Optimización del consumo de energía en aplicaciones de redes de sensores inalámbricas

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This End Career Project focuses on knowledge and use of wireless sensor networks (WSN) technology. This project builds a system that allows monitoring the temperature of a building to determine its energy efficiency. On the other hand, it will develop a model to determine the consumption of a sensor node and estimate its life time within the network. The system consists of three applications. The first one, which is installed into sensors nodes, will monitor the temperature of a building and send this information through the network to the gateway node. The second one will be installed into the gateway node and it will gather all the information circulating from the network and forward it to a base station. The last one, installed on the base station, will display and store all the information from the sensor network for further study. The sensor nodes are devices that have energy constraints owing to its wireless nature. The model to be built reveals the consumption of a node running a certain application and estimate the battery life. Thanks to this model it is possible to compare the energy consumption behaviour of a node for different implementations of an application, in order to seek the maximum lifetime of a sensor node. ________________________________________________________________________________
Este Proyecto Fin de Carrera se centra en el conocimiento y uso de la tecnología de redes de sensores inalámbricas (Wireless Sensor Networks, WSN). En este proyecto se construye un sistema que permite la monitorización de la temperatura de un edificio para determinar su eficiencia energética. Por otro lado, se desarrollará un modelo que permita conocer el consumo de un nodo sensor y estimar su tiempo de vida dentro de la red. El sistema a construir consta de tres aplicaciones. La primera, instalada en los nodos sensores, monitorizará la temperatura ambiente de un edificio y enviará esta información a través de la red hasta el nodo gateway. La segunda aplicación, instalada en el nodo gateway, se encargará de obtener toda la información que circule por la red y reenviarla a una estación base. Y una tercera, instalada en la estación base, permitirá visualizar y almacenar toda la información proveniente de la red de sensores para su posterior estudio. Los nodos sensores son dispositivos que soportan grandes restricciones energéticas debido a su naturaleza inalámbrica. El modelo a desarrollar permitirá conocer el consumo que realiza un nodo ejecutando una determinada aplicación y estimar la duración de las baterías. A partir de este modelo es posible comparar el comportamiento del consumo energético de un nodo según las distintas implementaciones de una aplicación, con el objetivo de buscar aquella maximice el tiempo de vida de un nodo sensor.
Ingeniería Técnica en Informática de Gestión
Publicado el : sábado, 01 de mayo de 2010
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR


INGENIERÍA TÉCNICA EN INFORMÁTICA DE GESTIÓN



PROYECTO FIN DE CARRERA




Optimización del consumo de energía en aplicaciones de
redes de sensores inalámbricas















AUTOR: Daniel García Aubert
TUTOR: M. Soledad Escolar Díaz Mayo, 2010


















“Haz todo tan simple
como sea posible,
pero no más simple.”

Albert Einstein.














A Soledad Escolar, la directora de este proyecto.
Gracias por tu dedicación y paciencia infinita.

A Rubén. Tu amistad, lo mejor que me llevo
de mi paso por la Universidad.

A mis amigos, la OTL.
Compartiendo toda una vida.

Para mi musa Alexis, solo con tu sonrisa
la vida me parece mejor.

A Elena, Isabel, Sofía y Natalia mis hermanas.
Que son mis cuatro madres.
Un millón de gracias.

Y para Luis y Sylvette, mis padres. Espero
que estéis orgullosos del pequeño.
No os olvido.


Abstract
This End Career Project focuses on knowledge and use of wireless sensor
networks (WSN) technology.
This project builds a system that allows monitoring the temperature of a
building to determine its energy efficiency. On the other hand, it will develop a
model to determine the consumption of a sensor node and estimate its life time
within the network.
The system consists of three applications. The first one, which is installed
into sensors nodes, will monitor the temperature of a building and send this
information through the network to the gateway node. The second one will be
installed into the gateway node and it will gather all the information circulating
from the network and forward it to a base station. The last one, installed on the
base station, will display and store all the information from the sensor network for
further study.
The sensor nodes are devices that have energy constraints owing to its
wireless nature. The model to be built reveals the consumption of a node running
a certain application and estimate the battery life. Thanks to this model it is
possible to compare the energy consumption behaviour of a node for different
implementations of an application, in order to seek the maximum lifetime of a
sensor node.

Resumen
Este Proyecto Fin de Carrera se centra en el conocimiento y uso de la
tecnología de redes de sensores inalámbricas (Wireless Sensor Networks, WSN).
En este proyecto se construye un sistema que permite la monitorización de
la temperatura de un edificio para determinar su eficiencia energética. Por otro
lado, se desarrollará un modelo que permita conocer el consumo de un nodo
sensor y estimar su tiempo de vida dentro de la red.
El sistema a construir consta de tres aplicaciones. La primera, instalada en
los nodos sensores, monitorizará la temperatura ambiente de un edificio y enviará
esta información a través de la red hasta el nodo gateway. La segunda aplicación,
instalada en el nodo gateway, se encargará de obtener toda la información que
circule por la red y reenviarla a una estación base. Y una tercera, instalada en la
estación base, permitirá visualizar y almacenar toda la información proveniente de
la red de sensores para su posterior estudio.
Los nodos sensores son dispositivos que soportan grandes restricciones
energéticas debido a su naturaleza inalámbrica. El modelo a desarrollar permitirá
conocer el consumo que realiza un nodo ejecutando una determinada aplicación y
estimar la duración de las baterías. A partir de este modelo es posible comparar el
comportamiento del consumo energético de un nodo según las distintas
implementaciones de una aplicación, con el objetivo de buscar aquella maximice el
tiempo de vida de un nodo sensor.
ÍNDICE GENERAL

