CORPORACIÓN UNIVERSITARIA DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO PROGRAMA DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES CONVENIO CONVENIO UNIVALLE UNIVALL E
PROTOCOLO PROTOCOLO DE PROYECTO PROYECTO DE TRABAJ TRAB AJO O 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
j2c a74@yaho o.es
CARLOS MANTILLA
2023607
[email protected]
DIRECTOR UDI: Ing. JOSÉ RUGELES
ASESOR: PhD. HOMERO HOMERO ORTEGA ORTEGA
DIRECTOR DIRECTOR UNIVALLE: UNIVALL E: Ing. VICTOR VICTOR HUGO SANCHEZ
CONTENIDO
Pag. 1. FICHA TÉCNICA
3
2. PLANTEAMIEN PLA NTEAMIENTO TO DEL PROBLEMA Y ESTADO DEL ARTE
4
3. JUSTIFICACIÓN JUSTIFICA CIÓN
9
4. OBJETIVO OBJ ETIVO GENERAL GENERAL
11
4.1 4.1 Objetivos Específicos
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5. MARCO TEÓRICO
12
5.
METODOLOGÍA METODOLOGÍA DE TRABA JO
23
6.
CRONOGRAMA
26
7. PRESUPUESTO
27
BIBLIOGRAFIA
28
2
1. FICHA TÉCNICA PARA PROYECTO DE GRADO
Día: 23
FECHA PROGRAMA
Mes: Septiembre
X Tecnol ogía
TIPO DE PROYECTO
Año: 2005
X Ingeniería
X Trabajo de desarroll o
X Práctica empresarial
LINEA DE INVESTIGACIÓN
X Control, automatización y electrónica de P otencia X Inteligencia Artificial X Procesamiento Digital de Señales y arquitecturas digitales X Telecomunicaciones y Propagación Electromagnética
AUTORES
CÓDIGO
TELÉFONO
JHON JAIRO CALDERÓN ARBOLEDA
983602
6594964
CARLOS MANTILLA
2023607 3155655835
FIRMA
___________ _ ___________ __
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
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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 comun icaciones 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
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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.
Fig. 2 Evolución de las comunic aciones inalámbricas
Se espera que en un futuro cercano se cuente con sistemas de comunicación inalámbricas autoconfigurables con necesidades de mantenimiento mínimas y con consumos de potencia tan pequeños que permitan la operación de baterías durante años. Uno de los principales factores que dificultan el desarrollo de las tecnologías inalámbricas moviles es el alto consumo de potencia de algunas de ellas (Wi-Fi, Bluetooth) limitando la operación de las baterías a muy pocas horas. Se puede observar en la figura 3 y la tabla 1 que la vida de las baterías se ve limitada por el consumo de corriente, para lograr el escenario inalámbrico del futuro se requiere de tecnologías de muy bajo consumo.
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Fig. 3 Tiempo de vida de la batería vs. Corriente promedio
Tipo
Capacidad
de
(mA-Hr)
Duración d e batería
Duración d e batería
Duración d e batería
@ 250µA (años)
@ 500µA (años)
@ 1mA (años)
batería
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 d urabilid ad 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
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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
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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 At mel , 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] .
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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.
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4. OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar una red de sensores inalámbricos bajo la norma IEEE 802.15.4 (ZigBee). 4.1.
•
•
•
•
•
Objetivo Específic os
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.
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5.
MARCO TEORICO
5.1 Fundamentos de r edes 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 Posibilid ades de conexión de redes inalámbri cas
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
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. Coordinador de red:
:
5.4 La no rma 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.
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Bandas de frecuencia y Rango de 868 MHz: 20KB/s transmisión de datos 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
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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.
PERFILES DE APLICACIÓN ZigBee o OEM
TRAMA DE APLICACIÓN CAPAS RED/SEGURIDAD
Plataforma ZigBee Al lianc e
CAPA MAC CAPA FÍSICA
IEEE
A licació n Stack de Plataforma Silicio Fi ura 4. Estructura formal del estándar de so orte
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.
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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 Apl icacion es 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...
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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 técnico s 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.
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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.
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Coordinador ZigBee (FFD) Enrutador ZigBee (FFD) Dispositivo final ZigBee (RFD o FFD) Enlace Malla Enlace Estrella
Un Coordinador ZigBee por red Red
Figur a 5. Modelo d e Red ZigB ee
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
Bluetooth
Wi-Fi
(WPAN)
(WLAN/WPAN)
(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
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ZigBee
Bluetooth
Wi-Fi
(WPAN)
(WLAN/WPAN)
(WLAN)
Aplicación:
Iluminación, Telecomunicación, radio, etc
Internet, tec
sensores, control, remoto, etc. Topologías: Malla, punto Punto a multipunto
Punto a multipunto
a punto o punto a multipunto.
Tabla 3. Cuadro comparativo de ZigBee y otras tecnolog ías
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
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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 Bluetoot h
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 Coexis tenci a 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
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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.
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6. METODOLOGÍA DE TRABAJO
El desarrollo de este proyecto de investigación involucra el desarrollo de las siguientes etapas:
6.1.
Análisis Bibl iogr áfico
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 prot ocolo
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.
Búsqu eda y comparació n de disp ositi vos
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.
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6.4.
Selección de disp ositi vos
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.
Análisi s 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 libr o 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
J UNIO
J ULIO
AGOSTO
SEMANAS
1234
1234
1234
1234
1234
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE 1234
1234
1234
DICIEMBRE 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 RESP ONSABLE J HON J AIRO CALDERÓN ARBOLEDA CARLOS MANTILLA J AIMES DIRECTOR UDI DIRECTOR UNIVALLE
TIEMPO TOTAL (MESES) 8
INTENSIDAD HORARIA/SEMANAS 16
VALOR HORA 2.500
VALOR TOTAL 1’280.000
8
16
3.500
1’792.000
8 8
8 2
30.000 50.000
7’680.000 3’200.000
8. PRESUPUESTO 8.1 RECURSOS HUMANOS RESP ONSABLE J HON J AIRO CALDERÓN ARBOLEDA CARLOS MANTILLA J AIMES DIRECTOR UDI DIRECTOR UNIVALLE
TIEMPO TOTAL (MESES) 8
INTENSIDAD HORARIA/SEMANAS 16
VALOR HORA 2.500
VALOR TOTAL 1’280.000
8
16
3.500
1’792.000
8 8
8 2
30.000 50.000
7’680.000 3’200.000
13’952.000
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. CONCEPTO HORAS EN SALAS DE COMPUTO BIBLIOGRAFÍA (LIBROS) COMPUTADOR SE SORES FOTOCOPIAS IMPRESIONES IMPREVISTOS
RECURSOS FÍSICOS CANTIDAD VALOR UNITARIO
VALOR TOTAL
240
1.500
360.000
3
50.000
150.000
1 1 Kit 2000 2500 -
1’900.000 1’800.000 50 100 -
1’900.000 1’800.000 100.000 250.000 700.000
5’260.000
VALOR TOTAL DE RECURSOS FÍSICOS
CONCEPTO RECURSOS HUMANOS RECURSOS FÍSICOS COSTO TOTAL DEL PROYECTO
VALOR TOTAL 13’952.000 5’260.000 19’212.000
El costo total del proyecto se estima en $19’212.000.ºº
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BIBLIOGRAFIA
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Propuesta
de
proyecto
http://www.dlpdesign.com 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