Redes Sensores

Me dejaron un trabajo sobre las redes sensores y realmente me terminó interesando bastante el tema… hay bastante información en libros y en la red, quizá más adelante ponga más, ojalá les sirva =)

A. Concepto
B. Características
C. Aplicaciones
C.1 Aplicaciones en mundo comercial de WSN
D. Redes sensores con cable VS Redes sensores sin cable
E. Empresas y Productos
F. Sistemas Operativos para Red de sensores
G. Enlaces
H. Bibliografía

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A. Concepto

Según Wikipedia:
“Una red de sensores (del inglés sensor network) es una red de ordenadores pequeñísimos
(«nodos»), equipados con sensores, que colaboran en una tarea común.”(1)

Relativamente es un concepto nuevo, puesto que los datos son manejados con múltiples
aplicaciones en distintas áreas como la industria, domótica, la detección ambiental y en campos
militares.
En un concepto bastante general podemos decir que las redes de sensores ofrecen la posibilidad de
recoger datos, tomar decisiones y dar órdenes en unos entornos que hasta ahora, por motivos de
coste, no se podían automatizar. Las redes de sensores abren un abanico de nuevas posibilidades
que permiten no sólo que las máquinas puedan estar conectadas, sino también que los objetos
puedan intercambiar datos interaccionando con su entorno. Una vez tenemos la red resulta
importante que ésta ofrezca la máxima conectividad. El objetivo de las redes de sensores es ejecutar
tareas de comunicación y procesamiento de la información desplegando un gran número de
sensores.
Por lo tanto, es deseable que cada sensor sea de bajo costo y de pequeño tamaño.
Esto, a su vez, hace que la energía almacenable en cada nodo sea pequeña (hay que utilizar
baterías de tamaño reducido y por ende baja capacidad o celdas solares, también de pequeño
tamaño). Por estas razones, las redes de sensores presentan características únicas
que implican un desafío tecnológico elevado y que se traducen en las siguientes pautas:
– Capacidades de procesamiento reducidas y distribuidas.
– Bajo consumo de potencia.
– Gran número de dispositivos que deben operar en forma no supervisada.
– Operación en ambientes hostiles y variables.
El tamaño reducido de los nodos y el hecho que sean autónomos presenta restricciones
en el consumo de energía. En este punto cabe destacar que la comunicación inalámbrica
de datos es la que ocasiona el mayor consumo de potencia. Se consume tanta energía en
realizar miles ó millones de operaciones como en la acción de enviar 1 bit a una distancia
de 10 ó 100 metros.
Un ejemplo claro es la medicina, en dónde se intentan desarrollar nodos sensores cada vez más
pequeños con los cuales, se puedan controlar actividades vitales en pacientes que lo necesiten, por
ejemplo a los pacientes diabéticos se les puede controlar el nivel de azucar; logrando de esta forma
mantenerla estabilizada y evitar problemas al respecto.

Hace más de 5 años, en Marzo del 2003 Reuters se publicó la siguiente noticia:
“Un futuro con robots y redes de sensores
(Reuters) En el futuro, no sólo podrían verse las computadoras personales con
microprocesadores Intel, sino robots, mobiliario e incluso robótica para uso fuera del hogar,
si es que resultan los esfuerzos de investigación de la compañía.
Intel Corp. abrió pequeños laboratorios cerca de cuatro universidades y está trabajando con
los estudiantes y profesores en la investigación de diversas tecnologías, entre ellas la
inclusión de sus microprocesadores, o chips, en los cada vez más pequeños dispositivos y en
sustancias.
El fabricante de semiconductores más grande del mundo abrió sus puertas esta semana a
miembros de los medios de comunicación para hacer una demostración de sus proyectos.
En una demostración de tecnología, un pequeño robot, del tamaño de un monedero,
programado para seguir objetos de color rojo, persiguió a un osito de peluche rojo por todo
el piso.
Intel está trabajando con investigadores en la Universidad Carnegie Mellon en una
plataforma común de computadoras y software para robótica, de modo tal que las compañías
no tengan que comenzar desde el inicio cuando diseñen los robots del futuro, dijo Jim
Butler, director de arquitectura de Intel Research.
En un extremo de la sala de exhibición, en un hogar simulado, los investigadores de Intel
demostraron la tecnología que podría usarse para vigilar a los pacientes con enfermedad de
Alzheimer o para atender a los ancianos.
Videocámaras, detectores de movimiento y pequeños sensores en sillas, dispositivos y
alfombras se usan para detectar y registrar los movimientos de un ingeniero de Intel que
utilizó identificadores de frecuencia radial en la suela de sus zapatos y distintivos infrarrojos
en su ropa.
El sistema será probado hasta en dos docenas de hogares en Estados Unidos a partir de enero
del 2004 y posiblemente en Japón, dijo el investigador de Intel, Eric Dishman.” (2)

