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Aqui un video, sobre un proyecto en el cual se aplica a la red!

Redes de sensores inalámbricas

Redes de sensores inalámbricas

Una red de sensores (del inglés sensor network) es una red de ordenadores pequeñísimos («nodos»), equipados con sensores, que colaboran en una tarea común.

Están formadas por un grupo de sensores con ciertas capacidades sensitivas y de comunicación inalámbrica los cuales permiten formar redes ad hoc sin infraestructura física preestablecida ni administración central.

Las redes de sensores es un concepto relativamente nuevo en adquisición y tratamiento de datos con múltiples aplicaciones en distintos campos tales como entornos industriales, domótica, entornos militares, detección ambiental.

Esta clase de redes se caracterizan por su facilidad de despliegue y por ser autoconfigurables, pudiendo convertirse en todo momento en emisor, receptor, ofrecer servicios de encaminamiento entre nodos sin visión directa, así como registrar datos referentes a los sensores locales de cada nodo. Otra de sus características es su gestión eficiente de la energía, que les permite obtener una alta tasa de autonomía que las hacen plenamente operativas.

La miniaturización de ordenadores creciente dio a luz la idea de desarrollar computadoras extremadamente pequeñas y baratas que se comunican de forma inalámbrica y se organizan autónomamente. La idea de estas redes es repartir aleatoriamente estos nodos en un territorio grande, el cual los nodos observan hasta que sus recursos energéticos se agoten. Los atributos «pequeño», «barato» y «autónomo» dieron a conocer la idea como polvo inteligente (smart dust).

Por el momento, las redes de sensores es un tema muy activo de investigación en varias universidades, aunque ya empiezan a existir aplicaciones comerciales basadas en este tipo de redes. La red de sensores hasta la fecha más grande consistió de 800 nodos y fue puesta en servicio el 27 de agosto de 2001 para duración breve en la universidad de Berkeley para demostrar la potencia de esa técnica en una presentación.

Áreas de aplicación

Áreas de aplicación

Pasando de largo las aplicaciones militares, éstas tienen usos civiles interesantes como vemos a continuación:

• Eficiencia energética: Red de sensores se utilizan para controlar el uso eficaz de la electricidad, como el caso de Japón y España.

• Entornos de alta seguridad: Existen lugares que requieren altos niveles de seguridad para evitar ataques terroristas, tales como centrales nucleares, aeropuertos, edificios del gobierno de paso restringido. Aquí gracias a una red de sensores se pueden detectar situaciones que con una simple cámara sería imposible.

• Sensores ambientales: El control ambiental de vastas áreas de bosque o de océano, sería imposible sin las redes de sensores. El control de múltiples variables, como temperatura, humedad, fuego, actividad sísmica así como otras. También ayudan a expertos a diagnosticar o prevenir un problema o urgencia y además minimiza el impacto ambiental del presencia humana.

• Sensores industriales: Dentro de fábricas existen complejos sistemas de control de calidad, el tamaño de estos sensores les permite estar allí donde se requiera.

• Automoción: Las redes de sensores son el complemento ideal a las cámaras de tráfico, ya que pueden informar de la situación del tráfico en ángulos muertos que no cubren las cámaras y también pueden informar a conductores de la situación, en caso de atasco o accidente, con lo que estos tienen capacidad de reacción para tomar rutas alternativas.

• Medicina: Es otro campo bastante prometedor. Con la reducción de tamaño que están sufriendo los nodos sensores, la calidad de vida de pacientes que tengan que tener controlada sus constantes vitales (pulsaciones, presión, nivel de azúcar en sangre, etc), podrá mejorar sustancialmente.

• Domótica: Su tamaño, economía y velocidad de despliegue, lo hacen una tecnología ideal para domotizar el hogar a un precio asequible.

Es imaginable que los nodos no sólo puedan observar sino también reaccionar para activar funciones de otros sistemas.

Características de una red sensora

Características de una red sensora

Las redes de sensores tienen una serie de características propias y otras adaptadas de las redes Ad-Hoc:

• Topología Dinámica: En una red de sensores, la topología siempre es cambiante y éstos tienen que adaptarse para poder comunicar nuevos datos adquiridos.

• Variabilidad del canal: El canal radio es un canal muy variable en el que existen una serie de fenómenos como pueden ser la atenuación, desvanecimientos rápidos, desvanecimientos lentos e interferencias que puede producir errores en los datos.

• No se utiliza infraestructura de red: Una red sensora no tiene necesidad alguna de infraestructura para poder operar, ya que sus nodos pueden actuar de emisores, receptores o enrutadores de la información. Sin embargo, hay que destacar en el concepto de red sensora la figura del nodo recolector (también denominados sink node), que es el nodo que recolecta la información y por el cual se recoge la información generada normalmente en tiempo discreto. Esta información generalmente es adquirida por un ordenador conectado a este nodo y es sobre el ordenador que recae la posibilidad de transmitir los datos por tecnologías inalámbricas o cableadas según sea el caso.

