articulo-red inalambrica de sensores zigbee
TRANSCRIPT
CORPORACIÓN UNIVERSITARIA DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
PROGRAMA DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
CONVENIO UNIVALLE
PROTOCOLO DE PROYECTO DE TRABAJO DE GRADO
TÍTULO:
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EVALUACIÓN DE UNA RED INALÁMBRICA DE SENSORES ZIGBEE 802.15.4
AUTORES CODIGO E – MAIL
JHON JAIRO CALDERÓN ARBOLEDA 983602 [email protected]
CARLOS MANTILLA 2023607 [email protected]
DIRECTOR UDI: Ing. JOSÉ RUGELES ASESOR: PhD. HOMERO ORTEGA
DIRECTOR UNIVALLE: Ing. VICTOR HUGO SANCHEZ
CONTENIDO
Pag.
1. FICHA TÉCNICA 3
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y ESTADO DEL ARTE 4
3. JUSTIFICACIÓN 9
4. OBJETIVO GENERAL 11
4.1 Objetivos Específicos 11
5. MARCO TEÓRICO 12
5. METODOLOGÍA DE TRABAJO 23
6. CRONOGRAMA 26
7. PRESUPUESTO 27
BIBLIOGRAFIA 28
2
1. FICHA TÉCNICA PARA PROYECTO DE GRADO
FECHA Día: 23 Mes: Septiembre Año: 2005
PROGRAMA X Tecnología X Ingeniería
TIPO DE PROYECTO X Trabajo de desarrollo X Práctica empresarial
LINEA DE INVESTIGACIÓN
X Control, automatización y electrónica de Potencia
X Inteligencia Artificial
X Procesamiento Digital de Señales y arquitecturas digitales
X Telecomunicaciones y Propagación Electromagnética
AUTORES CÓDIGO TELÉFONO FIRMA
JHON JAIRO CALDERÓN ARBOLEDA 983602 6594964 ____________
CARLOS MANTILLA 2023607 3155655835 _____________
DIRECTOR DEL PROYECTO UNIVALLE DIRECTOR DEL PROYECTO UDI
Ing. VICTOR HUGO SÁNCHEZ Ing. JOSÉ RUGELES
ASESOR
PhD. HOMERO ORTEGA
PRESUPUESTO: $19’212.000.ºº
JEFE DE PROGRAMA.
__________________________
Ing. PAOLA CABEZA
3
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y ESTADO DEL ARTE
Hace sólo unas décadas, el avance tecnológico de las comunicaciones era algo
imaginable; ya que no existía la suficiente tecnología para fabricar chips con un alto grado
de integración, con múltiples funciones, que trabajaran a una frecuencia elevada y con un
bajo consumo de energía [1]. Actualmente en el mundo, la tecnología inalámbrica ha
evolucionado tanto que forma parte de la vida cotidiana; cambiando la manera de pensar,
actuar, trabajar y entretener a las personas Fig. 1.
Fig. 1 Escenario de las comunicaciones inalámbricas
El gran auge de las comunicaciones inalámbricas ha permitido que la implementación de
nuevas tecnologías sea cada vez más rentable; con un alto grado de integración y un bajo
costo de manufactura; encontrándonos en un escenario tecnológico rico en productos
inalámbricos con tecnologías de comunicación como: WiMax, GSM/GPRS, UMTS, Wi-Fi, Bluetooth; además de sistemas de Identificación por radiofrecuencia RFID y tecnologías
4
de localización como GPS, radar y sonar; que solucionan muchos problemas en
diferentes áreas de aplicación (comunicación, localización e identificación).
Para la industria se presenta un escenario actual donde algunos sistemas de
comunicación por cable se han empezado a reemplazar por sistemas de comunicación
inalámbricos aunque con costos de mantenimiento elevados Fig. 2.
Se
ina
con
Un
mo
op
1 q
esc
Fig. 2 Evolución de las comunicaciones inalámbricas
espera que en un futuro cercano se cuente con sistemas de comunicación
lámbricas autoconfigurables con necesidades de mantenimiento mínimas y con
sumos de potencia tan pequeños que permitan la operación de baterías durante años.
o de los principales factores que dificultan el desarrollo de las tecnologías inalámbricas
viles es el alto consumo de potencia de algunas de ellas (Wi-Fi, Bluetooth) limitando la
eración de las baterías a muy pocas horas. Se puede observar en la figura 3 y la tabla ue la vida de las baterías se ve limitada por el consumo de corriente, para lograr el
enario inalámbrico del futuro se requiere de tecnologías de muy bajo consumo.
5
Fig. 3 Tiempo de vida de la batería vs. Corriente promedio
Tipo de batería
Capacidad (mA-Hr)
Duración de batería @ 250µA (años)
Duración de batería @ 500µA (años)
Duración de batería @ 1mA (años)
AA 2000 1 0.5 0.25
C 6000 3 1.5 0.75
D 12000 7 3.5 1.5
TABLA 1. Comparación de durabilidad entre baterías
En el año 2003 dos grupos especialistas en estándares (ZigBee y el grupo de trabajo
IEEE 802) se unieron para desarrollar un estándar para redes inalámbricas de bajo
consumo y de bajo costo para aplicaciones domóticas e industriales. Dando como
resultado una norma para redes de área personal (LR-WPAN, Low Range Wíreless Personal Area Network) que ahora se conoce como el 802.15. 4.
