proceso inalámbrico de señales en redes inteligentes de sensores
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Universidad Veracruzana Facultad De Ingeniería Mecánica Eléctrica “PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES” TESIS Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA PRESENTA: MARTÍNEZ ORTIGOZA GLORIA ELIZABETH DIRECTOR DE TESIS DR. JESÚS GARCÍA GUZMÁN XALAPA, VER. OCTUBRE 2009 AGRADECIMIENTOS Esta tesis representa un parteaguas entre una etapa de mi vida en la que mi conocimiento se vio enriquecido por las enseñanzas y entre el camino que el tiempo nos obliga a recorrer. En toda mi experiencia universitaria y la conclusión de mi trabajo de tesis, hay personas que merecen las gracias porque sin su valiosa aportación no hubiera sido posible este trabajo y también hay quienes las merecen por haber plasmado su huella en mi camino. Gracias a mis profesores que en cada momento me brindaron su apoyo dentro y fuera del aula. Ustedes forman parte esencial de este logro, el cual les comparto, espero que su esfuerzo y empeño se vea reflejado en este trabajo. A mi director de tesis, el Doctor Jesús García Guzmán quien además de ser un buen profesor dentro del aula, fue mi guía y apoyo fuera de ella para la realización de este trabajo de investigación. Gracias por las amenas revisiones y por su forma de aconsejarme cuando algo no estaba bien. Gracias a mi madre por todo el amor, el apoyo, la confianza, la libertad y el respeto mutuo que siempre hubo entre nosotras, pero sobre todo por las enseñanzas que a lo largo de mi vida han sido la guía y el soporte de mi formación como persona y profesionista. Me has dado el arma más valiosa para saber defenderme, tu esfuerzo se convirtió en mi triunfo, esta tesis es tuya. Recuerda esto, siempre serás mi inspiración para alcanzar mis metas, TE AMO. A mi familia por todo el cariño y las palabras de aliento que tuve de cada uno de ustedes a lo largo de todo mi recorrido académico, gracias por creer en mí. Tony, gracias por esas risas incontrolables entre clases y por darme de comer. Rubén, cada una de tus experiencias que me contabas me enseñaron que debo vivir el momento porque no sabemos cuándo va a terminar, admiro tu fortaleza. Rosy, gracias por recordarme que allá arriba hay alguien que siempre va a estar conmigo cuando lo necesite, te agradezco la ternura con la que siempre me tratas. Carlos, gracias por despejarme la mente con una simple salida en los momentos de estrés. A todos los integrantes de mi familia los quiero. A mis mejores amigos de universidad, por ser increíbles personas y por compartir muchos momentos que siempre llevaré en mi corazón, gracias por enriquecer mi vida con su cariño y alegría, pero sobre todo por recordarme que hay personas valiosas en el mundo, gracias por formar parte del mío. Fayne, gracias por los consejos acertados y por ser mi ejemplo a seguir dentro de la carrera, tú fuiste quien me hizo ver que puedo lograr todo lo que me proponga. Aldo, gracias por tu compañía incondicional, tus comentarios, sugerencias y opiniones, además de ser mi amigo sincero y la mejor compañía que pude tener a lo largo de la carrera, fuiste como mi hermano. Fidel, gracias por dar los primeros pasos conmigo, a pesar de que el recorrido lo hicimos por caminos diferentes siempre vas a estar presente en mi vida. Selene, gracias por toda la fuerza y el cariño que me has brindado al final del sendero, fuiste un valioso pilar en los ánimos y desarrollo de esto, sin tu compañía no tendría la estabilidad emocional que poseo y la madurez alcanzada, te debo mucho y aún cuando no empezamos juntas, alcanzar esta meta contigo ha sido de gran alegría. A todos y cada uno de mis compañeros que en algún punto del trayecto me otorgaron momentos inolvidables. A los que con el tiempo se fueron convirtiendo en mis amigos y dejaron su marca en esta etapa de mi vida. Claudia, Puche, Teutli, Arce, César, Cepi, Xotla, Pecero, Mike, Dario, Uscanga, Guiot, aprendí cosas con cada uno de ustedes que me ayudaron a recorrer el camino, muchas gracias. A todos mis amigos pasados y presentes; pasados por crecer junto conmigo apoyándome en todas las circunstancias posibles; presentes por perdurar en mi vida como hasta ahora superando el obstáculo más difícil, la