Programación de Redes de Sensores Inalámbricas para aplicaciones dómoticas

216 Pages·2007·10.2 MB·Spanish

ESCUELA TE´CNICA SUPERIOR DE INGENIER´IA DE TELECOMUNICACIO´N
UNIVERSIDAD POLITE´CNICA DE CARTAGENA
Proyecto Fin de Carrera
Programacio´n de
Redes de Sensores Inala´mbricas para
aplicaciones do´moticas
Autor
Pedro Jos´e Meseguer Copado
Directores
D. Manuel Jim´enez Buend´ıa
D. Fernando Losilla L´opez
Marzo de 2007
Autor Pedro Jos´e Meseguer Copado
eMail del Autor [email protected]
Directores Manuel Jim´enez Buend´ıa
Fernando Losilla L´opez
eMail de los Directores [email protected]
[email protected]
T´ıtulo del PFC Programaci´on de Redes de Sensores Inal´ambricas
para aplicaciones dom´oticas
Descriptores Dom´otica, Redes de sensores inal´ambricas
Resumen
Las redes de sensores inal´ambricas est´an experimentando un gran crecimiento
en los u´ltimos an˜os, desarroll´andose en aplicaciones de diversos ´ambitos como la medi-
cina, bot´anica, militares, etc. La dom´otica, entendida como automatizaci´on de viviendas
y edificios, es uno de los campos de aplicaci´on donde las redes de sensores van a crear
sistemas inteligentes capaces de adaptarse a cualquier tipo de viviendas, del tipo que sean,
as´ı como aumentar las prestaciones, ventajas y aplicaciones dentro de las funcionalidades
que ofrece la dom´otica: seguridad, ahorro energ´etico, comunicaciones y confort.
Este proyecto parte de estas bases y est´a centrado en la programaci´on de aplicaciones
dom´oticas de iluminaci´on, persianas y sensores, para motes inal´ambricos del tipo Telos
rev.B, bas´andose en los protocolos y criterios de la tecnolog´ıa dom´otica EIB.
Titulaci´on Ingeniero de Telecomunicaci´on
Intensificaci´on Sistemas y Redes de Telecomunicaci´on
Departamento Departamento de Tecnolog´ıa Electr´onica
Fecha de Presentaci´on Marzo de 2007
Proyecto Final de Carrera 2
A mi familia
A mis padres
A mis compan˜eros y amigos
A mis directores de proyecto
A todos los que, de alguna forma, me han ayudado
Por vuestro apoyo, paciencia y confianza, gracias
“La recompensa se encuentra en el esfuerzo y no en el resultado.
Un esfuerzo total es una victoria completa”
Mahatma Gandhi
Proyecto Final de Carrera 3
Proyecto Final de Carrera 4
´
Indice general
´Indice General 7
´Indice de Figuras 11
´Indice de Tablas 13
Introducci´on 15
I. Presentaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
II. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
II.1. Objetivo Te´orico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
II.2. Objetivo Pr´actico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Parte I. Dom´otica 21
Dom´otica 21
I. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
II. Caracter´ısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
II.1. El sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
II.2. Arquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
II.3. Topolog´ıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
II.4. Medios de Transmisi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
III. Funcionalidad de la dom´otica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
III.1. Control energ´etico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
III.2. Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
III.3. Confort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
III.4. Telecomunicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
IV. Tecnolog´ıas existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
IV.1. CEBus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
IV.2. X-10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
IV.3. LonWorks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
IV.4. EHS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
IV.5. Batibus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
V. Sistema EIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
V.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
V.2. Tecnolog´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
V.3. Topolog´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
V.4. Direccionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
V.5. Formato de las transmisiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
V.6. Componentes EIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
V.7. Ventajas de EIB. Ejemplos de aplicaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
VI. Est´andar Konnex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Proyecto Final de Carrera 5
´INDICE GENERAL
VI.1. Ejemplo Proyecto KNX/EIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Parte II. Redes de sensores inal´ambricas 77
Redes de sensores inal´ambricas 77
I. Introducci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
I.1. Historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
II. Caracter´ısticas de las WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
II.1. Arquitecturas de las WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
II.2. Protocolos de las WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
II.3. Zigbee, est´andar WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
II.4. Problemas de las WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
III. Aplicaciones de las WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
III.1. Aplicaciones militares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
III.2. Aplicaciones medioambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
III.3. Aplicaciones sanitarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
III.4. Aplicaciones del hogar: dom´otica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
III.5. Otras aplicaciones comerciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
IV. Nodos sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
V. Ejemplos de motes: Micas y Telos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
V.1. Micas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
V.2. Telos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
V.3. Resumen comparativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
VI. TinyOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
VI.1. nesC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
VI.2. Herramientas de TinyOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
VII. Futuro de las WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Parte III. Proyecto de integraci´on de
WSN y dom´otica 121
Proyecto de integraci´on de WSN y dom´otica 121
I. Introducci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
I.1. WSAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
I.2. Ventajas de la dom´otica inal´ambrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
I.3. Soluciones existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
II. Escenario del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
III. Programaci´on de las aplicaciones dom´oticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
III.1. Aplicaciones de iluminaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
III.2. Aplicaciones de persianas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
III.3. Aplicaci´on de sensor crepuscular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
IV. Ejemplo de aplicaci´on: Vivienda con configuraci´on est´atica . . . . . . . . . . . 160
V. Configuraci´on de los puertos de expansi´on de TelosB . . . . . . . . . . . . . . 162
V.1. Configuraci´on hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
V.2. Programaci´on de los puertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
VI. Perspectivas de futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Conclusiones 171
Ap´endices 173
Proyecto Final de Carrera 6
´INDICE GENERAL
A. C´odigo fuente - Iluminaci´on 173
A.1. Nodos pulsadores Iluminaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
A.2. Nodos actuadores Iluminaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
B. C´odigo fuente - Persianas 185
B.1. Nodos pulsadores Persianas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
B.2. Nodos actuadores Persianas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