El estándar 802.15.4 permitió darle la solución a los problemas de consumo de baterías;
ya que ha sido diseñado para soportar una diversidad de tareas que requieren bajo
consumo y bajo costo. El control de viviendas, la conexión inalámbrica de periféricos de
PC, el control remoto de dispositivos electrónicos de entretenimiento (tales como TV,
VCR, DVD/CR, etc.), el control industrial, las aplicaciones de control médico y
gestionamiento automático de viviendas; como por ejemplo, seguridad perimetral, control
6
de acceso, control de calefacción y aire acondicionado, son algunas de las aplicaciones
poco atendidas por los estándares existentes [2].
El sensor de una red inalámbrica, siendo un dispositivo microelectrónico, sólo puede estar
equipado con una fuente energética limitada (< 0,5 Ah, 1.2 V). En los escenarios de
algunas aplicaciones, la recarga de los recursos energéticos puede ser imposible. El
tiempo de vida de los nodos sensores, en consecuencia, muestra una gran dependencia
del tiempo de vida de la batería [11]. En una red sensora ad-hoc multisalto, cada nodo
desempeña el doble rol de origen de información y enrutador de información. El
funcionamiento defectuoso de algunos nodos puede causar cambios de topología
significantes y puede requerir re-enrutamiento de los paquetes y reorganización de la red.
TinyOS es un sistema operativo de código libre basado en eventos destinado para
utilizarse en sensores; utiliza un modelo de programación basado en el concepto de
“wiring” (enlazar o cablear) componentes software para producir un programa final. Este
modelo de programación además, establece los requisitos sobre como deben ser escritos
los programas. TinyOS, siguiendo los patrones de las redes de sensores, toma en cuenta
que puede haber muy pocos recursos disponibles (por ejemplo, 512 bytes de RAM) y que
esto requiere una utilización de los recursos eficientemente. Otro requerimiento tiene que
ver con el concepto wiring, los programas deben ser capaces de mapear una sola llamada
a función (input wire) para que sean llamadas de múltiples funciones (output wires).
Además, TinyOS utiliza frecuentemente macros del preprocesador de C para permitir
modos de compilación alternativos (como pueden ser simuladores) [12].
Algunos trabajos de investigación y desarrollo en diversos campos que sirven de
referencias son: el proyecto CodeBlue desarrollado por la UNIVERSIDAD de HARVARD
con aplicación a la medicina, por medio del cual se han implementación de tres tipos de
sensores inalámbricos (Pulso de oximetría, Electrocardiógrafo y de Movimiento), en
pacientes recién operados o crónicos, entre otros. Los parámetros biológicos son
almacenados en una base de datos, en tiempo real, para la monitorización remota de la
situación del paciente. La utilización de estos sensores permite el desplazamiento del
paciente mientras está siendo monitorizado tanto en el entorno hospitalario como en los
entornos extrahospitalarios [3]. La UNIVERSIDAD de BERKELEY de CALIFORNIA
desarrolló unos sensores inalámbricos Mote (MicaBoards), para realizar algoritmos de
7
tráfico en las carreteras y así aliviar los problemas genéricos de congestión [4]. El Centro de Comunicaciones Inalámbricas de la UNIVERSIDAD de OULU, implementó un grupo
de sensores inalámbricos para monitoreo de la ubicación y la velocidad de personas que
practican deportes al aire libre, como el esquí [5]. La UNIVERSIDAD del SUR de CALIFORNIA utilizó una red de sensores inalámbricos aplicados a unos minirobots
llamados Robomote con el fin de estudiar trayectorias [6].
Entre las empresas fabricantes que manufacturan productos ZigBee, están: Chipcon,
Freescale, Crossbow, DLP Design, etc.
Chipcon que es el principal fabricante del mundo de la tecnología de ZigBee/IEEE 802.15.4. El CC2420 de Chipcon era el primer chip transmisor-receptor de 2,4 GHz y
requería de un micro externo para programar y configurar sus registros. Chipcon también
proporciona el software de los transmisores-receptores de RF, herramientas de desarrollo
como kits y diseños probados. En septiembre del 2005 Chipcon lanzó al mercado el
CC2430, el cual integra un microcontrolador 8051 de INTEL en el mismo encapsulado del
transceiver, lo cual facilita el desarrollo; disminuyendo los costos de producción y el
consumo de potencia [13]. Freescale se centra actualmente en el abastecimiento de productos el sector automotriz,
y a la industria inalámbrica de las comunicaciones. Desde que Freescale TM comenzó
operaciones en 1953 en el sector de productos semiconductores de Motorola Inc. ha sido
un pionero en la industria global de semiconductores y es el responsable de un número de
innovaciones significativas que han tenido un impacto significativo en la industria. Por
ejemplo, Freescale desarrolló procesadores de comunicaciones, microcontroladores,
sensores de estado sólido de aceleración, y los módulos celulares. Entre los productos
ZigBee que ofrece, Freescale fabricó el MC13192 y el MC13193; que son transceivers de
la banda ISM de 2.4 GHz, de corto rango, baja potencia, para aplicaciones médicas,
científicas e industriales. Contiene una capa física (PHY), diseñada para la norma IEEE 802.15.4 y soporta redes punto a punto, estrella y malla [14].
