1. Ingeniera Tcnica en Informtica de Gestin OPTIMIZACIN DEL CONSUMODE ENERGA EN APLICACIONES DE REDES DE SENSORESINALMBRICASAUTOR: Daniel Garca AubertTUTOR: M. Soledad Escolar Daz

2. ndice de contenidos Wireless Sensor Networks (WSN). Caractersticas. Aplicaciones. Motivacin y objetivos. Diseo e implementacin del sistema (Sensitive). SensitiveSampler, SensitiveBase y SensitiveListen. Modelo energtico. Evaluacin y pruebas. Simulacin. Entorno real. Demostracin. Conclusiones. Lneas futuras de trabajo. 3. Wireless Sensor Networks(WSN)NodosGateway sensores Evento!!Estacinbase 4. Caractersticas ToleranciSistemaEscalabilida a a fallosen dtiemporealGestin deInfraestructu recursos yra y fcil energa instalacin Heterogeneida Seguridad dArquitectura Costes distribuida WSN reducidos 5. Aplicaciones WSNEntornos militares Reconocimiento del terreno. Deteccin de ataques biolgicos, qumicos, nucleares,etc. Monitorizacin de fuerzas y equipos.Procesos agrcolas Productividad en invernaderos. Alerta de inclemencias meteorolgicas.Estudios medioambientales Cambios geolgicos, climticos, etc. Deteccin de contaminantes. Seguimiento a especies en peligro de extincin. 6. Aplicaciones WSNEntornos sociales y sanitarios Supervisin de pacientes crnicos desde sus domicilios. Control de constantes vitales en tiempo real.Procesos industriales Diagnstico de maquinaria, telemetra, medidas de calidad. Etiquetado de productos. Control de tiempos entre procesos de fabricacin.Entornos inteligentes Monitorizacin de sistemas de climatizacin, iluminacin,etc. Seguridad en el hogar (deteccin de intrusos). 7. Aplicaciones WSNEntornos de alta seguridad Seguridad en centrales qumicas, nucleares, etc. Seguridad en aeropuertos, edificios del gobierno, etc. Control de estructuras (puentes, tneles, rascacielos, etc.).Automocin Comunicaciones entre vehculos y mobiliario urbano. Vigilancia del trfico.Eficiencia energtica Certificado de eficiencia energtica en edificios. 8. Motivacin Directiva 2002/91/CEOptimizar el consumodel Parlamento Europeode energa de un nodoy del Consejo, de 16 de sensor diciembre de 2002 9. ObjetivosModelo deConstruccin de consumo de Sensitive energa del nodo Monitorizar la Obtener consumotemperatura de las de losdiversas estancias componentes de un edificio fsicos de un nodo Monitorizar el Estimar la estado de las duracin de lasbateras de losbateras del nododispositivos Ahorro de energa 10. Diseo e implementacin delsistema SensitiveSampler (TinyOS 2.x - nesC) Obtener temperatura del sensor y el voltaje delas bateras. Enviar el paquete con los datos obtenidos. Interceptar y enrutar los paquetes procedentes de otros nodos. SensitiveBase (TinyOS 2.x - nesC) Establecerse como nodo raz dentro de la red de sensores. Recibir todos los paquetes de datos procedentes de los nodos sensores. Enviar los paquetes recibidos de los nodos sensores va puerto serial a la estacin base. SensitiveListen (Ubuntu 9.10 - Java) Recibir los paquetes de datos procedentes del nodo gateway. Interpretar y transformar los datos recibidos en unidades del S.I. Insertar los datos obtenidos en la base de datos. 