distancia. Vale, Dany, Kicho, Gaby, Cyn, Brisis, Diana, Emma, Paco, Edgar, Ruth, Michelle, Hugo, Guillermo, también son parte de esta alegría, los recuerdo y los valoro mucho. A esas dos personas que siempre fueron junto con mi madre parte de mi inspiración, ustedes alimentaron ese apetito por superarme continuamente pero al mismo tiempo me enseñaron con hechos a siempre tener los pies firmes sobre el suelo. Gracias por enseñarme que aún cuando se tenga todo lo anhelado, lo que me hace admirable y más grande como persona, es la sencillez del alma. Ing. Hugo miguel Y Aco, Lic. Ma Amparo Alvarez Castilla, muchas gracias por la lección. CONTENIDO ÍNDICE DE TABLAS III ÍNDICE DE FIGURAS IV ACRÓNIMOS V INTRODUCCIÓN 1 REDES INTELIGENTES DE SENSORES COMUNICACIÓN INALÁMBRICA 1 2 CAPÍTULO I 3 SENSORES 3 1.1 DEFINICIÓN DE SENSOR 4 1.2 CARACTERÍSTICAS DE UN SENSOR 5 1.3 TIPOS DE SENSORES 1.3.1 Sensores térmicos 1.3.2 Sensores mecánicos 1.3.3 Sensores químicos 1.3.4 Sensores magnéticos 1.3.5 Sensores ópticos 1.3.6 Sensores electroacústicos 10 10 12 14 19 22 24 1.4 SEÑALES 1.4.1 Señal analógica 1.4.2 Señal digital 1.4.3 Señal inalámbrica 27 28 29 32 CAPÍTULO II 36 PROCESADORES 36 2.1 DEFINICIÓN DE PROCESADOR 2.1.1 Características principales de un procesador 2.1.2 Procesadores para propósitos especiales 37 37 41 2.2 MICROCONTROLADORES 2.2.1 Definición de microcontrolador 2.2.2 Arquitectura de los Microcontroladores 2.2.3 Proceso de Desarrollo 42 42 43 46 CAPÍTULO III 52 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA 52 3.1 ONDAS 53 3.2 PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN 3.2.1 IEEE 802 3.2.1.1 IEEE 802.15.4 3.2.2 ZigBee 55 57 57 58 3.3 PROCESO DE COMUNICACIÓN 3.3.1 Comunicación vía microondas 3.3.2 Comunicación vía Satélite 3.3.3 Comunicación vía ondas de radio 3.3.4 Comunicación vía infrarrojo 60 61 62 65 69 CAPÍTULO IV 75 RED INALÁMBRICA 75 4.1 MODOS DE CONEXIÓN 4.1.1 Ad-Hoc 4.1.2 Infraestructura 76 76 76 4.2 RED INALÁMBRICA DE SENSORES 77 4.3 RED INTELIGENTE DE SENSORES 4.3.1 Características de una red inteligente de sensores 4.3.2 Componentes de una red inteligente de sensores 4.3.2 Aplicación de las redes inteligentes de sensores 77 78 80 86 CONCLUSIONES 94 BIBLIOGRAFÍA 96 ÍNDICE DE TABLAS TABLA 1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES 10 TABLA 1.2 COMPARATIVA ENTRE UNA SEÑAL ANALÓGICA Y UNA SEÑAL DIGITAL. 31 TABLA 4.1 CLASIFICACIÓN DE SENSORES DE ACUERDO A LA FUNCIÓN QUE DESEMPEÑAN DENTRO DE LAS REDES INTELIGENTES DE SENSORES 80 TABLA 4.2 CLASIFICACIÓN DE LOS NODOS SENSORES 84 iii ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 1.1 GRÁFICA DE REPETITIVIDAD 8 FIGURA 1.2 ONDA DE UNA SEÑAL ANALÓGICA 28 FIGURA 1.3 ONDA DE UNA SEÑAL DIGITAL 29 FIGURA 2.1 COMPONENTES ELEMENTALES DE UNA MICROCONTROLADORA 43 iv ACRÓNIMOS ACRÓNIMO A/D ALU AM ANN BPF CAN CPU CU DA INGLÉS Analog/Digital Arithmetic logia Unit Amplitude Modulation Artificial Neural Networks Band Pass Filter Controller Area Network Central Processing Unit Control Unit Discriminant Analysis DRAM Dynamic Random Access Memory DSP MEO MF OTPROM PCA PLC PLS Digital Signal Processor Electrically Erasable & Programable ROM Erasable & Programable ROM Frequency Modulation Floating Point Unit Geostationary Eartht Orbit Global Positioning System Graphics Processing Unit High Frequency High Power Amplifier Inter-Integrated Circuit Integrated Circuit Institute of Electrical and Electronics Engineers Intermediaterequency Ion Selective Electrodes Ion Sensitive Field Effect Transistors Liquid Crystal Display Light Dependent Resistor Light Emitting Diode Low Eartht Orbit Low Noise Amplifier Low Rate Wireless Personal Area Network Medium Earth Orbit Medium Frequency One Time Programable ROM Principal Component Analysis Programmable Logical Controller Partial Least Squares PSK Phase-shift keying PWM Pulse Width Modulation QAM Quadrature Amplitude Modulation QCM RAM RFID ROM Quartz Crystal Microbalance Random Access Memory Radio Frequency IDentification Read Only Memory EEPROM EPROM FM FPU GEO GPS GPU HF HPA 2 IC IC IEEE IF ISE ISFET LCD LDR LED LEO LNA LR-WPAN ESPAÑOL Análogo/Digital Unidad Aritmético-Lógica Amplitud Modulada Rede Neuronales Filtro Pasa Bnadas Red de Área de Controladores Unidad Central de Preocesamiento