Crossbow ofrece en el mercado una serie de kits, chips, sensores, “motes” y gateways
inalámbricos con la ventaja de seleccionar la configuración conveniente para el diseño de
8
la red. Entre los motes (tarjetas de procesador y radio), está el MPR2400 que es
compatible con la norma IEEE 802.15.4, posee un procesador ATMega de Atmel, 512 KB
de memoria, un transceiver CC2420 de Chipcon y un rango de frecuencia de 2400 a
2483.5 MHz [15].
DLP Design es uno de los fabricantes que ofrece una línea muy económica de productos.
El DLP RF1 es uno de los transceiver ZigBee que combina una interfase USB para
configuración de registros desde el PC, un transceiver de 2.4 MHz MC13192 de
Freescale y un microcontrolador MC9S08GT60 de Freescale. El DLP RF2 difiere del
primero por no tener la interfase USB; en este caso tiene un conector MOL macho de 20
pines para conectar una interfase que permita programar registros desde el PC [16].
Con este amplio panorama de alternativas comerciales y en medio de la rápida evolución
de las tecnologías de redes inalámbricas se busca en este proyecto desarrollar un
prototipo de red de sensores inalámbricos que permita la medición de temperatura y
mediante las mediciones de: tráfico, variaciones de potencia vs. distancia, tasa máxima
del canal inalámbrico; evaluar el rendimiento de la red para diversas distancias de
ubicación de los nodos.
Este proyecto se plantea como una de las fases iniciales de desarrollo de un proyecto de
investigación que adelanta el grupo GPS en su línea de telecomunicaciones y que busca
aplicar las tecnologías inalámbricas al desarrollo de equipos biomédicos [17].
9
3. JUSTIFICACIÓN
En el mundo, la implementación de redes inalámbricas personales para la industria o uso
casero, es cada vez mayor. En el ámbito tecnológico, el bajo consumo de potencia es
muy necesario, ya que el reemplazo frecuente de la batería es poco rentable. ZigBee es
una tecnología muy reciente (Mayo 2003), que ha despertado un gran interés en su
estudio y aplicación para nuevas y mejores soluciones, ya que permite el despliegue de
redes inalámbricas basadas en soluciones de muy bajo consumo, proporcionando la
capacidad de ejecutar aplicaciones típicas durante varios años con las mismas baterías y
soporta tecnologías de red malla a bajo precio; algo que ninguna norma había logrado,
con un acercamiento a las aplicaciones de monitoreo y de control remoto.
Se pretende explorar el potencial tecnológico que ofrecen las redes de sensores
inalámbricos y desarrollar una base conceptual y técnica que permita establecer las
ventajas e inconvenientes de la tecnología ZigBee.
Este trabajo es un aporte a la línea de investigación en radiocomunicaciones del grupo de
Investigación en Procesamiento de Señales GPS de la escuela de Ingeniería Electrónica
de la Universitaria de Investigación y Desarrollo; es un trabajo que da continuidad a
proyectos anteriores, orientados por los directores de la tesis.
Se busca difundir los resultados del proyecto mediante el desarrollo de una práctica de
laboratorio que sirva como apoyo al curso de radiocomunicaciones y al desarrollo de un
curso de actualización tecnológica ofrecido por el grupo GPS.
10
4. OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar una red de sensores inalámbricos bajo la norma IEEE 802.15.4 (ZigBee).
4.1. Objetivo Específicos
• Realizar una exploración de productos tecnológicos existentes para el diseño de redes
de sensores inalámbricos.
• Diseñar e implementar un prototipo de red de sensores inalámbricos para la medición
de temperatura.
• Evaluar el rendimiento de la red inalámbrica mediante análisis de tráfico y variaciones
de potencia vs. distancia entre nodos.
• Evaluar la tasa de transferencia máxima del canal inalámbrico y su dependencia de
las variaciones de la distancia entre los nodos de la red.
• Desarrollar una guía didáctica con experiencias de laboratorio que puedan ser
utilizadas en un curso de radiocomunicaciones.
11
5. MARCO TEORICO
5.1 Fundamentos de redes inalámbricas Los siguientes términos son comúnmente usados en la conexión de redes inalámbricas y
se relacionan directamente con las características de la capa de red [7]. Network scan: Es la capacidad de un dispositivo de detectar los canales activos dentro
de su rango de comunicaciones. Este rango es llamado a menudo POS (Personal
Operating Space), en la conexión de redes de área personal.
Creating/Joining a PAN: Crear una PAN, es la capacidad de constituir una red sobre
canales sin usar en el POS. En el caso de ZigBee, la red es una PAN (Personal Area
Network). Asociarse a una PAN, es la capacidad de hacerse socio de una red dentro del
POS.
