Resumen

Redes de Sensores Inalámbricas


Una red de sensores inalámbrica (WSN) es una red inalámbrica que consiste en nano dispositivos autónomos distribuidos de forma espacial que utilizan sensores interrelacionados para monitorear, controlar y registrar condiciones físicas y ambientales. Estos dispositivos, o nodos, se combinan con routers y un gateway para crear un sistema WSN típico. Se puede suponer que este sistemas es uno de los avances tecnologicos mas investigados en la actualidad.El funcionamiento de estos sensores radica en lograr máxima eficiencia sobre todo en los campos de consumo y gestión de energia. La diferencia entre los sensores que ya conocemos y la nueva generación de redes de sensores sin cable es que estos últimos son capaces de poner en marcha una acción según la información que vayan acumulando y no son limitados por un cable fijo.
Si los avances tecnológicos en este campo siguen a la misma velocidad que han hecho en los últimos 2 años, las redes de sensores sin cable revolucionará la capacidad de interacción de los seres humanos con el mundo.
Las redes de sensores inalambricas se forman a partir de:
• Sensores: De distintos tipos y tecnologías, los cuales toman del medio la infamación y las convierten en señales electricas
• Nodos del sensor: toman los datos del sensor a traves de sus puertas de datos y envian la información a la estacion base
• Gateway: elementos para la interconexión entre la red de sensores y una red TCP/IP
• Estacion base: Recolector de datos
• Red inalambrica: tipicamente basada en el estandar 802.15.4 ZigBee

Caracteristicas de las redes de sensores inalambricas

Los nodos de estas redes se comunican atraves de una gateway central, el que permite que se conecten a un entorno cableado donde se puede adquirir, procesar, analizar y presentar los datos.
Estas redes de sensores se caracterizan porque son capaces de autoconfigurarse y posicionarse de forma autonoma. Los sensores tienen la gran capacidad de comunicarse entre si y comunicarse con otros dispositivos sin intervención humana.
Su manera de posicionarse les permite la eficiencia y la fiabilidad de los datos. Para incrementar esta eficiencia y la distancia entre ellos se pueden utilizar routers para lograr un enlace de comunicación adicional entre los nodos finales y el gateway.
Su operación tiene un costo energetico sumamente bajo, esto se da gracias a una serie de protocolos inteligentes, con alta capacidad, con facilidad de adaptarse y altamente optimizados.
Otra caracteristica mucho mas impresionante es la capacidad que tienen de determinar su propia localizacion gracias al aporte de una tecnología patentada por Ambient; a pocos metros de diferencia, lo cual les permite a los sistemas el despliegue de otras aplicaciones.

Aplicaciones de la redes de sensores inalambricas

Las aplicaciones que cumple una red de sensores inalambricas incluyen hasta aquellas donde las limitaciones de potencia e infraestructuras hacen que una solucion cableada sea costosa, desafiante o hasta imposible. Se pueden combinar un sistema de cableado con una red de sensores inalambrica para crear un sistema completo de medidas y control, cableado e inalambrico.
Un red de sensores inalambrica es demasiado ideal para un monitoreo ambiantal en el que se requiera realizar una solucion a largo plazo a obtener medidas de agua, suelo o clima. Tambien se puede utilizar como cuadricula de electricidad, semáforos y agua municipales. Estos sensores ofrecen un metodo de menos costo para recoger datos del sistema de salud para reducir el uso de energia y obtener mejores recursos adiministrativos.
En el manejo de la estructura de salud, se pueden usar los sensores inalambricos para monitorear de manera efectiva carreras, puentes y tuneles, edificiones de oficinas, hospitales, aeropuertos, fabricas, plantas de energia o plantas de producción, tareas domesticas, organización del trabajo y a la prediccion de desastres naturales como los terremotos.
Los cientificos las estan utilizando para encontrar y controlar microclimas y plagas en plantaciones de uva, para estudiar los habitos de aves y para controlar sistemas de ventilación y calefacción.Las redes de sensores pueden utilizar distintas tecnologías de sin cable, incluyendo IEEE 802.11, LANS sin cable, Bluetooth y identificación de la frecuencia de radio.

Arquitectura de una red de sensores inalambrica

En una arquitectura WSN común, los nodos de medida son desplegados para adquirir medidas como temperatura, voltaje o hasta oxígeno disuelto. Estos nodos son parte de una red inalámbrica administrada por el gateway que colecta los datos de medida desde cada nodo y los envía por medio de una conexión cableada, generalmente Ethernet, al controlador principal. Ahí, el software puede realizar procesamiento y análisis avanzados y presentar sus datos en un formato que cumpla con sus necesidades.

