Resumen 1

REDES DE SENSORES
GONZÁLEZ VELASCO JORGE ANTONIO
CAÑIZARES ORMAZA LUIS VINICIO
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
RESUMEN
El reciente avance en las comunicaciones
inalámbricas y la electrónica ha habilitado el
desarrollo de redes de sensores económicos.
Las redes de sensores pueden ser usadas
para varias áreas de aplicación (ej., salud,
ejército, hogar). Puede agregarse además que
las redes de sensores con cable no son nuevas
y sus funciones incluyen medir niveles de
temperatura, líquido, humedad etc. Muchos
sensores en fábricas o coches por ejemplo,
tienen su propia red que se conecta con un
ordenador o una caja de controles a través de
un cable y, al detectar una anomalía, envían un
aviso a la caja de controles.
El estado actual acerca de las redes de
sensores está descrito en este artículo dónde
se discuten las soluciones bajo las secciones
de capas de protocolos relacionadas. Las redes
de sensores son redes de nano aparatos
autónomos capaces de una comunicación sin
cable y suponen uno de los avances
tecnológicos más investigados en la actualidad.
A través de redes de sensores, se puede
integrar funcionalidades que antes eran
independientes unas de otras, con el fin de
lograr máxima eficiencia sobre todo en los
campos de consumo y gestión de energía.
INTRODUCCIÓN
Los recientes adelantos en las comunicaciones
inalámbricas y electrónica han capacitado el
desarrollo de dispositivos de bajo costo, baja
potencia, nodos multifuncionales de sensores
que son pequeños en tamaño y se comunican
en cortas distancias. Estos diminutos nodos de
sensores, los cuales permiten procesar datos, y
comunicar componentes, influencian la idea de
redes de sensores. Las redes de sensores
representan una significante mejora por encima
de los sensores tradicionales.
Una red de sensores está compuesta de un
gran número de nodos sensores que están
densamente desplegados dentro del fenómeno
[email protected]
[email protected]
o cerca de el. La posición de nodos sensores
no necesitan ser diseñados o predeterminados.
Por otro lado, esto también significa que los
protocolos de red de sensores y algoritmos
deben poseer la mismo-organización y
capacidades. Otro rasgo único de red de
sensores es el esfuerzo cooperativo de los
nodos sensores. Los nodos de sensores son
capaces de colocarse con un procesador.
Las características anteriormente descritas
aseguran un amplio rango de aplicaciones para
las redes de sensores. Algunas de las áreas de
aplicación son: salud, ejército, y hogar. En
salud, nodos de sensores pueden también ser
desplegados para monitorear pacientes y
asistencia a inválidos.
La realización de éstas y otras aplicaciones de
redes de sensores requieren técnicas de redes
ad hoc inalámbricas. Aunque muchos
protocolos y algoritmos han sido propuesto
para redes ad hoc inalámbricas tradicionales,
ellos no han satisfecho bien las características
y requisitos de la aplicación de redes de
sensores. Para ilustrar este punto, las
diferencias entre redes de sensores y redes ad
hoc son:
• El número de nodos de sensores en una red
de sensores puede variar en un número mayor
que los nodos en una red ad hoc.
• Los nodos
desplegados.
de sensores son densamente
• Los nodos de sensores son propensos a
fallas.
• La topología de una red de sensores cambia
muy frecuentemente.
• Los nodos sensores principalmente utilizan
una comunicación broadcast, mientras que las
redes
ad
hoc
están
basado
en
comunicaciones punto a punto.
• Los nodos sensores están limitados en
potencia,
capacidad
computacional
y
lógicamente memoria.
• Los nodos sensores no pueden tener
identificación global (ID) debido al gran tamaño
de cabecera y al gran número de sensores.
medioambiental. El fracaso debido a nodos de
sensores no afecta la tarea global de la red de
sensores. La tolerancia de error es la habilidad
de sostener las funciones de la red de sensores
sin alguna interrupción debido a los fracasos de
un nodo sensor.
