Página 1 Universidad Politécnica de C artagena Departamento de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones IMPLEMENTACIÓN DE MECANISMOS DE CONTROL DE PONTENCIA A NIVEL MAC EN REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS BAJO TINY/OS Alexis Alcalá Galán Director: Javier Vales Alonso Septiembre de 2007 Página 2 Página 3 Indice Índice 3 Resumen 5 Objetivos 6 Capítulo 1. Redes de Sensores 8 Capítulo 2. Los dispositivos 12 2.1 Hardware de los dispositivos 13 2.1.1 Baterías 13 2.1.2 Consideraciones de la antena 13 2.1.3 Almacenamiento de los datos 15 2.1.4 Sensor boards 15 2.1.5 Conector de Ampliación 17 2.2 Plataforma de Programación 19 2.2.1 Introducción 19 2.2.2 Programación de los dispositivos 20 2.2.3 ISP 20 2.2.4 Botón de Reset 20 2.2.5 Alimentación de la placa 21 2.3 Lenguajes de programación para los dispositivos 22 2.3.1 Introducción 22 2.3.2 nesC 23 2.3.2.1 Introducción 23 2.3.2.2 Estructura de un componente 25 2.3.2.3 Tipos de datos 27 2.3.2.4 Tipos de funciones 28 2.4 Sistemas Operativos para los dispositivos 30 2.4.1 Introducción 30 2.4.2 TinyOS 32 2.4.2.1 ¿Qué es TinyOS? 32 2.4.2.2 Componentes primitivos de TinyOS 33 2.4.2.3 Estructura de TinyOS 38 Capítulo 3. Protocolos MAC para Redes de Sensores 40 3.1 Introducción 40 3.2 Clasificación de protocolos MAC 42 Página 4 3.3 Elección del protocolo MAC 44 3.4 Protocolo S-MAC 46 3.4.1 Introducción 46 3.4.2 Mecanismo de control de potencia de transmisión 48 3.5 Aplicación “SMACTest” 51 Capítulo 4. Modificación del código 57 4.1 Introducción 57 4.1.1 Cygwin 60 4.2 Modificación de la capa MAC para implementar el mecanismo TPC 61 4.2.1 Lectura de la relación Señal a Ruido del paquete CTS recibido 62 4.2.2 Modificación de la potencia de salida 65 4.3 Modificación de la potencia de salida de los paquetes de control 71 4.4 Depuración 72 Capítulo 5. Mediciones 74 5.1 Introducción 74 5.2 Problemas de las mediciones 75 5.2.1 Primera solución 75 5.2.2 Segunda solución 76 5.2.3 Tercera solución 78 5.2.4 Fuentes de Alimentación 80 5.3 Mediciones 82 Capítulo 6. Conclusiones 86 Acrónimos y Abreviaturas 87 Bibliografía 88 Página 5 Resumen Tras haber dedicado tantos esfuerzos en crear un mecanismo para controlar la potencia de un nodo sensor, es necesaria la puesta en práctica del mismo y la comprobación de buen funcionamiento. Es lo que se han intentado en este proyecto: tras haber modificado el protocolo Sensor MAC para incorporarle el mecanismo de Control de Potencia Transmitida, se ha medido la potencia empleada en la ejecución de los nodos sensores. Hay que tener presente que en [8], se anuncia un ahorro menor en S-MAC que en otros protocolos a nivel MAC y, en la práctica, de desconoce el verdadero funcionamiento de este intento de ahorrar energía. En este proyecto, intentaremos poner en práctica lo que se ha desarrollado teóricamente para hablar en términos prácticos de la eficiencia del mecanismo TPC. Página 6 Objetivos El objetivo de este proyecto es obtener un uso eficiente de los recursos del canal radio, ya que está demostrado que el mayor gasto energético en los sensores se debe a la potencia gastada en la etapa radio. Para ello, se pretende emplear el mecanismo de Control de Potencia de Transmisión (TPC) en la que los datos se envían a la mínima potencia requerida y la secuencia RTS-CTS-ACK a la potencia nominal (máxima). Con este mecanismo, se usará el protocolo Sensor MAC (S-MAC) en la capa MAC y el Sistema Operativo TinyOS. Los nodos sensores de la Red Inalámbrica de Sensores serán los Mica2. Para cumplir con nuestros objetivos, se tendrá que modificar la potencia a la que se transmite los paquetes de control (RTS,CTS,ACK) para que lo hagan a la máxima potencia de transmisión. Una vez se ha implementado el TPC, se harán pruebas para comprobar el ahorro energético, conociendo de antemano que, para S-MAC, el ahorro es bastante menor que en otros protocolos de la capa MAC. Las pruebas se realizarán mediante el depurador implementado de S-MAC (a través del hyperterminal) y midiendo, mediante un osciloscopio, la cantidad de energía empleada en el funcionamiento de los nodos y a lo largo de un gran segmento de tiempo. Con este proyecto, se pretende demostrar que existe un pequeño ahorro energético. Y, según los resultados, conocer si merece la pena implementarlo en nuestros nodos sensores. Página 7 Página 8 Capítulo 1: Redes de Sensores En los últimos años, se ha producido un gran incremento de la presencia de las comunicaciones inalámbricas en la sociedad. A nadie le sorprende hoy contemplar pequeñas redes inalámbricas desde un teléfono con tecnología bluetooth con un dispositivo manos libres, o de una PDA con un PC o cualquier tecnología inalámbrica similar. Por otra parte, cada vez más, en los hogares se dispone de conexión a internet mediante tecnologías como WiFi (IEEE 802.11x). En definitiva, no es