Potencia y Red Estándar

Un nodo de medida WSN contiene varios componentes incluyendo el radio, batería, microcontrolador, circuito analógico e interfaz de sensor. En sistemas energizados por baterías, usted debe crear limitantes ya que más altas razones de datos y más uso de radio frecuencia consumen más potencia.

En las aplicaciones WSN, con frecuencia tres años de duración de batería es un requisito. El protocolo IEEE 802.15.4 define las capas de Control de Acceso Medio y Físico en el modelo en red, proporcionando comunicación en las bandas ISM de 868 a 915 MHz y 2.4 GHz y razones de datos hasta 250 kb/s. ZigBee se construye en las capas 805.15.4 para brindar seguridad, fiabilidad a través de topologías de red en malla e inter operatividad con otros dispositivos y estándares. ZigBee también permite objetos de aplicación o perfiles definidos por el usuario, lo cual ofrece personalización y flexibilidad en el protocolo.

Además de los requerimientos de larga duración, se debe considerar el tamaño, peso y disponibilidad de las baterías, así como estándares internacionales para envíos de baterías. Con dispositivos que utilizan celdas solares o colectan calor del ambiente, se puede reducir o hasta eliminar la necesidad de usar baterías.


Tendencias de Procesador

Para extender la duración de la batería, un nodo WSN se enciende periódicamente para adquirir y transmitir datos al encender el radio y después apagarlo para conservar energía. El radio WSN debe transmitir una señal de manera eficiente y permitir que el sistema se apague con uso mínimo de energía. Tambien, el procesador debe ser capaz de encenderse y apagarse de modo eficiente. Las tendencias de la tecnología de microprocesadores para WSNs incluyen la reducción del consumo de potencia y mantener o aumentar la velocidad del procesador. Al igual que su selección de radio, el consumo de potencia y limitaciones de velocidad de procesamiento son clave al seleccionar un procesador para WSNs. Dependiendo del procesador específico, el consumo de potencia en modo sleep puede variar desde 1 a 50 µW, mientras que en modo de encendido el consumo puede ser desde 8 a 500 mW.


Topologias de Red


Se pueden utilizar una variedad de topologias de red para manejar el gateway WSN, nodos finales u otros ruteadores. Los nodos ruteadores son parecidos a los finales, en los que se adquieren medidas y permiten pasar datos de medida entre otros nodos. La principal y la mas utilizada es la topologia de estrella, porque se mantiene una sola trayectoria de comunicación con el gateway, es sencilla y restringe la distancia total que su red puede alcanzar.
Para aumentar la distancia que una red puede alcanzar, se puede utilizar la topologia del arbol. Esta es mas compleja, pues cada nodo tiene una sola trayectoria directa al gateway pero se pueden utilizar otros nodos para enlutar los datos. Pero su gran desventaja es que si falla el nodo ruteador, todos los nodos dependientes de el pierden sus trayectorias de comunicación con el gateway.
La topología de red de malla soluciona este problema al usar trayectorias de comunicación redundante para aumentar la fiabilidad del sistema. En una red de malla, los nodos mantienen múltiples trayectorias de comunicación al gateway, así si el nodo ruteador falla, la red automáticamente enruta los datos a través de una trayectoria diferente. La topología de malla, aunque es muy confiable, sufre de incremento de latencia de red ya que los datos deben hacer múltiples saltos antes de llegar al gateway.


Ventajas de una red de inalambrica sensores

Con la plataforma WSN de National Instruments WSN, se puede personalizar y mejorar una arquitectura WSN típica para crear un sistema completo de medida cableado e inalámbrico para su aplicación. La integración con software ofrece la flexibilidad de escoger un controlador principal basado en Windows para su sistema WSN o un controlador en tiempo real como NI CompactRIO, brindándo la capacidad de integrar E/S reconfigurable con sus medidas inalámbricas. Con el controlador principal, se puede usar LabVIEW y el software NI-WSN con la integración del proyecto de LabVIEW y programación de clic y arrastre para configurar fácilmente su sistema WSN, extraer datos de medida de alta calidad, realizar análisis y presentar sus datos.

Además, la integración con LabVIEW ofrece la habilidad de estrechar la comunicación de su WSN desde nivel empresarial y de base de datos a través del Internet hasta los dispositivos de clientes finales, como un iPhone o laptop. Se puede usar esta completa arquitectura del sistema para adquirir datos desde cualquier lugar de manera virtual con una red de sensores inalámbrica, procesar y almacenar esos datos en un servidor y después tener acceso a los datos de manera remota desde un dispositivo inteligente inalámbrico. Una red de sensores inalambrica puede cambiar la vida de los seres humanos.