ARQUITECTURA DE COMUNICACIÓN DE
REDES DE SENSORES
Escalabilidad.- El número de nodos de
sensores desplegados en estudio puede estar
en el orden de centenares o miles.
Dependiendo de la aplicación, el número puede
alcanzar un valor extremo de millones. Los
nuevos esquemas deben ser capaces de
trabajar con este número de nodos. Ellos
también deben trabajar con la alta densidad de
redes de sensores. La densidad puede ir de
pocos nodos de sensores a unos pocos cientos
de nodos de sensores en una región, qué
puede estar a menos de 10 m de diámetro.
Los nodos sensores normalmente se esparcen
en un campo sensor como se muestra en la
Figura 1. Cada uno de estos
nodos de
sensores esparcidos tienen la capacidad para
recoger datos y enviarlos al (SINK). Los datos
son enviados al (SINK) por un multihop de una
arquitectura de menor infraestructura como se
muestra en Fig. 1.
El fregadero (SINK) puede comunicar con el
nodo de carga de administración vía Internet o
satélite. El diseño de las redes de sensores
como se describe en la Figura 1 se influencia
por muchos factores, incluyendo fallas en la
tolerancia, estabilidad, costo de producción,
operación ambiental, topología de redes de
sensores, contención del hardware, transmisión
media y consumo de potencia.
INTERNET
Y
SATELITE
SINK
NODO
ADMINISTRADOR
DE TAREA
USUARIO
CAMPO
SENSOR
NODOS
SENSORES
Figura 1.- Arquitectura de la red de sensores
FACTORES DE DISEÑO
Los factores de diseño están dirigidos por
muchos investigadores en este artículo. Sin
embargo, ninguno de estos estudios tiene una
visión totalmente integrada de todos los
factores del diseño en las redes de sensores.
Estos factores son importantes porque sirven
como pauta para diseño de protocolos o
algoritmos para las redes de sensores.
Error de tolerancia.- Algunos nodos sensores
pueden fallar o bloquearse debido a la falta de
potencia, o tiene daño físico o interferencia
Costos de producción.- Las redes de
sensores consisten de un gran número de
nodos sensores, el costo de cada nodo es muy
importante justificar por el costo global de la
red. Si el costo de la red es más cara que si se
despliega los sensores tradicionales, la red de
sensores no está justificada por su costo.
Como resultado, el costo de cada nodo sensor
tiene que ser bajo. El precio de un piconodo
está designado a costar menos de US$1. Para
ser factible el costo de un nodo sensor por
regla es mucho menor a US$1 para una red de
sensores. El costo de
Bluetooth, que se
conoce que es bastante económico, inclusive
es 10 veces más caro que los precios
destinados para un nodo sensor.
Conformación de hardware.- Un nodo sensor
está compuesto de cuatro componentes
básicos, una unidad sensora, una unidad de
proceso, una unidad del transmisor-receptor, y
una unidad de potencia. Ellos pueden también
tener
adicionalmente
componentes
de
aplicación dependientes como: fuente de
potencia. Las unidades sensoras están
usualmente, compuestas de dos subunidades:
los sensores y los conversores analógicodigitales (ADCs). Las señales analógicas
producida por el sensor que se basan en el
fenómeno observado son convertidas a señales
digitales por el ADC, y entonces alimentadas a
la unidad de procesamiento. La unidad de
proceso, que es generalmente asociada con
una pequeña unidad de almacenamiento,
maneja los procedimientos que hace que el
nodo sensor colabore con los otros nodos para
llevar a cabo la tarea sensora asignada. La
unidad del transmisor-receptor conecta el nodo
a la red.
Uno de los componentes más importantes de
un nodo sensor es la unidad de potencia. Las
unidades de potencia pueden estar apoyadas
por unidades de potencia como células solares.
