Red de sensores ZigBeeRTLS y Automatización

Jose María Carazo Cepedano josecarazoc@gmail.com

http://es.linkedin.com/in/josemariacarazo/en

• Zigbee Es un estándar de comunicación inalámbrica y un conjunto de especificaciones para wireless personal area networking (WPAN) o WSN (Wireless Sensor Network) destinadas a la comunicación radio (RF) entre computadores y distintos dispositivos.

• ZigBee se ha desarrollado para satisfacer la creciente demanda de capacidad de red inalámbrica entre varios dispositivos de baja potencia. En la industria ZigBee se esta utilizando para la próxima generación de fabricación automatizada, con pequeños transmisores en cada dispositivo, lo que permite la comunicación entre dispositivos a un ordenador central.

• Hace 10 años se formó la alianza Zigbee que incluye, entre otras, empresas importantes como Philips, Freescale, Texas Instrument, Atmel, LG, Samsung o Sony.

• Bajo el estándar IEEE 802.15.4, Zigbee Alliance ha creado un sistema estándar abierto de comunicaciones inalámbricas, efectivo, seguro, de bajo coste y baja potencia para usarlo dentro de dispositivos de automatización hogareña (domótica), de edificios, control industrial, periféricos de PC, sensores médicos y muchos otros dispositivos en lo que se ha llamado Intenet of Things (IOT).

Qué es ZigBee?

ComunicacionesSeguras

Baja tasa de transferencia

de datos

Flexible yEscalable

Bajos costes de Infraestructura

Bajo consumo De energía

Instalación rápida y sencilla

Bandas libres de

FrecuenciasTecnología

madura

EncriptaciónMultinivel

128 bit AES

Entre 20 kB/s y250 kB/s

Hasta 65000Nodos por redExtensiones

3G/Wifi

DispositivosPequeños y

customizables2 pilas AA duranentre 6 meses y

2 años

Red tipo mallaDistancias desde10 a 100 m

2.4 GHz- 16 ch.868 MHz – 1 ch.915 MHz – 10 ch.IEEE 802.15.4

aprobado en 2003

CARACTERÍSTICASZIGBEE

Principales Características

Coordinador (Abeja-Reina)- Hay uno por red- Configura y establece la red- Determina el canal de acceso- Proporciona servicios de direccionamiento - Alimentación por red o batería

Routers (Zánganos)- Permite la interconexión entre nodos para extender la red- Participa en el multi-hop routing- Servicios de E/S de datos- Alimentación por red o batería

End-Device (Obreras)- Conecta con su nodo padre- No tiene tareas específicas- Puede actuar como nodo de tipo sensor, actuador o tag localizable- Despierta periódicamente para ver mensajes pendientes y duerme el resto del tiempo-Normalmente alimentado por baterías

Tipos de Dispositivos

Topologías de Red• A diferencia de otras tecnologías inalámbricas, Zigbee soporta y permite múltiples

topologías de red:

• Estrella (Star): Nodo central y N dispositivos conectados a él.• Árbol (Tree): Cada nodo padre puede tener N nodos hijos según a profundidad

definida para la red.• Punto a punto (Peer To Peer)• Malla o rejilla (Mesh): Esta topología permite la interconexión entre los nodos

enrutadores por lo que siempre se aseguran caminos alternativos en caso de caída de cualquier nodo de la red.

• La flexibilidad y escalabilidad de estas topologías de red hacen que la tecnología ZigBee puede ser desplegada en cualquier tipo de recinto - ya sea indoor o outdoor – cubriendo áreas muy amplias bajo una única red.

• Zigbee presenta mayor tolerancia a obstáculos y presencia de paredes que otras tecnologías pudiendo evitar fácilmente los mismos estableciendo rutas opcionales.

ZigBee Applications

& Markets

Buildingautomation

Health Care

SmartEnergy

RemoteControl

Telecom Services

Homeautomation

RetailServices

User/Asset Location - RTLS

Access Control

PersonalIdentification

Light, Heat, Cool & HVAC

Information & control of energy usage

Security & Vigilance

Health Mgmt &Patient Monitoring

Consumption & Patterns analysis

Presence & MEMS Sensors

Geo-fencing

Environmental Data Monitoring

Industrial & Domesticautomation

AutomationEngine

LocationEngine

Hardware – Sirius Devices(802.15.4/Zigbee)

Applications/Services

Admin &

Conf Tool

Polaris Tool

n-Core® es una potente plataforma hardware y software que permite desarrollar, integrar y desplegar, de manera fácil y rápida, una amplia variedad de aplicaciones sobre redes inalámbricas de sensores basadas en el estándar IEEE 802.15.4/ZigBee

Plataforma n-Core®

n-Core® ofrece un juego completo de servicios API (librerías dll) para crear rápidamente aplicaciones desde cualquier entorno y lenguaje (.net, Java, Python, C/C++, …) permitiendo:

Gestión completa de la red: Creación, configuración, monitorización, parametrización de nodos, etc.