Device Discovery: El descubrimiento de dispositivos, es la capacidad de identificar los
dispositivos sobre canales activos en la PAN.
Service Discovery: El descubrimiento de servicio, es la capacidad de determinar que
características o servicios son soportados sobre los dispositivos dentro de una red.
Binding: La unión es la capacidad de comunicarse a nivel de la aplicación con otros
dispositivos en la red.
5.2 Posibilidades de conexión de redes inalámbricas La formación y la asociación de la red, están basadas en algunas posibilidades:
• Los dispositivos son preprogramados para su función de la red.
• Los dispositivos “end point” siempre tratarán de asociarse a una red existente.
• Los coordinadores siempre tratarán de encontrar un canal sin usar de una red.
• Los dispositivos descubren a otros dispositivos y se asociarán a la red para
proveer servicios complementarios. Por ejemplo, un dispositivo de control ZigBee
de alumbrado descubrirá a solamente una red Zigbee de alumbrado, porque esto
12
• es lo que reconoce. Sin embargo, los dispositivos pueden ser programados para
funcionar en varios tipos de red múltiple [8]. 5.3 Tipos de dispositivos IEEE 802.15.4
Coordinador de red: es el dispositivo más sofisticado; debe dirigir la red y por lo tanto,
requiere de más memoria.
Dispositivo FFD: tiene funcionalidad completa; mientras que un dispositivo FFD puede
ser un “end point”, generalmente será un enrutador. El FFD también puede trabajar como
un puente a otras redes. En este caso, podría requerir más capacidad computacional y de
memoria que el coordinador de la red. Este dispositivo no será alimentado por una
pequeña batería.
Dispositivo RFD: como su nombre implica, tiene un conjunto de características
reducidas. Solamente tiene que oír/hablar con su coordinador de red y su enrutador más
cercano. Esta clase de dispositivos se centra en aplicaciones de dispositivo “end point”
trabajando con batería.
5.4 La norma IEEE 802.15.4
Se diseñó para una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo el mando industrial y
supervisión. La máxima tasa de datos para estas aplicaciones es de 115.2 kb/s, para
algunos periféricos de PC a menos que 10 kb/s para automatización casera y otras
aplicaciones particulares. De forma semejante, la latencia máxima aceptable del mensaje
es de 15 ms aproximadamente para periféricos de PC a 100 ms o más para las
aplicaciones de automatización caseras.
5.5 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS El IEEE 802.15.4, definido completamente desde Mayo de 2003, define una capa física
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) que le permite funcionar en bandas no
licenciadas ya pobladas, coexistiendo con otras tecnologías.
Algunas características de 802.15.4 se resumen en la tabla 2.
13
Bandas de frecuencia y Rango de
transmisión de datos
868 MHz: 20KB/s
915 MHz: 40KB/s
2.4GHz: 250KB/s
Alcance 10 - 20 m
Consumo: (Stand By)
Consumo (Tx):
3 µA
35mA
Latencia Por debajo de 15 ms
Canales 868/915 MHz: 11 canales.
2.4 GHz: 16 canales.
Modos de direccionamiento Todos los chips tienen 64 Bits IEEE de
direccionamiento
Canal de acceso CSMA-CA
Seguridad 128 AES
Red Hasta 264 dispositivos
Rango de temperatura -40 º a +85 ºC
Tabla 2: Propiedades del IEEE 802.15.4
Además el DSSS no exige una necesidad de sincronización tan grande como otras
variantes CDMA (como es el caso del FHSS) lo que permite en la práctica el poder pensar
en tener redes escalables hasta cantidades muy elevadas de usuarios (contempla redes
de mas de 64000 elementos de hecho), sin problemas. Los objetivos perseguidos con
esta norma es por una parte su simplicidad, flexibilidad y bajo costo y por otra el lograr
implementaciones con unas cifras de autonomía del orden de años para dispositivos
equipados con una pila alcalina ordinaria. Dentro de Europa, funciona en las bandas ISM
de 2.4 GHz (con un bit rate en esa banda de 250 Kb/s mediante 12 canales) y en la banda
de 868 MHz (con 20 kb/s en 1 canal). Para América, sus bandas de funcionamiento son la
ISM de 2.4 GHZ con las consideraciones apuntadas mas la banda de 915 MHz, en la que
proporciona 40 kb/s con 10 canales.
Emplea la modulación OQPSK con impulso conformado, con una sensibilidad
especificada de –90 dBm. Respecto al MAC emplea una esquema de resolución de
Contención CSMA/CA (semejante al WiFi), soportando varias topologías (estrella, malla, y
arbol). El mecanismo de mando define un esquema Aloha CSMA/CA ordinario con
14
reconocimiento positivo, y se puede opcionalmente disponer de una estructura con
beacon ó piloto para aplicaciones que requieran baja latencia, con lo que se consiguen
tiempos de acceso al canal (sin contención) de menos de 15 mseg.