Muchos de las redes de sensores dirigen
técnicas que dan cuenta de tareas que
requieren conocimiento de una situación con
alta exactitud.
Topología de la red de sensores.- De cientos
a varios miles de nodos se despliega a lo largo
del campo de los sensores. Ellos se despliegan
rígidos de pie al alcance de otros sensores. La
densidad de de nodos pueden ser tan alta
como 20 nodos/m3.
Nosotros examinamos problemas relacionados
al mantenimiento de la topología y describimos
tres pasos:
* Fase de predesplieguen y despliegue: Los
nodos sensores pueden ponerse en masa o
pueden ponerse uno por uno en el campo
sensorial.
* Fase Post-despliegue: Después del
despliegue, las variaciones de la topología son
debidos al cambio en la posición de nodos
sensores, capacidad de alcance (debido a
bloqueos, ruido, obstáculos en movimiento,
etc.), energía disponible, mal funcionamiento, y
otros detalles.
* Fase de redesplazamiento adicional de
nodos: Los nodos sensores adicionales pueden
en cualquier momento ser re desplazados para
reemplazar los nodos defectuosos debido a los
cambios en la dinámica de una tarea.
El
ambiente.Nodos
sensores
son
densamente desplegados muy íntimamente o
directamente dentro de un fenómeno a ser
observado.
Por
consiguiente,
ellos
normalmente trabajan desatendidos en áreas
geográficas remotas. Pueden estar trabajando
en el interior de maquinaria grande, al fondo de
un océano, en un campo biológicamente o
químicamente contaminado, en un campo de
batalla más allá de las líneas enemigas, y en
una casa o edificio grande.
Medios de transmisión.- En este caso es un
medio inalámbrico (aire). Esto
puede
conseguirse por radio, infrarrojo, o medios de
comunicación ópticos.
Mucho del hardware actual para nodos
sensores está basado en circuitos de diseño de
RF.
Otro posible modo de comunicación en las
redes de sensores es el infrarrojo. La
comunicación infrarroja es de licencia libre y
robusta a la interferencia de los dispositivos
eléctricos. Los transmisor-receptores basados
en infrarrojos son más baratos y más fáciles de
construir. Otro desarrollo interesante es el
sistema de comunicación óptico para la
transmisión. El infrarrojo y el sistema óptico
requieren una línea de vista entre el transmisor
y receptor.
El consumo de potencia.- El nodo sensor
inalámbrico, mientras sea un dispositivo
microelectrónico, sólo puede equiparse con una
fuente de poder limitada (<05 Ah, 1.2 V). En
algunas partes de la aplicación, los
requerimientos de recursos de potencia podrían
ser imposibles. Por consiguiente, el nodo
sensor tiene una dependencia fuerte del
consumo de potencia de la batería. Los
desperfectos de nodos pueden causar que
cambie significativamente la topología. Tiene
importancia adicional, la conservación de la
potencia y direccionalidad. Es por estas
razones que los investigadores se están
enfocando actualmente en el diseño de
protocolos conscientes de la potencia.
La tarea principal de un nodo sensor en el
campo de la red de sensores es descubrir los
eventos locales rápidamente, y entonces
transmitirlos.
PILA DE PROTOCOLOS
La pila protocolar usada por el fregadero
(SINK) y nodos sensores se muestra en la Fig.