C. C´odigo fuente - Sensores 197
C.1. Nodo Sensor Crepuscular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
D. Diagramas Nesdoc 205
D.1. Diagrama completo de Iluminaci´on y Persianas . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
D.2. Diagrama completo de Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
E. Hardware Telos rev.B 209
E.1. Telos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
E.2. Telos - CC240 802.15.4 Wireless Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
E.3. Telos - USB Interface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Bibliograf´ıa 213
Proyecto Final de Carrera 7
´Indice General
Proyecto Final de Carrera 8
´
Indice de Figuras
1. Casa dom´otica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2. Pasarela residencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3. Detectores de presencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4. Anem´ometro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5. Actuador de carril DIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6. Sistema centralizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
7. Sistema distribuido, con bus de datos y red de alimentaci´on . . . . . . . . . . 29
8. Sistemas cableados o inal´ambricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
9. Control energ´etico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
10. Sistema de alarmas t´ecnico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
11. Control mediante pantalla t´actil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
12. Controlador pronto de Philips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
13. Sistemas en funci´on del taman˜o de edificaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
14. Normalizaci´on de los sistemas dom´oticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
15. Arquitectura de CEBus, tomando como referencia el modelo OSI . . . . . . . 39
16. Instalaci´on X10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
17. Codificaci´on de bits en X10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
18. C´odigo de comienzo 1110 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
19. Paquete de datos X10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
20. C´odigos de casa y de control para unidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
21. C´odigos de control para comandos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
22. Ciclos para una transmisi´on completa en X10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
23. Dispositivos X-10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
24. Accesorios X-10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
25. Protocolos LonWorks y equivalente OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
26. Dominio LonTalk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
27. Trama de LonWorks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
28. Instalaci´on LonWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
29. Caracter´ısticas de los medios de transmisi´on en EHS . . . . . . . . . . . . . . 51
30. Tramas EHS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
31. Bus EIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
32. Esquema general de una instalaci´on EIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
33. Conexi´on de alimentaci´on y dispositivos al bus . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
34. Generaci´on de corriente portadora sobre tensi´on de alimentaci´on . . . . . . . 58
35. Distintas topolog´ıas de EIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
36. Sistema completo EIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
37. Direcci´on f´ısica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
38. Ejemplo de direccionamiento f´ısico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
39. Niveles en las direcciones de grupo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
40. Ejemplo de asignaci´on de direcciones de grupo . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Proyecto Final de Carrera 9
´Indice General
41. Resoluci´on de colisiones CSMA/CD en EIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
42. Formato de la trama EIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
43. Formato del campo de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
44. Formato del campo de direcci´on destino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
45. Formato del campo de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
46. Campo de comprobaci´on de la trama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
47. Componentes de un dispostivo EIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
48. Componentes y objetos de comunicaci´on en ETS . . . . . . . . . . . . . . . . 68
49. Konnex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
50. Terminal 5 de Heathrow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
1. Red de sensores inal´ambrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2. Taman˜o de los nodos Smart Dust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3. Elementos de una WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4. Arquitectura WSN centralizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5. Arquitectura WSN distribuida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6. Niveles f´ısico, red y aplicaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7. Comparativa est´andares inal´ambricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8. Espectro de est´andares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
9. Aplicaciones Zigbee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
10. Aplicaciones para WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
11. Tracking de animales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
12. Reconocimiento del enemigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
13. Desplegue de sensores para reconocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
14. Detecci´on de incendios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
15. Aplicaci´on dom´otica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
16. Nodos sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
17. Comparaci´on plataformas para nodos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
18. Estados de un nodo sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
19. Distribuci´on del consumo de energ´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
20. Estructura de red y motes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
21. Micaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
22. Diagrama de bloques Micaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
23. Caracter´ısticas t´ecnicas de Micas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
24. Mica2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
25. Diagrama de bloques Mica2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
26. Mica2dot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
27. Diagrama de bloques Mica2dot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
28. Sensores MTS300 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
29. Tipos de sensores para Micas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
30. TelosB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
31. Diagrama de bloques TelosB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
32. Evoluci´on de los motes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
33. Comparativa de tiempos y consumos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
34. Estructura de un componente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
35. Ficheros de una aplicaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
36. TinyViz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
37. Surge View . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
38. TinyDB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
39. Twister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
40. Tu´nel WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Proyecto Final de Carrera 10