Silicio
CAPA FÍSICA
CAPA MAC
CAPAS RED/SEGURIDAD
TRAMA DE APLICACIÓN
PERFILES DE APLICACIÓN
IEEE
Plataforma ZigBee Alliance
AplicaciónStack de Plataforma
ZigBee o OEM
Figura 4. Estructura formal del estándar de soporte
Tal como indica la Figura 4, Zigbee considera la capa física y el MAC definido por la
norma IEEE 802.15.4 y se encarga de definir las funcionalidades asociadas a la capa de
red (incluyendo los atributos de seguridad) así como el software asociado a los perfiles de
aplicaciones.
5.6 ZIGBEE ALLIANCE
ZigBee es una alianza, sin ánimo de lucro, de 25 empresas, la mayoría de ellas
fabricantes de semiconductores, con el objetivo de auspiciar el desarrollo e implantación
de una tecnología inalámbrica de bajo costo.
15
Destacan empresas como Invensys, Mitsubishi, Philips y Motorola que trabajan para crear
un sistema estándar de comunicaciones, vía radio y bidireccional, para usarlo dentro de
dispositivos de domótica, automatización de edificios (inmótica), control industrial,
periféricos de PC y sensores médicos. Los miembros de esta alianza justifican el
desarrollo de este estándar para cubrir el vacío que se produce por debajo del Bluetooth.
La baja velocidad y el bajo consumo potencia de ZigBee, conocido con otros nombres
como "HomeRF Lite", son algunas de las características de esta tecnología inalámbrica;
con velocidades comprendidas entre 20 kB/s y 250 kB/s y rangos de 10 m a 75 m. Puede
usar las bandas libres ISM de 2,4 GHz, 868 MHz (Europa) y 915 MHz (EEUU). Una red
ZigBee puede estar formada por hasta 255 nodos los cuales tienen la mayor parte del
tiempo el transceiver ZigBee dormido con objeto de consumir menos que otras
tecnologías inalámbricas. El objetivo es que un sensor equipado con un transceiver
ZigBee pueda ser alimentado con dos pilas AA durante almenos 6 meses y hasta 2 años.
Como comparativa la tecnología Bluetooth es capaz de llegar a 1 MB/s en distancias de
hasta 10 m operando en la misma banda de 2,4 GHz, sólo puede tener 8 nodos por celda
y está diseñado para mantener sesiones de voz de forma continuada.
Los módulos ZigBee serán los transmisores inalámbricos más baratos jamás producidos
de forma masiva. Con un coste estimado alrededor de los 2 euros dispondrán de una
antena integrada, control de frecuencia y una pequeña batería.
Al igual que Bluetooth, el origen del nombre es oscuro, pero la idea vino de una colmena
de abejas pululando alrededor de su panal y comunicándose entre ellas [9]. 5.7 Mercados y Aplicaciones Zigbee Las soluciones sobre el estándar ZigBee, en conexión de redes, se centran en mercados
y aplicaciones específicas. El estándar Zigbee se ha hecho a la medida para aplicaciones
de monitorización y control. Por lo tanto, los mercados como la automatización de edificios
y hogares, la atención sanitaria, control industrial, control de alumbrado y control
comercial, son los principales campos de aplicación.
5.7.1 Automatización de edificios y hogares: seguridad, alarmas, control del
aire acondicionado, lectura de contadores de agua, gas, electricidad, control de
iluminación, control de accesos, control de riego...
16
5.7.2 Atención sanitaria: Monitorización de pacientes y equipos para la salud
(fitness).
5.7.3 Control industrial: Control de procesos, sensores, instrumentación
remota.
Además, debido a su baja velocidad de transmisión de datos y su naturaleza de bajo
consumo, también entra en los mercados del control remoto para la electrónica de
consumo y lo que se llaman Dispositivos para la Interfaz Humana (HID), como teclados,
ratones y joysticks.
5.8 Objetivos técnicos del mercado Zigbee ZigBee se ha implementado en la banda mundial de 2.4GHz, sin necesidad de licencia, o
una de las bandas regionales de 868/900 MHz. El espectro de radio sin licencia, está
designado por un acuerdo internacional y pone la carga de adhesión de la especificación
sobre el fabricante del equipo. No se exige a los usuarios tener una licencia para
demostrar su competencia técnica, por esto es el término “sin licencia”.
Debido a que el uso geográfico libre, es un objetivo, la banda de 2.4 GHz es la banda
preferida debido a su asignación internacional. Hay muchas bandas sin licencia en las
frecuencias más altas y más bajas. Las bandas de 2.4 GHz y 868/900 MHz fueron
escogidas por el estándar IEEE 802.15.4 debido a sus características de propagación. La
propagación hace referencia a la manera en que las ondas de radio actúan en el medio
ambiente.
Las frecuencias 868/900 MHz y 2.4 GHz tienen buena penetración tanto a través de
paredes y los techos, pero tienen un rango limitado. La limitación de rango es realmente
deseable para reducir las interferencias. Finalmente, ZigBee está basado en IEEE
802.15.4, que es un estándar PAN (Personal Area Network).
Volviendo a las características deseables de sistemas basados en Zigbee, la instalación
debe ser automática o semiautomática, con el propósito de que los consumidores puedan
poner redes inalámbricas fácilmente. Además, añadir nuevo hardware a un sistema
existente debe ser sencillo.