Actualmente habiendo pasado un lustro, las redes sensores han presentado cambios importantes, el
boom en el presente es que la redes sensores ya no usan cables (inhalámbricas), nano-sensores
químicos, disminución del uso de energía, etc.
¿Y como es que surge todo el concepto de las redes sensores?

“La evolución de redes de sensores tiene su origen en iniciativas militares. Por eso no hay
mucha información sobre la fuente de la idea.
Como predecesor de las redes de sensores modernos se considera Sound Surveillance
System (SOSUS), una red de boyas sumergidas instaladas en los Estados Unidos durante la
Guerra Fría para detectar submarinos usando sensores de sonido.
La investigación en redes de sensores cerca de 1980 comenzó con el proyecto Distributed
Sensor Networks (DSN) de la agencia militar de investigación avanzada de Estados Unidos
Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).” (3)

B. Características

Las principales características de las redes sensores son:
• Topología Dinámica: En una red de sensores, la topología siempre es cambiante y éstos tienen que
adaptarse para poder comunicar nuevos datos adquiridos
• Variabilidad del canal: El canal radio es un canal muy variable en el que existen una serie de
fenómenos como pueden ser la atenuación, desvanecimientos rápidos, desvanecimientos lentos e
interferencias que puede producir errores en los datos.
• No se utiliza infraestructura de red: Una red sensora no tiene necesidad alguna de infraestructura
para poder operar, ya que sus nodos pueden actuar de emisores, receptores o enrutadores de la
información. Sin embargo, hay que destacar en el concepto de red sensora la figura del nodo
recolector (también denominados sink node), que es el nodo que recolecta la información y por el
cual se recoge la información generada normalmente en tiempo discreto. Esta información
generalmente es adquirida por un ordenador conectado a este nodo y es sobre el ordenador que
recae la posibilidad de transmitir los datos por tecnologías inalámbricas o cableadas según sea el
caso.
• Tolerancia a errores: Un dispositivo sensor dentro de una red sensora tiene que ser capaz de seguir
funcionando a pesar de tener errores en el sistema propio.
• Comunicaciones multisalto o broadcast: En aplicaciones sensoras siempre es característico el uso
de algún protocolo que permita comunicaciones multi-hop, léase AODV, DSDV, EWMA u otras,
aunque también es muy común utilizar mensajería basada en broadcast.
• Consumo energético: Es uno de los factores más sensibles debido a que tienen que conjugar
autonomía con capacidad de proceso, ya que actualmente cuentan con una unidad de energía
limitada. Un nodo sensor tiene que contar con un procesador de consumo ultra bajo así como de un
transceptor radio con la misma característica, a esto hay que agregar un software que también
conjugue esta característica haciendo el consumo aún más restrictivo.
• Limitaciones hardware: Para poder conseguir un consumo ajustado, se hace indispensable que el
hardware sea lo más sencillo posible, así como su transceptor radio, esto nos deja una capacidad de
proceso limitada.
• Costes de producción: Dada que la naturaleza de una red de sensores tiene que ser en número muy
elevada, para poder obtener datos con fiabilidad, los nodos sensores una vez definida su aplicación,
son económicos de hacer si son fabricados en grandes cantidades. (1)

C. Aplicacion

En estos momentos sin tener conocimientos exactos sobre temas relacionados a la parte militar, se
imagina que existen miles de proyectos en éste rubro, así como en otros para mejoras tecnológicas.
Un uso militar bastante conocido desde hace mucho tiempo fue el de la alta seguridad en centros
que requieren ser monitoreados para evitar ataques enemigos o terroristas por ejemplo. Muchos
gobiernos en sus edificios cuentan con sensores que pueden detectar circustancias que con otros
dispositivos puede resultar imposible. Al igual que éstos lugares, los aeropuertos y centrales
nucleares son otros puntos que mantienen dentro de su estrategia de defensa incluída esta
tecnología.