• Tolerancia a errores: Un dispositivo sensor dentro de una red sensora tiene que ser capaz de seguir funcionando a pesar de tener errores en el sistema propio.

• Comunicaciones multisalto o broadcast: En aplicaciones sensoras siempre es característico el uso de algún protocolo que permita comunicaciones multi-hop, léase AODV, DSDV, EWMA u otras, aunque también es muy común utilizar mensajería basada en broadcast.

• Consumo energético: Es uno de los factores más sensibles debido a que tienen que conjugar autonomía con capacidad de proceso, ya que actualmente cuentan con una unidad de energía limitada. Un nodo sensor tiene que contar con un procesador de consumo ultra bajo así como de un transceptor radio con la misma característica, a esto hay que agregar un software que también conjugue esta característica haciendo el consumo aún más restrictivo.

• Limitaciones hardware: Para poder conseguir un consumo ajustado, se hace indispensable que el hardware sea lo más sencillo posible, así como su transceptor radio, esto nos deja una capacidad de proceso limitada.

• Costes de producción: Dada que la naturaleza de una red de sensores tiene que ser en número muy elevada, para poder obtener datos con fiabilidad, los nodos sensores una vez definida su aplicación, son económicos de hacer si son fabricados en grandes cantidades.

 
 
 
 
 

Introducción a las redes de sensores inalámbricas

Introducción a las redes de sensores inalámbricas

Las tecnologías de redes inalámbricas han tenido un rápido desarrollo en los últimos años. Hemos pasado de los veteranos infrarrojo (Irda) para comunicaciones punto apunto a las WPAN de corto alcance y multipuntos como “BlueTooth” o las redes de rango de alcance medio multisaltos como “ZigBee”. Otras tecnologías inalámbricas que podemos nombrar son, la tecnología WIFI para redes locales (WLAN), la tecnología “WIMAX” para redes WMAN. También la telefonía celular de largo alcance (GPRS) o el desarrollo de las comunicaciones M2M con tecnología inalámbrica.

El desarrollo más interesante es el de las redes de sensores inalámbricos (WSN), debido a sus múltiples aplicaciones, en distintos sectores (seguridad, media ambiente, industria, agricultura etc.).

Los principales analistas tecnológicos, dentro de las tecnologías inalámbricas, valoran las redes inalámbricas de sensores (WSN) como una de las opciones de futuro más prometedora. Fabricantes como Microsoft, Intel, IBM, Motorola y Texas Instruments, por citar algunos, han lanzado líneas de investigación en esta tecnología.

Las redes inalámbricas de sensores (Wireless Sensor Networks) también se encuadra dentro de la llamada Inteligencia Ambiental (“pervasive computing," "ambient intelligence” = computación ubicua). El concepto "inteligencia ambiental" es un terreno fronterizo entre los últimos avances en computación ubicua y los nuevos conceptos de interacción inteligente entre usuario y máquina. En el terreno práctico, la inteligencia ambiental consiste en la creación de una serie de objetos de uso cotidiano con cualidades interactivas "suaves" y no invasiva. El objetivo básico de la inteligencia ambiental es el dotar a objetos de capacidades de adquisición de información (tanto del entorno físico como del estado actual del objeto), procesamiento y comunicación, de tal forma que puedan comunicarse entre ellos y ofrecer nuevos servicios a sus usuarios.

¿En qué consiste una red de sensores inalámbrica (WSN)?

Las redes inalámbricas de sensores (WSN Wireless Sensor Network), se basan en dispositivos de bajo coste y consumo (nodos) que son capaces de obtener información de su entorno, procesarla localmente, y comunicarla a través de enlaces inalámbricos hasta un nodo central de coordinación.

Los nodos actúan como elementos de la infraestructura de comunicaciones al reenviar los mensajes transmitidos por nodos más lejanos hacia al centro de coordinación.

La red de sensores inalámbricos está formada por numerosos dispositivos distribuidos espacialmente, que utilizan sensores para controlar diversas condiciones en distintos puntos, entre ellas la temperatura, el sonido, la vibración, la presión y movimiento o los contaminantes. Los sensores pueden ser fijos o móviles.

Los dispositivos son unidades autónomas que constan de un microcontrolador, una fuente de energía (casi siempre una batería), un radiotransceptor (RF) y un elemento sensor.

Wireless Sensor Network

Debido a las limitaciones de la vida de la batería, los nodos se construyen teniendo presente la conservación de la energía, y generalmente pasan mucho tiempo en modo ‘durmiente’ (sleep) de bajo consumo de potencia.

Las WSN tienen capacidad de autorestauración, es decir, si se avería un nodo, la red encontrará nuevas vías para encaminar los paquetes de datos. De esta forma, la red sobrevivirá en su conjunto, aunque haya nodos individuales que pierdan potencia o se destruyan. Las capacidades de autodiagnóstico, autoconfiguración, autoorganización, autorestauración y reparación, son propiedades que se han desarrollado para este tipo de redes para solventar problemas que no eran posibles con otras tecnologías.