17
Debido a que ZigBee reemplaza cables y otros sistemas inalámbricos, el costo debe ser
bajo para hacer el cambio a ZigBee más ventajoso. El hardware y la redes Zigbee deben
permitir una transferencia de datos de 10 a 115 kbps. Esto representa cantidad de datos
que puede ser transferido en cuanto el protocolo de cabecera se ha retirado. El hardware
Zigbee debe poder comunicarse sobre un rango entre 10 a 75 metros. Un hardware típico
a 2.4 GHz presenta una distancia de trabajo hasta 30 metros dentro de un edificio y más
de 100 metros en campo abierto. Se pueden poner hasta 100 redes de ZigBee y todavía
funcionar. Los dispositivos “end point” de la red pueden funcionar hasta 2 años con
baterías del tipo AA y AAA. Los dispositivos “end point” pueden ser sensores
inalámbricos, monitores o controladores.
5.9 Modelo de red Zigbee Como se mencionó antes los dispositivos “end point” al hablar de los objetivos técnicos
del mercado Zigbee. Los dispositivos “end point” pueden ser dispositivos de función
completa, queriendo decir que tienen la capacidad de llevar a cabo todas las tareas
requeridas en una red o pueden ser dispositivos de función reducida. Un dispositivo “end
point” consigue sus instrucciones desde un Coordinador de ZigBee. Todas las redes de
ZigBee deben incluir un Coordinador, que es un dispositivo de función completa que dirige
la red. Si el dispositivo “end point” está fuera del rango de este Coordinador, puede
comunicarse a través de un enrutador.
La figura 5, muestra una red que se denomina “mesh” (malla). Se usa el término “mesh”
debido a de los Enrutadores y el Coordinador tienen múltiples opciones de trayectoria de
comunicación. Los dispositivos “end point” están organizados en lo que se llama una red
en estrella alrededor de un Enrutador o Coordinador.
Esta estructura de estrella es la típica manera en que operan que las redes inalámbricas
de bajo coste. ZigBee mantiene el coste bajo mientras que añade potencia con la
conexión de redes en malla, una característica que no se encuentra en la mayoría de los
estándares de conexión de redes de radio.
18
Dispositivo final ZigBee (RFD o FFD) Enlace Malla
Enlace Estrella
Un Coordinador ZigBee por red Red
Figura 5. Modelo de Red ZigBee
Enrutador ZigBee (FFD)
Coordinador ZigBee (FFD)
5.10 Alternativas paralelas a Zigbee
Hay muchas alternativas inalámbricas asequibles a los diseñadores. Comparando ZigBee
con algunos de los estándares más populares que comparten la banda de 2.4 GHz sin
licencia. Los parámetros mostrados en la tabla 3, incluyen el estándar
ZigBee
(WPAN)
Bluetooth
(WLAN/WPAN)
Wi-Fi
(WLAN)
Estándar 802.15.4 Estándar 802.15.1 Estándar 802.11
250KBps 1MBps Hasta 54MBps
Consumo Tx: 35mA Consumo Tx: 40mA Consumo Tx: > 400mA
Consumo (Stand By): 3µA Consumo (Stand By): 200µA Consumo (Stand By): 20mA
Memoria: 32-60KB Memoria: Mayor de 100KB Memoria: Mayor de 100KB
19
ZigBee
(WPAN)
Bluetooth
(WLAN/WPAN)
Wi-Fi
(WLAN)
Aplicación: Iluminación,
sensores, control, remoto,
etc.
Telecomunicación, radio, etc Internet, tec
Topologías: Malla, punto
a punto o punto a
multipunto.
Punto a multipunto Punto a multipunto
Tabla 3. Cuadro comparativo de ZigBee y otras tecnologías
de la MAC, la máxima velocidad de transmisión, el consumo de corriente típica en
transmisión y en “standby”, los requisitos de memoria de programa para un dispositivo
típico, aplicaciones y opciones de conexión de la red.
5.10.1 Bluetooth
Es un popular sistema de comunicación inalámbrico basado en el estándar IEEE
802.15.1. Bluetooth trabaja a una velocidad de transmisión de datos de 1 Mbps. Se puede
ver que Bluetooth y ZigBee tienen similares corrientes en transmisión, pero ZigBee tiene
un recurso significativamente mejor, más baja corriente en “standby”. Esto es debido a
que los dispositivos en redes Bluetooth deben dar información a la red frecuentemente
para mantener la sincronización, así que no pueden ir fácilmente en modo "Sleep".
5.10.2 Wi-Fi o WLAN
Es una red que requiere la actividad casi ininterrumpida de los dispositivos en la red. La
ventaja de este estándar es la cantidad tremenda de datos que se pueden transferir de un
punto a multi-puntos, pero se puede ver que la corriente en transmisión es alta.
También se puede observar que de los tres estándares de radio, solamente ZigBee brinda
la flexibilidad de la conexión de redes en malla. También se pueden ver los reducidos
requisitos de memoria de programa de ZigBee. Las aplicaciones ZigBee son típicamente
20
muy simples. La potencia está en la conexión de redes y el hecho de que los dispositivos
“end point” de ZigBee pueden "dormir" mientras que se mantienen asociados a la red.
