos$net )$ 9oug :imon -ristina "uentes 9ave -leal Cohn 9aniels 9erek White% Cava,M7 Cava,M7 on the !are metal o4 wireless sensor devices% the s3uawk Cava virtual machine ProF ceedings o4 the )nd international con4erence on Eirtual e@ecution environments )006$ 8/F// ,he ,iny>: I&&& /0)$#1$2 Working Kroup http%GGwww$tinyos$netGscoopG specialGworkinggrouptinyos#12 ,he Berkeley IP In4ormation pro'ect% http%GGsmote$cs$!erkeley$edu%/000G tracenvGwikiG!lip

5>

Evaluación hardware y software de dos plataformas comerciales de redes de sensores inalámbricosTFM

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