11. TinyOS 2.x - OrigenSistema Operativo de cdigo abierto diseado para sistemas embebidos.Desarrollado a partir de la Tesis Doctoral de Jason Lester Hill (2003) por laUniversidad de Berkeley.Estndar de facto en sistemas operativos para nodos sensores.Escrito en nesC 1.2.ltima versin (2.1.1) liberada en Agosto de 2008.Proporciona una biblioteca de componentes que incluye multitud de servicios(control de acceso a medio, protocolos de red, drivers de sensores, etc.). 12. TinyOS 2.x - AbstraccinEventos Llamadas de hardware a aplicacin (por ejemplo: timer expirado). Generadas por interrupciones, son asncronos y tiene mayor prioridad. Procesos pequeos.Tareas Mayor cantidad de procesamiento. 2 Fases: Solicitud y ejecucin (POC). Sistema FIFO.Comandos Llamadas de aplicacin a hardware (Apagar LED). Similares a funciones en cdigo C. 13. TinyOS 2.x - Planificacin 14. nesCLenguaje de programacin basado en C, enfocado yoptimizado para su uso en aplicaciones WSN.Metodologa de lenguaje orientada a componentes.Constructores del lenguaje Interfaces Componentes Configuracin (wiring) Mdulo (implementacin) 15. SensitiveSampler -Funcionamiento ObtenerInterceptar y enrutar temperatura delEnviar el paquete los paquetessensor y el voltajecon los datosprocedentes de otrosdelas bateras.obtenidos. nodos 16. SensitiveBase -Funcionamiento Enviar los paquetesRecibir los paquetes Establecerserecibidos de los de datos nodos sensores vacomo nodo raz. procedentes de lospuerto serial a la nodos sensores.estacin base. 17. Collection Tree ProtocolTopologa de red en forma de rbol LEEP (Link Estimation Exchange Protocol) Protocolo de recoleccin Fiable, robusto y eficienteProtocolo de libre-direccinETX=ETXpadre+ETXenlace_padre Deteccin y supresin de duplicadosDeteccin de bucles de enrutamiento 18. Low Power ListeningControla el consumo de energa que realiza la radio.Optimiza el tiempo que la radio debe escuchar el medio para recibir mensajes.Radio + LPL Sleep interval Duty cycleTime_rx=1000*msg_size*8/Baud_rate msg_size: Tamao del mensaje a enviar. Baud_rate: Tasa transmisin por segundo, pordefecto (38400)Time_rx_all=2*5milisegundos* time_rx LPL_INTERVAL =TIMER_INTERVAL-time_rx_all 19. SensitiveListen Visualizar porRecibir los paquetes Interpretar ypantalla los datos ede procedentes del transformar losInsertar en la basenodo gateway.paquetes de datos. datos 20. Modelo de consumo del nodoMicaZBasado en AEON (AccuratePrediction of Power Consumption).Calcula del consumo de energade un nodo MicaZ.Estima el tiempo de vida del nododentro de la red.Simulaciones con Avrora. 21. Clculo del consumoConsumoCPUActive7,5 mAIdle OffPower0,02mA3,3 AADC NoisePower Down988 A 20 AConsumo Consumo On2,2 mA Flash RadioReducConsumo nodo =Idle DownOffPower 426mA0 A116 AOn 70 A Consumo Receive (Rx)Power SaveOffStandby 18,8 mA124mA02 A AcomponenteTransmit 1Reserved(Tx:Read 17,4 mA0 mA 40dBm)WriteReserved 2 15 mA0 mALoadStandby2 A236 AConsumo Consumo Extended243 A SensorLEDs Standby 22. Clculo del consumo=={ Energy consumption results for node 1 }===========Node lifetime: 26542080000 cycles,3600.0 secondsCPU: 36.204115064677495 Joule Active: 0.1728460178754476 