1 y Fig 2. Esta pila protocolar combina la
potencia y asignación de ruta, integra los datos
con red de protocolos, comunicaciones
potentes eficientemente a través del medio
inalámbrico,
y
promueve
esfuerzos
cooperativos de nodos sensores. La pila
protocolar consiste de capa física, capa enlace
de datos, capa de red, capa transporte, capa
aplicación, plano de administración de
potencia, y plano de dirección de movilidad, y
plano de dirección de tarea. La capa física
dirige las necesidades de simple pero robusta
modulación, transmisión, y las técnicas
receptoras. Desde que el ambiente es ruidoso y
los nodos sensores pueden ser móviles, el
protocolo de control de acceso al medio (MAC)
debe estar consciente del poder y capaz de
minimizar las colisiones con las transmisiones
de vecinos. La capa red tiene el cuidado de
tomar los datos proporcionado por la capa
transporte. La capa transporte ayuda a
mantener el flujo de datos que el sensor
transmitir a una red de sensores si la aplicación
lo requiere. Dependiendo de las tareas
sensoriales, pueden construirse tipos diferentes
de software de aplicación y pueden usarse en
la capa aplicación. Además, la potencia,
movilidad, y dirección de la tarea limita la
potenciar, movimiento, y distribución de la tarea
entre los nodos sensores. Estos planos ayudan
a los nodos sensores a coordinar la tarea
sensorial y bajan el consumo de potencia
global.
LA CAPA FÍSICA
El plano de administración de potencia se
maneja cómo un nodo sensor usa su potencia.
Por ejemplo, el nodo sensor puede apagar a su
receptor después de recibir un mensaje de uno
de sus vecinos. Esto evita reproducir los
mensajes. También, cuando el nivel de
potencia del nodo sensor es bajo, el nodo
sensor comunica a sus vecinos que está bajo
en potencia y no puede participar enviando los
mensajes. El plano de dirección de movilidad
descubre y registra el movimiento de nodos
sensores, para que una ruta se mantenga
siempre tras del usuario, los nodos sensores
pueden guardar la huella de quiénes son sus
vecinos. Sabiendo quienes son los nodos
vecinos, los nodos sensores pueden equilibrar
su potencia y uso de una tarea.
UWB Ultra Wideband emplea la transmisión en
banda base y no frecuencias de portadora.
No se exige que todos los nodos sensores
realicen una tarea sensorial al mismo tiempo en
esa región. Como resultado, algunos nodos
sensores realizan la tarea más que otros
dependiendo de su nivel de potencia. Se
necesitan los planos de dirección de potencia
para que los nodos sensores puedan trabajar
juntos de manera eficaz, los datos son dirigidos
por un sensor móvil y conectan una red de
sensores, y parte de los recursos entre los
nodos sensores.
La capa física es responsable de la selección
de frecuencia, generación de frecuencia de
portadora, detención de señal, modulación, y
encriptamiento de los datos. Así, 915 MHz
industria científico-médica (ISM) se ha sugerido
ampliamente para las redes de sensores. La
opción de un esquema de modulación bueno
es crítica para la comunicación fiable en una
red de sensores.
LA CAPA ENLACE DE DATOS
La capa de enlace de datos es responsable de
la multiplexación del flujo de datos, así como
detección de trama de datos, acceso al medio y
control de errores. Asegura conexiones fiable
punto a punto y punto multipunto en una red de
comunicación.
CONTROL DE ACCESO AL MEDIO
El protocolo MAC en redes inalámbrico sensor
debe lograr dos metas. La primera es la
creación de la infraestructura de la red. Desde
los miles de nodos sensores se esparce
densamente un campo sensorial, el esquema
de MAC debe establecer los enlaces de
comunicación para el traslado de los datos.
El segundo objetivo es la acción eficaz de los
recursos de comunicación entre los nodos
sensores.
Bluetooth y la red ad hoc móvil son los pares
más íntimos a las redes de sensores.
En contraste con estos dos sistemas, la red del
sensores puede tener un número muy grande
de nodos.
CONTROL DE ERRORES
Figura 2.- Pila de protocolos de redes de sensores
Otra función importante de la capa enlace de
datos es el control de errores de datos en la
transmisión. Dos modos importantes de control
del error en las redes de comunicación son la
corrección del error hacia adelante (FEC) y
demanda de repetición automática (ARQ). La
utilidad de ARQ en las redes de sensores está
limitada por la energía de la retransmisión
adicional.