Capítulo 1 Introducción ...................................................................................................................19
1.1 Descripción del problema ...................................................................................................22
1.2 Motivación ................................................................................................................................23
1.3 Solución propuesta y objetivos .........................................................................................24
1.4 Estructura del documento ..................................................................................................26
1.5 Terminología y conceptos básicos ...................................................................................28
Capítulo 2 Estado de la cuestión ..................................................................................................35
2.1. Historia de las WSN ..............................................................................................................35
2.2 Componentes de una WSN .................................................................................................37
2.2.1 Nodo sensor......................................................................................................................38
2.2.1.1 BTNode3 ...................................................................................................................39
2.2.1.2 EyesIFX ......................................................................................................................40
2.2.1.3 Imote2 .......................................................................................................................40
2.2.1.4 Iris ...............................................................................................................................41
2.2.1.5 Mica2 ..........................................................................................................................41
2.2.1.6 Mica2Dot ..................................................................................................................42
2.2.1.7 MicaZ ..........................................................................................................................42
2.2.1.8 TelosB ........................................................................................................................43
2.2.1.9 TinyNode ..................................................................................................................43
2.2.1.10 Eko ............................................................................................................................44
2.2.2 Nodo gateway ..................................................................................................................44
2.2.2.1 MIB510 ......................................................................................................................45
2.2.2.2 MIB520 ......................................................................................................................45
2.2.2.3 MIB600 ......................................................................................................................46
2.2.2.4 NetBridge .................................................................................................................46
2.2.3 Estación base ...................................................................................................................47
2.3 Aplicaciones de las WSN ......................................................................................................47
2.3.1 Entornos militares .........................................................................................................47
2.3.2 Procesos agrícolas..........................................................................................................48
2.3.3 Estudios medioambientales .......................................................................................48
2.3.4 Aplicaciones sociales y sanitarias ............................................................................49
2.3.5 Procesos industriales ....................................................................................................49
2.3.6 Entornos inteligentes ...................................................................................................50
2.3.7 Entornos de alta seguridad ........................................................................................50
2.3.8 Automoción ......................................................................................................................50
2.3.9 Eficiencia energética .....................................................................................................51
2.4 Características de las WSN .................................................................................................52
2.4.1 Arquitectura distribuida..............................................................................................52
2.4.2 Infraestructura ................................................................................................................52
2.4.3 Escalabilidad ....................................................................................................................52
2.4.4 Heterogeneidad ..............................................................................................................53
2.4.5 Sistema en tiempo real .................................................................................................53
2.4.6 Tolerancia a fallos ..........................................................................................................53
2.4.7 Gestión de recursos y energía ...................................................................................53
2.4.8 Costes de producción reducidos ..............................................................................54
2.4.9 Instalación .........................................................................................................................54
2.4.10 Seguridad ........................................................................................................................54
2.5 Topologías de red ...................................................................................................................54
2.5.1 Topología en estrella ....................................................................................................55
2.5.2 Topología en malla ........................................................................................................56
2.5.3 Topología hibrida estrella-malla ..............................................................................57
2.5.4 Topología en árbol .........................................................................................................57
2.6 Estándar de comunicación ZigBee ...................................................................................58
2.6.1 Capa física (PHY) ............................................................................................................60
2.6.2 Capa de control de acceso al medio (MAC) ..........................................................60
2.7 Sistemas operativos ..............................................................................................................61
2.8 Lenguajes de programación ...............................................................................................62
Capitulo 3 Entorno de desarrollo ................................................................................................64
3.1 Hardware ...................................................................................................................................64
3.1.1 Nodo MicaZ .......................................................................................................................64
3.1.2 Placa Sensora MTS310CB ...........................................................................................65
3.1.3 Placa programadora MIB520CB ...............................................................................66
3.2 Software .....................................................................................................................................67
3.2.1 NesC .....................................................................................................................................67
3.2.1.1 Interfaces ..................................................................................................................68
3.2.1.2 Componentes ..........................................................................................................69
3.2.1.2.1 Módulo ..............................................................................................................69
3.2.1.2.2 Configuración .................................................................................................70
3.2.1.3 Modelo de concurrencia .....................................................................................71
3.2.1.3.1 Condiciones de carrera ...............................................................................71
3.2.1.4 Programando en nesC .........................................................................................72
3.2.2 Java .......................................................................................................................................74
3.2.3 TinyOS 2.x .........................................................................................................................75
3.2.3.1 Características generales ...................................................................................75
3.2.3.2 Evolución y cambios de diseño en TinyOS 2.x ...........................................77
3.2.3.2.1 Abstracciones de hardware ......................................................................78
3.2.3.2.2 Planificador .....................................................................................................79
3.2.3.2.3 Secuencia de inicio .......................................................................................80
3.2.3.2.4 Virtualización .................................................................................................80
3.2.3.2.5 Temporizadores ............................................................................................80
3.2.3.2.6 Comunicación .................................................................................................81
3.2.3.2.7 Sensores ...........................................................................................................82
3.2.3.2.8. Códigos de error ...........................................................................................83
3.2.3.2.9 Arbitraje ...........................................................................................................83
3.2.3.2.10 Gestión de energía .....................................................................................84
3.2.3.2.11 Protocolos de red .......................................................................................84
3.2.3.2.12 Nombrado de archivos .............................................................................85
3.2.3.2.13 Conclusión.....................................................................................................85
3.2.4 MySQL .................................................................................................................................85
3.2.5 El simulador Avrora ......................................................................................................85
3.2.5.1 Características ........................................................................................................86
Capítulo 4 Análisis del problema .................................................................................................88
4.1 Propósito ...................................................................................................................................88
4.2 Ámbito del sistema ................................................................................................................89

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