Uno de los puntos clave de esta tabla es mostrar que los estándares inalámbricos están
basados en lo que se llaman "modelos de uso" o "aplicaciones". Ningún estándar cubre
todos los requerimientos de todos los “modelos de uso”. Los diseñadores deben escoger
el estándar que cubre mejor sus requisitos de aplicación.
5.11 Zigbee versus Bluetooth
Examinando la comparativa de los dos estándares más cercanos, ambos están en la
categoría PAN.
Ambos tienen radios similares, pero no lo son en cuanto al consumo de energía. La
diferencia entre los dos estándares está en su campo de aplicación; Bluetooth apunta a
las aplicaciones de una transferencia media de datos y servicio ininterrumpido, como
transferencia de ficheros y transmisión de sonido en telecomunicaciones.
ZigBee, apunta las aplicaciones de baja transferencia de datos y ciclos de servicio bajos.
Los dispositivos “end point” no transmiten o reciben tan frecuentemente en este tipo de
aplicaciones, y permiten una duración de la pila excepcional.
Por ejemplo, si un sensor transmite una vez durante un minuto para informar sobre su
estado y esto 10 veces al día, cuando hay un evento tal como abrir una puerta. En este
caso con un dispositivo Bluetooth duraría 100 días y con un dispositivo ZigBee duraría 9.8
años, sobrepasando el tiempo de caducidad de la batería. Evidentemente, ZigBee es una
mejor opción para este tipo de aplicación controlada por eventos.
5.12 Coexistencia a 2.4GHz
La coexistencia ocurre inevitablemente en las discusiones de los estándares de banda sin
necesidad de licencia. Ambos comités 802.11 y 802.15.2 están examinando la situación.
Las redes ZigBee y 802.15.4 están en las mejores condiciones atribuibles a su baja
velocidad de transmisión y bajo ciclo de servicio. Los dispositivos ZigBee funcionarán
típicamente en ciclos de servicio de 0.1 al 1%, esto permite que el CSMA de la portadora
tenga resultados robustos. Los dispositivos ZigBee o 802.15.4 están atentos a un canal
21
vacío antes de que transmitan. El algoritmo CSMA es parte del software de 802.15.4 así
que el usuario se descarga de crear un esquema para evitar colisiones.
22
6. METODOLOGÍA DE TRABAJO
El desarrollo de este proyecto de investigación involucra el desarrollo de las siguientes
etapas:
6.1. Análisis Bibliográfico
En está primera etapa se determinan los conceptos teóricos sobre la norma IEEE
802.15.4 (ZigBee) [8] y la recomendación ZigBee [10]. Esta etapa involucra, búsqueda
y análisis de material bibliográfico como libros [1], artículos del IEEE [2, 5,7], PDF’s [3, 4,
6, 9], búsquedas por internet.
6.2. Estudio del protocolo
Como la norma es muy reciente y pocos trabajos se han realizado implementándola, es
necesario estudiar el protocolo por medio de las condiciones establecidas por la IEEE
802.15.4 y poder determinar el transceiver más adecuado para la implementación que se
desea realizar.
6.3. Búsqueda y comparación de dispositivos
Antes de realizar cualquier adquisición de nueva tecnología, se deben conocer los
dispositivos que ofrecen los fabricantes: hardware, monitores de redes inalámbricas,
gateways, simuladores programables y sistemas de desarrollo. Esto con el fin de tener los
criterios necesarios para elegir acertadamente en el momento de la compra.
23
6.4. Selección de dispositivos
Una vez realizada la exploración tecnológica, se selecciona el fabricante del dispositivo, el
distribuidor y por último se ejecuta la compra.
6.5. Diseño de la red
Teniendo en cuenta la norma y la implantación que se desea realizar, se procede a hacer
el diseño de la red, teniendo en cuenta las características de los sensores que se vayan a
utilizar.
6.6. Análisis del tráfico y tasa de transferencia máxima
A este nivel se va a evaluar en la red una serie de características importantes para que
los sensores puedan trabajar de la mejor manera posible, considerando las
recomendaciones del fabricante. Tales características son: Las variaciones de potencia
vs. Distancia, la tasa de transferencia máxima y su dependencia de las variaciones de
distancia y la medición de errores.
6.7. Pruebas
Se realizan las pruebas pertinentes a la red y se obtienen las conclusiones del trabajo
realizado.
6.8. Laboratorio
Se diseñan guías didácticas con experiencias de laboratorio que puedan ser utilizadas por
los estudiantes del curso de radiocomunicaciones.
24
6.9. Elaboración del libro de la tesis
Se consignan todos los resultados y las conclusiones obtenidas de la investigación
desarrollada que documente el trabajo realizado.