Las redes de sensores se caracterizan por ser redes desatendidas (sin intervención humana), con alta probabilidad de fallo (en los nodos, en la topología), habitualmente construidas adhoc para resolver un problema muy concreto (es decir, para ejecutar una única aplicación).

Elementos de una red de sensores inalámbica (WSN) y Sistema de adquisición de datos

Elementos de una red de sensores inalámbica (WSN)

Dos enfoque se han adoptados. El primero de integrar todos los componentes (sensores, radiotransmisores y microcontroladores) en una sola placa iniciado por Moteiv Corporation (ahora Sentilla1). Tienen un menor costo de producción y resultan más robustos en entornos duros o adversos.

La segunda aproximación comenzada por Crossbow Technology Inc.2 es la de desarrollar una placa con los transceptores que se puede conectar a la placa del microcontrolador.

Esta aproximación es más flexible. Los nodos suelen estar formados por una placa de sensores o de adquisición de datos y un “mote o mota” (placa de procesador y transmisión/recepción de radio). Estos sensores se pueden comunicar con un gateway, que tiene capacidad de comunicación con otros ordenadores y otras redes (LAN, WLAN, WPAN...) e Internet.

En relación con el software que necesitan, existen sistemas operativos específicos, como el TinyOS3 para sistemas embebidos. Los sistemas de enrutamiento y la seguridad son fundamentales en la estructura de una red inalámbrica de sensores.

Sistema de adquisición de datos

Los sensores son de distinta naturaleza y tecnología. Toman del medio la información y la convierten en señales eléctricas.

En el mercado existen placas con sensores de medida de muy diversos parámetros, como sensores de presión barométrica, GPS, luz, medida de radiación solar, humedad en suelo, humedad aire, temperatura, sonido, velocidad del viento y un largo etc.

Ejemplos: MTS300/310, sensor capaz de detectar aceleración, luminosidad, micrófono, sonido, magnetómetro, temperatura, y el MTS420 Sensor capaz de detectar temperatura, humedad, luminosidad, es fotosensible a la luz, contiene un barómetro.

-          http://www.sentilla.com/

-           http://www.xbow.com/

-           http://www.tinyos.net/

Para entornos de control de sistemas en tiempo real, los transceptores inteligentes cumplen con el estándar IEEE 1451.5 4. De normalización de Sensores: Es una familia de estándares propuestos para definir una interfaz para sensores y actuadores, que sea independiente de los protocolos de la red de comunicaciones utilizada. Los transceptores son sensores o actuadores equipados con microcontroladores que les provee de “inteligencia local” y capacidad de comunicación. Diseñado como interfaz entre 802.11 (WiFi), 802.15.4 (Bluetooth) y 802.15.5 (ZigBee).

Motas, Gateway, Estación base, Parámetros de una WSN y Arquitecturas

Motas

Las motas dotan de procesamiento y de comunicación al nodo sensor. Los procesadores de radio, toman los datos del sensor a través de sus puertas de datos, y envían la información a la estación base.

Los componentes típicos son:

-          Baterías

-          Una CPU.

-          Memoria Flash

-          Memoria separada para datos programas

-          Una placa de sensores: luz, humedad, presión, etc.

-          Radio para comunicar con otras motas.

-          ADC: conversor analógicodigital

Gateway

Permiten la interconexión entre la red de sensores y una red TCP/IP. Ejemplo: MIB600. Ethernet (TCP/IP) Gateway de la red que sirve a su vez como programador con conexión ethernet al que nos podemos conectar desde un PC.

Estación base

Recolector de datos basado en un ordenador común o sistema embebido.

Parámetros de una WSN

Los valores principales que caracterizan una red inalámbrica de sensores son los siguientes:

-          Tiempo de vida

-           Cobertura de la red

-           Coste y facilidad de instalación

-          Tiempo de respuesta

-          Precisión y frecuencia de las mediciones

-           Seguridad

-           Los valores principales que caracterizan al nodo sensor son los siguientes:

-           Flexibilidad

-          Robustez

-          Seguridad

-          Capacidad de comunicación

-           Capacidad de computación

-           Facilidad de sincronización

-          Tamaño y coste

-          Gasto de energía

Arquitecturas

El diseño modular es necesario con objeto de poder reutilizar los elementos. Sin embargo, el ser modular conlleva limitaciones de diseño y se ha de tener cuidado para garantizar que las interfaces entre módulos, hardware y software sean suficientemente general espera permitir la portabilidad.

Existen dos arquitecturas:

-          Arquitectura Centralizada en la que los nodos se comunican únicamente con el Gateway

-          Arquitectura Distribuida en la que los nodos sensores se comunican sólo con otros sensores dentro de su alcance.

Otro aspecto es la Computación Distribuida, donde los nodos cooperan y ejecutan algoritmos distribuidos para obtener una ÚNICA medida global que nodo coordinador se encarga de comunicar a la estación base. Los nodos no solo captan la información, sin que además utilicen su capacidad de cómputo para elaborar medidas.