Corrección de Error hacia delante.- la
fiabilidad del Enlace es un parámetro
importante en el plan de cualquier red
inalámbrica, más aún en las redes de sensores,
debido a la naturaleza imprevisible de la
aplicación. Algunas de las aplicaciones
necesitan rastreo móvil y requieren supervisar
la alta precisión de los datos. La probabilidad
de error en el canal (BER) es un indicador
bueno de fiabilidad del enlace.
La comunicación de datos fiables puede
proporcionarse aumentando el rendimiento de
potencia transmitida (Pout) o el uso de FEC
conveniente. Desde que un nodo sensor ha
limitado los recursos de potencia, la opción
anterior no es factible.
CAPA DE RED
Se necesitan protocolos de la asignación de
ruta inalámbricos entre los nodos del sensor y
el SINK. La capa red de redes de sensores
normalmente se diseña según los principios
siguientes:
* La eficacia de potencia siempre es una
consideración importante.
* Agregar Datos sólo es útil cuando no impide
el esfuerzo colaborador de los nodos
sensores.
Otra función importante de la capa red es
proporcionar
a
las
redes
externas
internetworking (interconexión de tecnologías
diferentes) con otras redes de sensores.
CAPA TRANSPORTE
Esta capa se necesita sobre todo cuando el
sistema se planea a ser accedido a través del
Internet u otras redes externas.
CAPA APLICACIÓN
Aunque se definen muchas áreas de la
aplicación para las redes de sensores, los
protocolos de capa aplicación para las redes de
sensores
siguen
siendo
una
región
principalmente inexplorada. Principalmente se
utilizan tres protocolos para capa aplicación
que son Protocolo de administración sensorial
(SMP), Protocolo de Anuncio de Datos y
Asignación de Tarea (TADAP), y Protocolo de
Diseminación de Datos y Requerimientos del
Sensor (SQDDP).
CONCLUSIONES
La flexibilidad, tolerancia de errores, alta
fidelidad sensorial, bajo costo, y las
características de despliegue rápido de una red
de sensores crean muchas nuevas e
interesantes áreas de aplicación remota. En el
futuro, esta amplia gama de áreas de
aplicación hará que el sensor conecte una red
de sensorial que será parte integral de nuestras
vidas. Sin embargo, la realización de redes de
sensores necesita satisfacer los requerimientos
introducidos principalmente por factores como
la tolerancia de errores, escalabilidad, costo,
hardware, cambio de la topología, ambiente, y
consumo de potencia. Estos requerimientos
son muy severos y específicos para las redes
de sensores, se requieren de nuevas técnicas
de la gestión de redes ad hoc inalámbricas.
Muchos investigadores están actualmente
comprometidos en desarrollar las tecnologías
necesarias para las diferentes capas de redes
de sensores y pila de protocolos. Junto con los
proyectos de la investigación actuales, nosotros
animamos hacia la visión de los problemas y
pensamos motivar una búsqueda para las
soluciones a los problemas abiertos de
investigación.
Redes de sensores sin cable
Una de las tecnologías que cambiarán el
mundo según MIT Technology Review son las
redes de sensores sin cable.
Las redes de sensores son redes de nano
aparatos autónomos capaces de una
comunicación sin cable y suponen uno de los
avances tecnológicos más investigados en la
actualidad. A través de redes de sensores, se
puede integrar funcionalidades que antes eran
independientes unas de otras, con el fin de
lograr máxima eficiencia sobre todo en los
campos de consumo y gestión de energía.
Bluetooth y la red ad hoc móvil son los pares
más íntimos a las redes de sensores.
Las redes de sensores con cable no son
nuevas y sus funciones incluyen medir niveles
de temperatura, líquido, humedad etc. Muchos
sensores en fábricas o coches por ejemplo,
tienen su propia red que se conecta con un
ordenador o una caja de controles a través de
un cable y, al detectar una anomalía, envían un
aviso a la caja de controles. La diferencia entre
los sensores que todos conocemos y la nueva
generación de redes de sensores sin cable es
que estos últimos son inteligentes (es decir,
capaces de poner en marcha una acción según
la información que vayan acumulando) y no son
limitados por un cable fijo.