Joule, 56138921 cycles Idle: 36.031269046802045 Joule, 26485941079 cycles ADC Noise Reduction: 0.0 Joule, 0 cycles Power Down: 0.0 Joule, 0 cycles Power Save: 0.0 Joule, 0 cycles RESERVED 1: 0.0 Joule, 0 cycles RESERVED 2: 0.0 Joule, 0 cycles Standby: 0.0 Joule, 0 cycles Extended Standby: 0.0 Joule, 0 cycles% Tiempo estado = Ciclos (Componente: Estado) * 100 / Ciclos totalesConsumo componente (A) = Consumo: Estado (A) * % Componente: Estado / 100Consumo nodo (A) = Consumo componente (A)Horas de funcionamiento (HF) = Capacidad pilas (Ah) / Consumo nodo (A) 23. Evaluacin y pruebas(Simulacin)Tres escenarios Escenario 1: SensitiveSampler y SensitiveBase(CTP). Escenario 2: SensitiveSampler y SensitiveBase (LQI). Escenario 3: SensitiveSampler y SensitiveBase(CTP+LPL).Opciones de simulacin (Avrora) Una hora de duracin. Dos nodos (gateway y nodo sensor). Anlisis de energa. 24. Escenario 1: CTP (64segundos) MicroprocesadorRadio Microprocesador (Atmega128) Radio (CC2420) 99.940299.9672100100 80 80 60 60 40 40 20 200.0302 0.0000 0.0000 0.00260.0598 0.00000.00000.00000.00000.00000.00000.000000 Power Off PowerIdleReceiveTransmit Down(Rx)(Tx) Tiempo de vida vs intervalo deConsumosmonitorizacin A-hr consumidosBatera 2500 mA-h0.0187940.020 1.000.015 0.800.010 0.600.0033460.400.005 0.20 0.0000020.000007 0.0000700.000 0.00 uP Radio Flash LedsSensor 2 4 8163264 Memory Board 25. Escenario 2: LQI (64 segundos)Microprocesador Radio Microprocesador (Atmega128)Radio (CC2420) 99.939199.9641100100 80 80 60 6040 40200.0302 0.0000 0.00000.0057 20 0.0609 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.000000 Power Off Power DownIdle Receive (Rx) Transmit (Tx) Tiempo de vida vs intervalo deConsumo monitorizacin A-hr consumidosBateria 2500 mA-h0.0200.018794 1.000.015 0.800.010 0.600.0033460.400.0050.000002 0.000007 0.0000700.200.000 uP Radio Flash Leds Sensor 0.00 MemoryBoard 24 81632 64 26. Escenario 3: CTP+LPL(64segundos) MicroprocesadorRadio: Modelo 6 (64 segundos)Microprocesador (Atmega128)Radio (CC2420)99.379399.4668100 100 8080 60 60 40 4020 0.00390.00040.52640.0025 20 0.0688 0.5218 0.0002 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0299 00Power Off Power DownIdleReceive (Rx) Transmit(Tx) Tiempo de vida vs intervalo de12monitorizacin Consumo: Modelo 6 (64 segundos)10 Bateria 2500 mA-h 10.56 A-hr consumidos87.87 0.000160.000146 0.000146 0.000120.000099 5.35 0.00010 0.000080.0000704 0.000063.20 0.0000421.78 0.000020.000002 0.000007 0.94 0.000000 uPRadio FlashLedsSensor248 163264MemoryBoard 27. 1719212325272931332010-03-09 18:01:39.02010-03-09 18:50:04.0real)2010-03-09 19:38:27.02010-03-09 20:26:51.02010-03-09 21:15:14.02010-03-09 22:03:35.02010-03-09 22:52:03.02010-03-09 23:40:46.0Temperatura2010-03-10 00:29:41.02010-03-10 01:18:39.02010-03-10 02:07:38.02010-03-10 02:56:38.02010-03-10 03:45:37.02010-03-10 04:34:36.02010-03-10 05:23:35.02010-03-10 06:12:34.02010-03-10 07:01:34.02010-03-10 07:50:05.02010-03-10 08:38:32.02010-03-10 09:26:55.02010-03-10 10:15:18.0 Temperatura (C) nodo 12010-03-10 11:03:41.02010-03-10 11:52:04.02010-03-10 12:40:27.02010-03-10 13:28:50.02010-03-10 14:17:13.02010-03-10 