El único producto conocido en este rubro es IrisNet:
“IrisNet es una arquitectura software desarrollada por Intel para la gestión de redes
mundiales de sensores de diversos tipos, incluyendo vídeo, permitiendo el acceso distribuido
a dichos sensores de una forma potente y eficiente. Cuando el número de dispositivos crece
de forma significativa, como es el caso de telarañas mundiales de sensores, resulta clave
disponer de herramientas eficientes para el acceso a los mismos, en especial por el elevado
consumo de ancho de banda. En el proyecto IrisNet se han demostrado distintas aplicaciones
prácticas que hacen uso de dicha herramienta. Entre ellas se incluyen las siguientes:
• Localización de plazas libres en párkings
• Vigilancia de niños y personas mayores mediante videocámaras
• Seguridad del hogar
• Avisador de riesgo de epidemias (gripe, fiebres, etc.)
• Monitorización de redes de ordenadores
• Observatorios terrestres y marítimos (costas)
Además de las propias aplicaciones civiles, las redes de sensores inalámbricos encuentran un
importante campo de aplicación en misiones militares. Por ejemplo, en la identificación y
seguimiento de tropas o vehículos militares, así como en la detección de armas químicas y
biológicas.” (4)

Otro uso bastante cotidiano es el que se le da en el rubro industrial, muchas fábricas mantienen
sistemas de control de calidad, control de puestos e inclusive, un rígido control de insumos
producidos y necesarios; algo así como decir: “Ni que sobre, ni que falte”.
Hay muchos proyectos que le dan vida a las redes sensores en el campo de la automoción y en el
campo de los sensores ambientales. Para la primera, muchas ciudades incluyen dentro de su gestión
del tráfico víal sensores en las camaras, que informan incluso de la congestión a los conductores, o
si algún accidente ha ocurrido a los bomberos, o de alguna persecusión policial; de manera que se
pueda indicar cuales son las rutas alternativas.
En lo segundo, que son los sensores ambientales; en la actualidad el uso de los sensores
inhalámbricos a sido un gran aporte al control ambiental en bosques y el océano. Para MIT esta
nueva tecnología cambiará el mundo de la comunicación y las redes. Pero ¿Qué son las redes
sensores inhalámricas o sin cable?
Según lo definido en el Segundo Congreso Europeo de Redes Sensores Inhalámbricas son:

“Son redes de nano aparatos autónomos capaces de una comunicación sin cable y suponen
uno de los avances tecnológicos más investigados en la actualidad. A través de redes de
sensores, se puede integrar funcionalidades que antes eran independientes unas de otras, con
el fin de lograr máxima eficiencia sobre todo en los campos de consumo y gestión de
energía.”(5)

Muy cerca del Perú, en nuestro país vecino Chile; se desarrolló un proyecto bajo éste esquema
llamado: “Redes inalámbricas de sensores para la detección de incendios forestales y monitoreo de
variables de estado de combustible para el recurso forestal de la región de Valparaíso”; el cual tiene
como objetivo central:

“Monitorear el estado de combustibles forestales y detectar focos de incendios en tiempo
real en zonas de riesgo potencial de incendios forestales, utilizando redes inalámbricas de
sensores localizados a nivel del suelo y sotobosque e imágenes satelitales para el estrato
dominante, integrados a un sistema de software y hardware específicos, utilizando para esto
tecnología de punta en sistemas de comunicación y teledetección satelital.” (6)