Pero nuevos avances en la fabricación de
microchips de radio, nuevas formas de routers
y nuevos programas informáticos relacionados
con redes están logrando eliminar los cables de
las redes de sensores, multiplicando así su
potencial.
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.
Actualmente se trabaja con radios de baja
frecuencia con un alcance de hasta 80 metros y
velocidades de hasta 300 Kb/segundo.
Las últimas investigaciones apuntan hacia una
eventual proliferación de redes de sensores
inteligentes, redes que recogerán enormes
cantidades de información hasta ahora no
registrada que contribuirá de forma favorable al
buen funcionamiento de fábricas, al cuidado de
cultivos, a tareas domésticas, a la organización
del trabajo y a la predicción de desastres
naturales como los terremotos. En este sentido,
la computación que penetra en todas las
facetas de la vida diaria de los seres humanos
está a punto de convertirse en realidad.
Aunque la tecnología relacionada con las redes
de sensores sin cable está todavía en su
primera fase, equipos de investigación en la
Universidad de California Berkeley ya han
fabricado una caja que se puede adaptar a
muchos tipos de sensores. Los científicos
utilizan los sensores sin cable para encontrar y
controlar microclimas y plagas en plantaciones
de uva, para estudiar los hábitos de aves y
para controlar sistemas de ventilación y
calefacción. En la Universidad de California Los
Angeles, investigadores utilizan las redes de
sensores sin cable para recibir información
detallada sobre el efecto de los movimientos
sísmicos en los edificios.
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.
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Jorge Antonio González Velasco, nació en
Quito el 18 de julio de 1978, a pesar de su
lugar
de
nacimiento
posee
también
nacionalidad española; sus estudios primarios
los realizó en la Escuela Giovanni Antonio
Farina en San Rafael, posteriormente, ingresó
al Instituto Nacional Mejía, donde se graduó de
bachiller en la especialización FísicoMatemática. En el año de 1996 viajó a España
e ingresó al COU (Curso de Orientación
Universitaria), aprovechando su estadía en
Europa conoció otros países como Francia,
Bélgica y Holanda. Su permanencia en España
fue de un año, después retornó al Ecuador e
ingresó a la Escuela Politécnica Nacional en
1997, en la actualidad se encuentra
matriculado en el último semestre de la carrera
en
Ingeniería
en
Electrónica
y
Telecomunicaciones.
[17] V. Rodoplu and T. H. Meng,
"Minimum Energy Mobile Wireless
Networks," IEEE JSAC, vol. 17, no. 8,
Aug. 1999, pp. 1333-44.
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Networks
Revisited," ICC '01, Helsinki, Finland, June
2001.
[19] S. Hedetniemi, S. Hedetniemi, and A.
Liestman, "A Survey of Gossiping and
Broadcasting
In
Communication
Networks," Networks, vol. 18, 1988.
[20] W. Su and I. F. Akyildiz, "A Stream
Enabled Routing (SCR) Protocol for Sensor
Luis Vinicio Cañizares Ormaza, nació en
Quito el 13 de octubre de 1978, realizó sus
estudios primarios en la Escuela del Ejército
Abdón Calderón, se graduó de bachiller en el
Colegio Nacional Experimental Montúfar en el
año 1997 en la especialización FísicoMatemático.
Actualmente
se
encuentra
cursando la carrera en Ingeniería en
Electrónica y Telecomunicaciones. Realizó sus
prácticas en SIEMENS
(área de equipo
médico) e hizo algunos cursos como puestas a
tierra para centros de cómputo; es además
asesor de seguridad para la compañía de
alarmas Jamacars.