Unidad de Control Análisis Discriminante Memoria Dinámica de Acceso Aleatorio Procesador Digital de Señal ROM Programable y Borrable Eléctricamente ROM Programable y Borrable Frecuencia Modulada Unidad de Punto Flotante Órbita Terrestre Geoestacionaria Sistema de Posicionamiento Global Unidad de Procesamiento Gráfico Frecuencia Alta Amplificador de Alta Potencia Circuitos Inter-Integrados Circuito Integrado Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos Frecuencia Intermedia Electrodo Específico de Iones Transistor de Efecto Campo Sensible a Iones Pantalla de Cristal Líquido Resistor Dependiente de la Luz Diodo Emisor de Luz Órbita Terrestre Baja Amplificador de Bajo Ruido WPAN con Tasas Bajas de Transmisión de Datos Órbita Terrestre Media Frecuencia Media ROM Programable Una Sola Vez Análisis de Componentes Principales Controlador Lógico Programable Mínimos Cuadrados Modulación por Desplazamiento de Fase Modulador por Ancho de Pulso Modulación de Amplitud en Cuadratura Microbalanza de Cuarzo Memoria de Acceso Aleatorio Identificador de Radio Frecuencia Memoria de Sólo Lectura v ACRÓNIMO RTD SAW SHF SPI INGLÉS Resistance Temperature Detector Surface Acoustic Wave Super High Frequency Serial Peripheral Interfaces SPR Surface Plasmon Resonance SRAM Static Random Access Memory UART UHF USB VHF WPAN Universal Asynchronous Receiver/Transmitter Ultra High Frequency Universal Serial Bus Very High Frequency Wireless Personal Area Network ESPAÑOL Detector Resistivo de Temperatura Onda Acústica de Superficie Frecuencia Súper Alta Interfaces de Periféricos Seriales Resonancia de Plasmones Superficiales Memoria Estática de Acceso Aleatorio Transmisor/Receptor Asíncrono Universal Frecuencia Ultra Alta Bus Universal en Serie Frecuencia Muy Alta Red Inalámbrica de Área Personal vi I N T R O D U C C I Ó N INTRODUCCIÓN Redes inteligentes de sensores Una red es un conjunto de elementos conectados por medio de cables, señales, ondas o cualquier otro método de transporte de datos, que comparten información, recursos, servicios, etc. Una red de sensores es una red de minicomputadoras llamadas nodos equipados con sensores, que realizan una tarea en común. Las redes de sensores están formadas por un grupo de sensores con ciertas capacidades sensitivas y de comunicación inalámbrica los cuales permiten formar redes sin infraestructura física preestablecida ni administración central. Esta clase de redes se caracterizan por su facilidad de expansión y por ser autoconfigurables, pudiendo convertirse en todo momento en emisor, receptor u ofrecer servicios de orientación 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 las computadoras ha dado a luz la idea de desarrollarlas extremadamente pequeñas, baratas, comunicándose de forma inalámbrica y organizándose 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, sin embargo la eficiencia de este tipo de redes se incrementaría enormemente si la energía utilizada para dichos sensores fuera inagotable. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 1 INTRODUCCIÓN Comunicación Inalámbrica El simple hecho de ser seres humanos nos hace desenvolvernos en medios donde el tener una comunicación es indispensable. Por eso la gran importancia de la transmisión y la recepción de información; y en la época actual donde los dispositivos electrónicos hacen parte de la cotidianidad, es necesario establecer medios de comunicación eficaces entre ellos, sobre todo en campos como la ingeniería en donde el monitoreo de infinidad de sistemas es muy importante. La comunicación inalámbrica es el tipo de comunicación en la que no se utiliza un medio de propagación físico, esto quiere decir que se utiliza la modulación de ondas electromagnéticas, las cuales se propagan por el espacio sin un medio físico que comunique cada uno de los extremos de la transmisión. Por tanto, los dispositivos físicos sólo están presentes en los emisores y receptores de la señal. El campo de aplicación de la comunicación inalámbrica es tan amplio en la actualidad que cada día va adquiriendo más importancia, por mencionar algunos ejemplos tenemos a los celulares, Laptops, radio, televisión, antenas, Internet, domótica, etc. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 2 CAPÍTULO I SENSORES Los términos sensor y transductor generalmente son considerados intercambiables. Sin embargo hay que dejar en claro que existen diferencias entre ellos, por esa razón definiremos cada uno por separado. Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o bien de convertir cierto tipo de energía de entrada, en otra diferente de salida. De acuerdo al nombre del transductor será la transformación que realiza, aunque no necesariamente la dirección de la misma, por ejemplo un micrófono es un transductor electroacústico que convierte la energía acústica (vibraciones sonoras) en energía eléctrica (variaciones de voltaje), mientras que un altavoz también es un transductor electroacústico, pero sigue el camino contrario, transforma la corriente eléctrica en vibraciones sonoras. De estos dos sólo el micrófono se considera como sensor. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 3 SENSORES CAPÍTULO I Los transductores son principalmente utilizados en la industria, en la medicina, en la agricultura, en robótica, en aeronáutica, etc. para obtener la información de entornos físicos o químicos y conseguir a partir de esa información señales o impulsos eléctricos o viceversa. Una desventaja de los transductores es que siempre consumen algo de energía y por tanto la señal medida resulta debilitada [1.1]. 1.1 Definición de sensor Un sensor es un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de instrumentación dependen del tipo de sensor, por lo que existe una gran cantidad de variables de instrumentación. Una magnitud eléctrica obtenida puede ser una resistencia eléctrica (como en un RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como un fototransistor), etc. Aunque transductor y sensor son ambos dispositivos que transforman la energía de entrada en otra diferente de salida, el sensor sólo tiene energía de salida eléctrica mientras que el transductor puede tener cualquier tipo de energía de salida. Comparando ambos dispositivos el sensor abarca un campo más amplio y siempre está en contacto con la variable a medir o a controlar. La señal que entrega el sensor no solo sirve para medir la variable, si no también para convertirla mediante circuitos electrónicos en una señal estándar (4 a 20 mA, o 1 a 5 Vcd) para tener una relación lineal con los cambios de la variable sensada dentro de un rango para fines de control de dicha variable en un proceso. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 4 SENSORES CAPÍTULO I Un sensor puede transmitir información, iniciar un cambio o activar un switch. Los sensores pueden actuar como interfase entre el mundo físico y el eléctrico, haciendo posible que un circuito electrónico se pueda ver, escuchar, oler, probar y tocar [1.2, 1.3]. Las áreas de aplicación de los sensores son bastante extensas, por mencionar algunas están la industria automotriz, industria aeroespacial, medicina, industria de manufactura, robótica, etc. 1.2 Características de un sensor La importancia de describir las características de los sensores se debe a que el comportamiento del sistema está condicionado por el sensor utilizado. En la mayoría de los sistemas la variable de interés varía de forma tan lenta que basta con conocer las características estáticas del sensor. Las características estáticas influyen también en el comportamiento dinámico del sensor, es decir, en el comportamiento que presenta cuando la magnitud de medida varía a través del tiempo. Exactitud. Es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de dar indicaciones que se aproximen al valor verdadero de la magnitud medida, es decir que se pueda detectar sin errores sistemáticos positivos o negativos en la medición. Sobre varias mediciones de la variable, el promedio de error entre el valor real y el valor detectado tenderá a ser cero. El valor exacto, también llamado verdadero o ideal, es el que se obtendría si la magnitud se midiera con un método ejemplar, es decir, un método en el cual los expertos coincidieran en que es suficientemente exacto para la finalidad que se pretende con los resultados que se obtengan. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 5 SENSORES CAPÍTULO I La exactitud de un sensor se determina mediante la denominada calibración estática, la cual consiste en mantener todas las entradas excepto una a valor constante. La entrada en estudio se varía lentamente, tomando sucesivamente valores constantes dentro del margen de medida y se van anotando los valores que toma la salida. La representación de estos valores en función de los de la entrada define la curva de calibración. Para poder conocer el valor de la magnitud de entrada, esta debe tener un valor bien conocido constituyendo lo que se denomina un patrón de referencia. Su valor debe conocerse con exactitud al menos diez veces mayor que la del sensor que se calibra. El tiempo y los procedimientos necesarios para llevar a cabo el proceso de calibración deben ser mínimos. Además, el sensor no debe necesitar una recalibración frecuente. El término desviación se aplica con frecuencia para indicar la pérdida gradual de exactitud del sensor que se produce con el tiempo y el uso, lo cual hace necesaria su recalibración. La diferencia entre la indicación del instrumento y el valor verdadero de la magnitud se denomina error. La diferencia entre el la indicación del instrumento y el verdadero valor se denomina error absoluto. El cociente entre el error absoluto y el valor verdadero se conoce como error relativo. Para algunos sensores puede que se especifique un error relativo como porcentaje del fondo sin escala, o bien, como porcentaje de la lectura exclusivamente. La exactitud de la medición debe ser tan alta como sea posible. Precisión. Es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de dar el mismo valor de la magnitud medida, al medir varias veces en unas mismas condiciones determinadas (ambientales, operador, etc.) prescindiendo de su concordancia o diferencia con el valor real de dicha magnitud. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 6 SENSORES CAPÍTULO I La precisión implica que se tenga simultáneamente una conformidad en las sucesivas lecturas y un número alto de cifras significativas y es, por tanto, una condición necesaria pero no suficiente para la exactitud. La precisión de la medición debe ser tan alta como sea posible. Usualmente se expresa en unidades de medición (dentro de ± 5 mV) ó en forma de porcentaje (legible dentro del 3% de la escala). Derivas.- En sensores, cuando hay una variación de la salida a lo largo del tiempo se habla a veces de inestabilidad, y se dice que el sensor tiene derivas. En particular, se especifican a veces las denominadas derivas de cero y derivas del factor de escala. La deriva de cero expresa la variación de la salida con la entrada nula. La deriva del factor de escala expresa la variación de la sensibilidad. La sensibilidad o factor de escala es la pendiente de la curva de calibración, que puede ser constante o no a lo largo de la escala de medida. En los sensores interesa tener una sensibilidad alta y si es posible, constante. Linealidad.- La linealidad expresa el grado de coincidencia entre la curva de calibración y una línea recta determinada. De acuerdo a la forma en que se defina la recta se habla de: Linealidad independiente: la línea de referencia se define por el método de mínimos cuadrados. De esta forma, el máximo error positivo y el mínimo error negativo son iguales. Es la forma de especificación que suele dar mejor calidad. Linealidad ajustada al cero: la recta se define también por el método de los mínimos cuadrados, pero con la restricción adicional de pasar por cero. Linealidad terminal: la recta se define por la salida sin entrada (o la menor del margen de medida) y la salida teórica máxima, correspondiente a la mayor entrada admitida. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 7 SENSORES CAPÍTULO I Linealidad a través de los extremos: la recta se define mediante la salida real cuando la entrada es la menor de alcance especificado, y la salida real cuando la entrada es la máxima de alcance especificado. Linealidad teórica: la recta es definida por las previsiones teóricas formuladas al diseñar el sensor. Los principales factores que influyen en la linealidad de un sensor son: la resolución, el umbral y la histéresis. La resolución o discriminación es el incremento mínimo de la entrada para el que se obtiene un cambio en la salida. Cuando el incremento de la entrada se produce a partir de cero, se habla de umbral. La histéresis se refiere a la diferencia en la salida para una misma entrada, según la dirección en que se alcance. Rango de medida.