Automatización: Control y monitorización de sensores/actuadores, recogida y transferencia de datos, etc.

Localización: Suministra potentes algoritmos para determinar la posición de dispositivos en tiempo real.

Autom Network Mgmt RTLS

n-Core® ofrece una infraestructura de bajo coste y rápido retorno de la inversión minimizando enormemente tiempos de desarrollo, instalación e implantación tanto de soluciones de Automatización como de Localización bajo una única plataforma.

Infraestructura - Dispositivos n-Core Sirius (I)

•Permite la conectividad con cualquier sensor/actuador del mercado.•Juego completo de E/S (digitales, salidas relé, SPI, I2C, ADC, RS-232, USB,…)•Solución total para cualquier tipo de aplicaciones de automatización y sensorización.•Medidas: 111.8 x 107.7 x 26.3 mm

Sirius A

Sirius D•Con un versátil diseño es el dispositivo idóneo para crear extensas redes bajo cualquier tipo de aplicación.•Interfaces: Entradas digitales, SPI, I2C, ADC, UART•Bajo sistemas RTLS actúa como router / sensor sin requerir línea de vista•Medidas: 65 x 53 x 23 mm

Sirius B•Mismo tamaño que Sirius D con botones programables para acciones particulares (alarma).•Actúa como dispositivo final de usuario (tag localizable)

Infraestructura - Dispositivos n-Core Sirius (II)Sirius RadIOn

•El tag ZigBee más pequeño del mundo diseñado especialmente para sistemas RTLS.•Incluye acelerómetro y botones configurables•Medidas: 22x 32.7x 5mm

Sirius Quantum

Sirius IOn

•Equivalente a Sirius D •Menor tamaño y versatilidad tanto para redes de sensores como para infraestructura de localización•Medidas: 22x 32.7x 5mm

•Tarjeta de expansión que ofrece todas las posibilidades de programación de E/S (sensores, actuadores, PCs,…) compatible con todos los dispositivos Sirius•3 versiones con múltiples sensores: Development, Motion (Acelerómetro, Brújula) y Environment (Luz, temperatura, humedad, relé).•Medidas: 41 x 42 x 15 mm

Herramientas n-Core – Config. Tool

Herramientas n-Core – Polaris Web Tool

• Instalación de sensores (routers) en el área objetivo (Sirius D / Sirius RadIOn):• Proceso extremadamente sencillo y rápido• Sólo se requiere toma de alimentación (3.5 voltios). • No se requiere cableado añadido entre nodos ni hacia el sistema central• Pueden ocultarse en falso techo. No se requiere línea de vista con los tag objetivo.

• Localización Indoor/Outdoor: • Los sensores pueden ser ubicados en zonas exteriores (outdoor) de manera que se

cubra no sólo el entorno indoor sino también zonas exteriores (i.e. Campus, aparcamientos, zonas de acceso, etc).

• Para cubrir grandes distancias (p.e. distintos edificios) la red ZigBee es fácilmente ampliable a través de conectores 3G/WiFi.

• No se requiere calibración de la red desplegada.

• La instalación efectuada puede modificarse o ampliarse sin problemas si fuera necesario en fases posteriores (p.e. por requerir mejoras de precisión en ciertas zonas).

• Se requiere disponer de los planos a escala para establecer las coordenadas exactas de ubicación de cada sensor (X/Y/Z).

Sistema RTLS – Instalación y despliegue

• Estos despliegues pueden ser probados en cuestión de minutos (sensores con batería) antes de pasar a la instalación final.

Plataforma n-Core – Precisión• La red admite múltiples configuraciones dependiendo de la estructura y distribución de

cubículos en el área objetivo así como de la precisión requerida.• Pueden conseguirse menos de 2 metros de precisión con un número adecuado de

sensores.

Despliegue Perimetral: Se dispone de ubicación precisa dentro de las habitaciones, pasillo central y hall derecho.

Despliegue Interior: Precisión a nivel habitación (1 sensor/cubículo) que puede ser suficiente en muchos casos de uso (hospital, hotel, despacho, …)

LocationEngine

Id_TAGRSSI /LQIRx LevelID_ROUTER

NetworkDB

• Los TAGS (objeto localizable) envían periódicamente un mensaje de broadcast a todos los sensores próximos. Este periodo es configurable por cada dispositivo dependiendo del tiempo real requerido para obtener su posición.