de extrañar que cada vez más, las investigaciones y nuevos desarrollos se centren en tecnologías inalámbricas. Con creciente frecuencia, comienzan a aparecer sistemas y servicios basados en tecnologías inalámbricas que mejoran los procedimientos que, tradicionalmente, requerían una interacción directa por parte del ser humano. Uno de los más claros ejemplos de este tipo de sistemas son las redes de sensores inalámbricos (Wireless Sensor Networks o WSN). El uso de este tipo de redes presenta un futuro emocionante en el que la forma en la que nos relacionamos con nuestro entorno puede cambiar de forma sustancial. Este tipo de redes abre un horizonte nuevo de aplicaciones y servicios conscientes de su entorno en el que las posibilidades son infinitas. Las redes de sensores inalámbricos están formadas por un conjunto de nodos autónomos capaces de realizar tareas tales como monitorización ambiental o industrial. Existe una amplia variedad de sensores, así como una amplia variedad de situaciones para “sensorizar”; los hay de temperatura, de presión, de velocidad, de luminosidad, de aceleración, de volumen, de presencia y así hasta un sinfín de actividades que potencialmente requieran monitorización. Si además de la utilidad como sensores les añadimos la posibilidad de formación de redes ad-hoc mediante tecnología inalámbrica, se entiende fácilmente el motivo del gran auge que están teniendo estos dispositivos en la actualidad. Una de las ventajas que tiene este tipo de redes es la de poder operar durante largos períodos de tiempo sin intervención humana. Por ejemplo, podría instalarse una red de sensores en entornos que son demasiado peligrosos para ser controlados por humanos (por ejemplo, monitorizar la actividad sísmica de un volcán) o en entornos en los que sería demasiado costoso ser mantenidos por humanos (véase, por ejemplo, exploración espacial). Por otra parte, podrían instalarse en un edificio como medida de seguridad (detectores de presencia) o en un invernadero para controlar la humedad. Las aplicaciones son muy diversas pero todas ellas tienen características comunes: tecnología inalámbrica, bajo coste y tamaños reducidos. Además de sus prometedoras posibilidades, este tipo de redes presentan a los investigadores una serie de retos debido a sus especiales características: número muy elevado de dispositivos, limitadas prestaciones, trabajo en grupo en pro de una tarea común, entornos con condiciones adversas... Página 9 Figura 1: Red inalámbrica de sensores Debido a su similitud, las redes de sensores heredan una serie de propiedades importantes de las redes ad-hoc: control descentralizado, ausencia de infraestructura de red, comunicaciones broadcast, canal de transmisión compartido, topologías de corta duración, redes multisalto... Además, cumplen una serie de condiciones propias tales como tolerancia a fallos (que toda la red no dependa de un nodo y que si uno cae, no afecte de sobremanera a la red), escalabilidad (el número de sensores en funcionamiento puede variar dependiendo del uso; dependiendo de la situación se podrían necesitar cientos, miles, e incluso millones de sensores), y un mínimo coste de producción (dado que hablamos de redes con un gran número de nodos, el coste por nodo debería ser bastante bajo). Una de las posibles aplicaciones de estas redes sería la detección de incendios, en este caso, la arquitectura de red sería similar a la del siguiente gráfico: Figura 2: Posible arquitectura de una WSN para detección de incendios Página 10 Por supuesto, los dispositivos para este tipo de redes deben tener un reducido consumo de energía (por ser los sensores dispositivos electrónicos, van alimentados con una fuente limitada de energía -pilas convencionales, generalmente- y el consumo de ésta se presenta como uno de los principales problemas de las WSN's). Por otra parte, tienen una serie de limitaciones importantes como pequeña capacidad de cálculo, mínimo espacio de almacenamiento y una capacidad reducida de comunicación. Casi todas estas limitaciones vienen impuestas, principalmente, por un motivo: suministro limitado de energía. El consumo energético es uno de los factores clave de las WSN’s ya que, si se quieren desplegar redes del orden de los cientos o miles de nodos, no es factible sustituir las baterías de éstos una vez que termine su carga. Debido a esto, la vida útil de las baterías se convierte, automáticamente, en la vida útil del dispositivo. Por este motivo es conveniente desarrollar mejoras en el uso de la energía que hacen los dispositivos para permitir un ahorro energético y por consiguiente, alargar la vida útil de los aparatos. La transmisión de un solo bit equivale en gasto energético a la ejecución de cientos de instrucciones en el procesador. En capítulos posteriores, se tratarán, más a fondo, los protocolos más usados en la actualidad.