Como antes se había mencionado en el campo de la medicina se está también implementando
nuevas ideas y estudios de manera que se pueda exolotar las redes sensores al máximo. Tal es así
que se inició hace unos años el proyecto “Redes de Sensores Hospitalarias: Estudio sobre el
Hospital Privado del Sur de Bahía Blanca”, el cual tiene como objetivo central:

“En el marco del Proyecto de Investigación de la Agencia Nacional de Promoción Científica
y Tecnológica (ANPCyT) PICT 14628, titulado “Desarrollo de tecnología de redes de
sensores
para aplicaciones en el medio social y productivo” se están desarrollando redes de sensores
para aplicaciones en el área salud. A partir de la relación existente con el Hospital Privado
del Sur, a través de una serie de visitas y diálogos continuados con médicos y personal
del mismo, se establecieron una serie de problemas factibles de solucionar mediante la
incorporación de tecnología de redes de sensores.
En este informe en particular, se detallarán los aspectos más importantes de las siguientes
aplicaciones:
– Sensores de bajo costo para la dosificación automática de suero y medicamentos.
– Sensores para medición de presión endotraqueal.
– Sensores para medición de presión arterial y pulso.
Como denominador común de todas las aplicaciones, se desarrolló en una etapa inicial
una plataforma para proveer comunicación inalámbrica a un dispositivo sensor genérico.
Esta plataforma dispone de un microprocesador Atmel, y un chip de comunicación
inalámbrica
Chipconn CC1000.
En cada uno de los casos que se describen a continuación, se comenzó por realizar
una revisión detallada de la bibliografía existente sobre la temática y de los productos
comerciales disponibles. Luego se diseñaron prototipos de sensores, tratando de lograr un
consumo mínimo de potencia, y se ensayaron utilizando la plataforma inalámbrica para la
transmisión de datos.” (7)

Hasta el momento la red de sensores hasta la fecha más grande consistió de 800 nodos y fue puesta
en servicio el 27 agosto 2001 para duración breve en la universidad de Berkeley para demostrar la
potencia de esa técnica en una presentación. ( 8 )

C.1 Aplicaciones en mundo comercial de WSN

● XSILOGY Solutions es una compañía que provee WSN para las siguientes aplicaciones
comerciales: organización de inventario de tanques, sistemas de distribución de flujos,
edificios comerciales, monitorización medioambiental, defensa del hogar, etc.(c)
● ENSCO investiga con WSN para aplicaciones meteorológicas(d)
● EMBER provee soluciones con WSN para automatización industrial, defensa y edificios
inteligentes. (e)
● H900 Wireless SensorNet System(TM), el primer sistema de
enrutamiento de malla inalámbrico para sensores, desarrollado por la
compañía Snsicast Systems. Sus aplicaciones van desde la electricidad a
la seguridad del hogar. (f)
● SOFTLINX desarrolla productos de seguridad perimetral basada en
sensores. (g)
● XYZ: Integra redes de sensores inalámbricas pare el control de entornos
en el interior de edificios. (h)
● Crossbow desarrolla redes de sensores para monitorizar entornos y otras
aplicaciones industriales como puente, estructuras, calidad del
aire/comida, auomatización industrial. (i)
● Japan’s Omron Corp ha elaborado una red de sensores para naves de
carga que provee un sistema de seguridad en los puertos. (j) . (9)

D. Redes sensores con cable VS Redes sensores sin cable

Como vemos, consiste en macroredes ad-hoc formadas por multitud de sensores individuales que
intercambian información entre sí sin necesidad de cables y mediante un protocolo de comunicación
pre-establecido. (4)