• Los ROUTERS (sensores) recopilan la información de cada tag en una tabla interna que transmitirán periódicamente al nodo colector (TagsTable message).

• El colector transmite toda esta información al módulo de cálculo que determina la posición X/Y/Z de cada tag.

• El API permite obtener fácilmente las coordenadas X/Y/Z de cualquier nodo de la red así como obtener y/o modificar los parámetros de configuración que intervienen en este proceso.

Broadcast msg.

Tags Table msg.

Broa

dcas

t msg

.

Tags Table msg.

Tags Table msg.

RTLS/Location API

GetNodePosition

GetTagsTable

GetNodeParams

SetNodeParams

Plataforma n-Core – Proceso Localización

Casos de UsoHoteles

• Tarjeta ZigBee para clientes• Automatización de habitaciones (luz, música, temperatura, humedad,…)• Control de consumo energético• Detección de presencia: Dentro/Fuera de la habitación• Botón pánico

• Gestión de entrada y salida de clientes• Gestión del personal del hotel (empleados, limpieza, seguridad,…).

• Tag/Pulsera Zigbee.• Localización y seguimiento dentro del hotel incluyendo zonas exteriores como parking o piscina.• Control de accesos

Supermercados• Tag Zigbee enganchado en el carro de la compra.• Seguimiento continuo dentro del supermercado y zonas limítrofes• Análisis de rutas y comportamientos de consumidores• Estadísticas de consumo – gestión útil de empleados y demanda de productos.• Localización a nivel área/zona del supermercado puede ser suficiente• Opcionalmente: Aplicación móvil con mapas indoor para guiar al cliente, mostrarle

descuentos, buscar productos,….

Casos de UsoSeguridad y Vigilancia

• Tag ZigBee para el personal de seguridad • Control de presencia automático: Chequeo de rondas periódicas tanto en zonas indoor

como en zonas exteriores.• Localización precisa en caso de alarma• Botones de Alarma configurables para eventos programables• Control de accesos

Policía• Tag ZigBee para personal de comisarías y dependencias policiales• Pulsera ZigBee temporal para detenidos y visitantes• Localización continua o bajo demanda de detenidos• Geo-fencing • Control de Accesos

Casos de UsoHospitales, Residencias y Centros de Salud

• Pulsera ZigBee para pacientes y, opcionalmente, visitas.• Botones de alarma para uso del paciente.• Seguimiento continuo – análisis de rutas y comportamientos • Detección de caídas • Gestión de zonas restringidas por usuario (geo-fencing indoor)

• Tag ZigBee para personal médico y, opcionalmente, empleados del hospital (limpieza, seguridad).• Localización bajo demanda• Control de accesos

• Tag Zigbee para instrumental y objetos de valor • Gestión de inventario• Localización bajo demanda: Capas espaciales de objetos

Teleasistencia:• Tag ZigBee para el paciente asistido en su domicilio

• Botón Pánico/Alarma• Detección de entrada/salida (geofencing en zona)

• Tag ZigBee para asistente domiciliario• Control de presencia y asistencia efectiva en domicilio

Casos de UsoAlmacenaje y control de enseres

• Localización de conteiners en interiores y exteriores.• Control de inventario• Alarmas por robo

Minas• Localización y seguimiento de mineros• Botón pánico

Conclusiones• Muchas aplicaciones de localización requieren la incorporación de sensores y

automatización (i.e. Aplicaciones de control de accesos). Zigbee proporciona tanto la gestión de localización como la integración con cualquier tipo de sensor/actuador.

• Zigbee es la opción adecuada para multitud de casos donde se requiere seguridad y fiabilidad en las comunicaciones y no se requieren alta transferencia de datos. Las topologías de red Zigbee permiten adaptarse a cualquier tipo de entorno y distribución tanto interior como exterior.

• Zigbee no está presente en los teléfonos móviles por lo que el objeto a localizar (usuario, recurso) debe portar un tag Zigbee:• Muchos casos de uso están orientados a grupos de usuarios específicos y

controlados por lo que no se requiere el uso adicional de un teléfono móvil.• El teléfono movil puede usarse como canal de entrada y salida para enviar o recibir

datos en base a la posición del tag Zigbee asociado.• En otros casos el tag Zigbee operará objeto a localizar en interiores (y,

opcionalmente, en exterior) mientras que, en exteriores, el usuario podrá ser localizado por Celda/GPS o WiFi a través de su terminal móvil.

El dispositivo Zigbee puede incluir sensores de movimiento (MEMS) de gran calidad cuyo uso puede ser independiente o cooperativo para la obtención de la posición precisa del objeto a localizar.

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