15:05:36.02010-03-10 15:53:59.02010-03-10 16:42:22.02010-03-10 17:30:46.02010-03-10 18:19:09.02010-03-10 19:07:32.02010-03-10 19:55:55.02010-03-10 20:44:18.02010-03-10 21:32:41.02010-03-10 22:21:04.02010-03-10 23:09:32.0 Temperqatura (C) nodo 22010-03-10 23:58:24.02010-03-11 00:47:23.02010-03-11 01:36:22.02010-03-11 02:25:21.02010-03-11 03:14:21.02010-03-11 04:03:20.02010-03-11 04:52:19.02010-03-11 05:41:18.02010-03-11 06:30:17.02010-03-11 07:19:05.0Evaluacin y pruebas (entorno 28. 0.00.51.01.52.02.53.02010-03-09 18:01:32.02010-03-09 20:49:22.02010-03-09 23:37:32.02010-03-10 02:27:19.02010-03-10 05:17:13.02010-03-10 08:06:31.02010-03-10 10:54:19.02010-03-10 13:42:07.0Voltaje2010-03-10 16:29:54.0real)2010-03-10 19:17:42.02010-03-10 22:05:31.02010-03-11 00:54:34.02010-03-11 03:44:27.02010-03-11 06:34:21.02010-03-11 09:22:32.0Voltaje (v)2010-03-11 12:10:20.02010-03-11 14:58:08.02010-03-11 17:45:55.02010-03-11 20:33:43.02010-03-11 23:22:01.0Voltaje (Escenario 1)2010-03-12 02:11:54.02010-03-12 05:01:48.02010-03-12 07:50:57.02010-03-12 10:38:45.02010-03-12 13:26:33.02010-03-12 16:14:21.02010-03-12 19:02:09.00.00.51.01.52.02.53.02010-03-09 18:01:39.02010-03-09 20:50:31.02010-03-09 23:39:44.02010-03-10 02:30:34.02010-03-10 05:21:30.02010-03-10 08:11:46.02010-03-10 11:00:36.02010-03-10 13:49:26.02010-03-10 16:38:15.02010-03-10 19:27:05.02010-03-10 22:15:55.02010-03-11 01:06:09.02010-03-11 03:57:05.02010-03-11 06:48:01.02010-03-11 09:37:03.0Voltaje(v)2010-03-11 12:25:53.02010-03-11 15:14:42.02010-03-11 18:03:32.02010-03-11 20:52:22.02010-03-11 23:41:56.0Voltaje (Escenario 2)2010-03-12 02:32:52.02010-03-12 05:23:48.02010-03-12 08:13:42.0Evaluacin y pruebas (entorno2010-03-12 11:02:32.02010-03-12 13:51:21.02010-03-12 16:40:11.02010-03-12 19:29:01.0 29. Voltaje real)0.00 0.501.00 1.502.00 2.503.002010-03-18 15:59:18.02010-03-19 09:52:48.02010-03-20 03:47:39.02010-03-20 21:42:30.02010-03-21 15:37:21.02010-03-22 09:27:33.02010-03-23 03:17:53.02010-03-23 21:06:10.02010-03-24 14:56:35.02010-03-25 08:46:13.02010-03-26 02:33:27.02010-03-26 20:17:20.02010-03-27 14:11:31.02010-03-28 09:06:22.02010-03-29 03:01:13.02010-03-29 20:44:40.02010-03-30 15:04:23.02010-03-31 08:51:11.0 Voltaje (v)2010-04-01 02:36:29.02010-04-01 20:31:20.02010-04-02 14:26:11.02010-04-03 08:21:01.02010-04-04 02:10:40.0 Voltaje (Escenario 3)2010-04-04 19:54:48.02010-04-05 13:36:26.02010-04-06 07:17:58.02010-04-07 01:02:18.02010-04-07 18:46:09.02010-04-08 12:32:37.02010-04-09 06:21:31.02010-04-10 00:08:52.02010-04-10 18:03:43.02010-04-11 11:58:34.0 Evaluacin y pruebas (entorno 30. Demostracin 31. Conclusiones Monitorizacin de la temperatura y elvoltaje de las bateras. Certificado de eficiencia energticade edificios.Ahorro energtico ennodos sensores. Estimacin del consumo de energa de un nodo.Estimacin del tiempo de vida de un nodo. 32. Lneas futuras de trabajo Evaluacin de los nuevos protocolos (6lowpan). Comunicacin inversa. Inclusin de nodos actuadores. Seguridad en las comunicaciones. Geolocalizacin de nodos sensores. 33. Optimizacin del consumo deenerga en aplicaciones deredes de sensores inalmbricas Gracia s