Una wireless sensor network (WSN) o red de sensores sin cables consiste en una serie de
dispositivos autónomos distribuidos en un espacio determinado y que utilizan sensores
interrelacionados para controlar y registrar condiciones físicas o ambientales, algo que ya se ha
mencionado. En contraste con las redes de sensores con cable, que no son nuevas y sus funciones
incluyen medir niveles de temperatura, líquido, humedad etc. Muchos sensores en fábricas o coches
por ejemplo, tienen su propia red que se conecta con un ordenador o una caja de controles a través
de un cable y, al detectar una anomalía, envían un aviso a la caja de controles. La diferencia entre
los sensores que todos conocemos y la nueva generación de redes de sensores sin cable es que estos
últimos son inteligentes (es decir, capaces de poner en marcha una acción según la información que
vayan acumulando) y no son limitados por un cable fijo.
Las últimas investigaciones apuntan hacia una eventual proliferación de redes de sensores
inteligentes, redes que recogerán enormes cantidades de información hasta ahora no registrada que
contribuirá de forma favorable al buen funcionamiento de fábricas, al cuidado de cultivos, a tareas
domésticas, a la organización del trabajo y a la predicción de desastres naturales como los
terremotos. En este sentido, la computación que penetra en todas las facetas de la vida diaria de los
seres humanos está a punto de convertirse en realidad.
Aunque la tecnología relacionada con las redes de sensores sin cable está todavía en su primera
fase, equipos de investigación en la Universidad de California Berkeley ya han fabricado una caja
que se puede adaptar a muchos tipos de sensores. Los científicos utilizan los sensores sin cable para
encontrar y controlar microclimas y plagas en plantaciones de uva, para estudiar los hábitos de aves
y para controlar sistemas de ventilación y calefacción. En la Universidad de California Los Angeles,
investigadores utilizan las redes de sensores sin cable para recibir información detallada sobre el
efecto de los movimientos sísmicos en los edificios.

E. Empresas y Productos

● DEXMAN: proporciona soluciones basadas en Redes Inalámbricas de Sensores y Sistemas
de Localización en Tiempo Real. (a)
● CROSSBOW: Especializada en el mundo de los sensores, es una empresa que desarrolla
plataformas hardware y software que dan soluciones para las redes de sensores inalámbricas.
Entre sus productos encontramos las plataformas Mica, Mica2, Micaz, Mica2dot, telos y
telosb.
● MOTEIV: Joseph Polastre, antiguo doctorando de un grupo de trabajo de la
Universidad de Berekeley formó la compañía Moteiv. Ha desarrollado la plataforma
Tmote Sky y Tmote Invent. El tipo de mota Tmote Sky será detallado en el siguiente
punto, dado que es el que se utiliza en el Instituto de Robótica.
● SHOCKFISH: Empresa suiza que desarrolla TinyNode. A partir de este tipo de
mota en Laussane han llevado un proyecto semejante al nuestro, en el que implementan
una red de sensores en todo el campus de la “Ecole Polytechnique Fédérale de
Lausanne”.
● RedIRIS: Con su producto RESACA está aprovechando estos Antivirus para extraer
estadísticas de los virus interceptados de todas las universidades y procesarlos para extraer
unos datos de la incidencia de los virus en la comunidad científica. Las universidades son
Sensores que suministra datos a las oficinas de RedIRIS para analizarlas y procesarlas. Este
sistema nos independiza de alertas internacionales que puede no tengan incidencias en la
comunidad academica española. Es un diseño simple, económico, versátil y sin de grandes
desarrollos, está sustentado en uno de los mas valores mas valioso y exclusivos de la
Comunidad RedIRIS: la coordinación. (b)