25
7. CRONOGRAMA
MES ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE
SEMANAS 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1
ETAPAS
DOCUMENTACIÓN
ESTUDIO PROTOCOLO
ANTEPROYECTO
BUSQUEDA,
COMPARACIÓN,
SELECCIÓN Y COMPRA DE
DISPOSITIVOS
DISEÑO DE LA RED
ANÁLISIS DEL TRÁFICO Y
DE TRANSFERENCIA
MÁXIMA
PRUEBAS
DISEÑO DE
LABORATORIOS
REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
Y LIBRO DE TESIS
26
8. PRESUPUESTO
8.1 RECURSOS HUMANOS
RESPONSABLE TIEMPO TOTAL (MESES)
INTENSIDAD HORARIA/SEMANAS
VALOR HORA
VALOR TOTAL
JHON JAIRO CALDERÓN ARBOLEDA
8 16 2.500 1’280.000
CARLOS MANTILLA JAIMES
8 16 3.500 1’792.000
DIRECTOR UDI 8 8 30.000 7’680.000 DIRECTOR UNIVALLE 8 2 50.000 3’200.000 VALOR TOTAL DE RECURSOS HUMANOS 8.2 RECURSOS FÍSICOS Estos costos son asumidos por el autor y corresponden al uso de instalaciones y equipos de entidades particulares.
RECURSOS FÍSICOS CONCEPTO CANTIDAD VALOR UNITARIO VALOR TOTAL
HORAS EN SALAS DE COMPUTO
240 1.500 360.000
BIBLIOGRAFÍA (LIBROS)
3 50.000 150.000
COMPUTADOR 1 1’900.000 1’900.000 SESORES 1 Kit 1’800.000 1’800.000
FOTOCOPIAS 2000 50 100.000 IMPRESIONES 2500 100 250.000 IMPREVISTOS - - 700.000
13’952.000
5’260.000 VALOR TOTAL DE RECURSOS FÍSICOS
CONCEPTO VALOR TOTAL RECURSOS HUMANOS 13’952.000 RECURSOS FÍSICOS 5’260.000 COSTO TOTAL DEL PROYECTO 19’212.000
El costo total del proyecto se estima en $19’212.000.ºº
27
BIBLIOGRAFIA
[1] Callaway, Edgar H, “Wireless Sensor Networks : Architectures and Protocols”,
Boca Raton, FL, USA: Auerbach Publishers, Incorporated, 2003.
[2] Callaway, E.; Gorday, P.; Hester, L.; Gutierrez, J.A.; Naeve, M.; Heile, B.; Bahl, V.;
“Home networking with IEEE 802.15.4: a developing standard for low-rate wireless personal area networks”, Communications Magazine, IEEE. Volume 40, Issue 8, Aug.
2002 Page(s):70 - 77
[3] Victor Shnayder, Borrong Chen, Konrad Lorincz, Thaddeus R. F. ulfordJones, y
Matt Welsh; “Sensor Networks for Medical Care”, Division of Engineering and Applied
Sciences Harvard University.
[4] Tim Tau Hsieh; “Partners for Advanced Transit”, California PATH Research
Report, http://www.path. berkeley.edu.
[5] Ian Oppermann, Lucian Stoica, Alberto Rabbachin, Zack Shelby, y Jussi Haapola;
“UWB wireless sensor networks,UWEN a practical example”, IEEE Radio
Communications, December 2004 Page(s): 27-32.
[6] Karthik Dantu, Mohammad Rahimi, Hardik Shah, Sandeep Babel, Amit Dhariwal y
Gaurav Sukhatme, “Robomote: Enabling Mobility In Sensor Networks”, Dept of
Computer Science University of Southern California.
[7] J. A. Gutierrez et al., “IEEE 802.15.4: A Developing Standard for Low-Power, Low-Cost Wireless Personal Area Networks,” IEEE Network, vol. 15, no. 5, Sept./Oct.
2001, pp. 12–19.
28
[8] IEEE Computer Society; “802.15.4-2003_Wireless MAC and Physical Layer (PHY) specifications for low rate WPANs (LR-WPANs)”, IEEE Standard for Information
technology—Telecommunications and information exchange between systems—Local and
metropolitan area networks Specific requirements. Approved 12 May 2003
[9] Bob Heile; “Emerging Standards Where does ZigBee fit”, ZigBee Alliance,
October, 2004 http://www.ZigBee.org
[10] ZigBee Alliance; “ZigBee-Specification”, December 14th 2004
http://www.ZigBeeAlliance.org
[11] Ignacio Javier Borraz Gómez; “Estudi i implementació d’una aplicació de localització en xarxes de sensors”, 25 de febrer de 2005
[12] TinyOs Web Site; http://www.tinyos.net
[13] Chipcon Web Site; “SmartRF® CC2430 PRELIMINARY (rev. 1.01)”, September
15th 2005 http://www.chipcon.com
[14] Freescale Web Site; http://www.freescale.com
[15] CrossBow Web Site; http://www.crossbow.com
[16] DLP Design Web Site; http://www.dlpdesign.com
[17] Propuesta de proyecto de Investigación COLCIENCIAS; “WIRELESS COMMUNICATION: Perspectivas para el desarrollo de aplicaciones”, junio 14 de
2005. Grupos: Bioingeniería FCV Bucaramanga – Grupo I2T ICESI – Cali – Grupo GPS –
UDI – Bucaramanga.
29