F. Sistemas Operativos para Red de sensores

“Bertha (pushpin computing platform) Una plataforma de software diseñada e
implementada para modelar, testear y desplegar una red de sensores distribuida
de muchos nodos idénticos. Sus principales funciones se dividen en los
siguientes subsistemas:
– Administración de procesos
– Manejo las estructuras de datos
– Organización de los vecinos
– Interfaz de Red
” Nut/OS: Es un pequeño sistema operativo para aplicaciones en tiempo real, que
trabaja con CPUs de 8 bits. Tiene las siguientes funciones:
– Multihilo
– Mecanismos de sincronización
– Administración de memoria dinámica
– Temporizadores asíncronos
– Puertos serie de Entrada/Salida
Está diseñado para procesadores con los siguientes recursos:
– 0.5 kBytes RAM
– 8 kBytes ROM
– velocidad de 1 MIPS CPU
” 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: A Communication Oriented Runtime System for Sensor Networks,
específico para redes de sensores inalámbricas como su nombre indica.
” 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.
” EYESOS: se define como un entorno para escritorio basado en Web, permite
monitorizar y acceder a un sistema remoto mediante un sencillo buscador.
” MagnetOS: es un sistema operativo distribuido para redes de sensores o adhoc,
cuyo objetivo es ejecutar aplicaciones de red que requieran bajo consumo
de energía, adaptativas y fáciles de implementar.
” MANTIS (MultimodAl NeTworks In-situ Sensors)
” TinyOS: Sistema Operativo utilizado para TMote Sky, es un sistema
operativo “event-driven”, quiere decir que funciona a partir de eventos producidos que
llamarán a funciones. Ha sido desarrollado para redes de sensores con recursos
limitados. El entorno de desarrollo de TinyOS soporta directamente la programación de
diferentes microprocesadores y permite programar cada tipo con un único identificador
para diferenciarlo, o lo que es lo mismo se puede compilar en diferentes plataformas
cambiando el atributo.
” t-Kernel: es un sistema operativo que acepta las aplicaciones como imágenes
de ejecutables en instrucciones básicas. Por ello, no importará si está escrito en
C++ o lenguaje ensamblador.
” LiteOS: Sistema operativo desarrollado en principio para calculadoras, pero
que ha sido también utilizado para redes de sensores.

G. Enlaces

(a) DEXMATech http://www.dexmatech.com/
(b) RedIRIS http://www.rediris.es/mail/resaca/
(c) XSILOGY http://www.xsilogy.com/home/main/index.html
(d) ENSCO http://www.in-q-tel.com/tech/dd.html
(e) EMBER http://www.ember.com
(f) H900 Wireless SensorNet System(TM) http://www.sensicast.com
(g) SOFTLINX http://www.soflinx.com
(h) XYZ http://www.cbe.berkeley.edu/research/briefswirelessxyz.htm
(i) Crossbow http://www.xbow.com
(j) Japan’s Omron Corp http://www.omron.com

H. Bibliografía

(1) http://es.wikipedia.org/wiki/Red_de_sensores
(2) http://axxon.com.ar/not/124/c-124InfoRobotsSensores.htm
(3) J. Hill, D. Culler (2001): «A Wireless Embedded Sensor Architecture for System-Level
Optimization
(4) Revista ELECTRÓNICA & COMUNICACIONES nº 217 – Prof. Dr. Francisco Ramos
Pascual
(5) http://www.ewsn.org/index.html
(6) http://www.gisincendiosforestales.cl/
(7) Redes de Sensores Hospitalarias: Estudio sobre el Hospital Privado del Sur Bahía
Blanca – F. Martin Pirchio, P. Julian, W. Villalba, F. Masson, P. S. Mandolesi, M. Di
Federico, M. Cipolleti
( 8 ) http://webs.cs.berkeley.edu/800demo/
(9) Redes Sensores Inalámbricas – Jesús Serna Sanchis

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4 Respuestas a “Redes Sensores

  1. megustaria saber mas sobre redes inalambricas de sensores, pero en lo particular sobre la deteccion de insendios forestales, si tu vieran una monografia o una fuente de informacion en donde pudiera saber sobre la redes inalambricas de sensores para la deteccion de insendios forestales. mandarmelo en mi E-mail.
    Antemano me despido mandandole un cordial saludo

  2. Hola… realmente esta es la primera parte del trabajo… hablo de sistemas operativos.. mas no de tecnologias.. y estandares.. este fin de semana subo la continuacion. Espero no sea muy tarde. En la continuacion veras algunas tecnologias.. una inhalambrica como zigbee que es inhalambrica y bueno.. hay todo un rollo que te puede servir detras…. Ojalà visites pronto.

  3. todo esto esta muy bueno exelente para los nuevos futuristas de el mundo entero sigan asi experimentando los nuevos retos de las ciencias de los automoviles de los nuevos mundos (estas bueno)

  4. es una informacion muy buna por que asì nos damos cuenta de los logros de los avances tècnologicosen el mundo; ya que estos temas soy muy importantes y ademas sirven para ser expuentos y relacioner lo nuevo con nuestros compañeros de clase

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