- Es el dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Por ejemplo, el SugarCube TEMP TK es un sensor de temperatura pequeño, ligero y móvil que incluye un termopar externo para aumentar el rango de temperatura de funcionamiento. Su rango de medida es de 0 – 1000 ºC, esto quiere decir que sólo funciona correctamente dentro de ese rango de temperaturas. Repetitividad. Es la capacidad de reproducir una lectura con una precisión dada. Cuando la medida se realiza varias veces, la gráfica magnitud-señal eléctrica no siempre pasa por el mismo lugar. La máxima diferencia será el valor absoluto de la repetitividad. Fondo de escala Máx diferencia Salida (Tensión) Rango de medida Figura 1.1 Magnitud Física Gráfica de repetitividad PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 8 SENSORES CAPÍTULO I Offset o desviación de cero.- Es el valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. Rapidez de respuesta.- Esta puede ser un tiempo fijo o puede depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada. Fiabilidad.- El sensor debe tener una alta fiabilidad. No debe estar sujeto a fallos frecuentes durante el funcionamiento [1.2, 1.4, 1.5]. Los sensores pueden ser de indicación directa o pueden estar conectados a un indicador de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano. Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como puede ser un puente de Wheatstone, amplificadores o filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto del circuito en que se estén utilizando los sensores. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 9 SENSORES CAPÍTULO I 1.3 Tipos de sensores Los sensores pueden clasificarse por los cambios físicos o químicos que están destinados a sensar, estos cambios se han dividido en seis campos [1.3]. Tabla1.1 Clasificación de los sensores CAMPO MAGNITUDES Térmico Temperatura y calor Mecánico Fuerza, presión, velocidad, aceleración y posición Químico Concentración y composición Magnético Intensidad de campo y densidad de flujo Óptico Intensidad de luz, posición e imagen Electroacústico Vibraciones sonoras, oscilaciones de la presión del aire 1.3.1 Sensores térmicos Los sensores térmicos utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura, por ejemplo la variación de resistencia en un conductor (sondas de resistencia), la variación de resistencia de un semiconductor (termistores), la f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares), la intensidad de la radiación total emitida por un objeto (pirómetros de radiación) o bien otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.). Los metales puros tienen un coeficiente de resistencia de temperatura positivo bastante constante. El coeficiente de resistencia de temperatura, generalmente llamado coeficiente de temperatura es la razón de cambio de resistencia al cambio de temperatura. Un coeficiente positivo significa que la resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura. Si el coeficiente es constante, significa que el factor de proporcionalidad entre la resistencia y la temperatura es constante. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 10 SENSORES CAPÍTULO I Cuando se usa un alambre de metal puro para la medición de temperatura, se le refiere como detector resistivo de temperatura (RTD). Cuando se usan óxidos metálicos para la medición de temperatura, el material de oxido metálico conformado de tal manera que se asemeja a pequeños bulbos o pequeñas resistencias, se llama Termistor. Los termistores tienen coeficientes de temperatura negativos grandes que no son constantes, es decir, que el cambio de resistencia por unidad de cambio de temperatura es mucho mayor que para el metal puro, pero el cambio es en la otra dirección: la resistencia disminuye a medida que se aumenta la temperatura. El hecho de que el coeficiente no sea constante significa que el cambio en la resistencia por unidad de cambio de temperatura es diferente a diferentes temperaturas. La linealidad extrema de los termistores los hace poco apropiados para la medición de temperatura a través de rangos amplios. Sin embargo, para la medición de temperaturas dentro de bandas angostas, están muy bien dotados, pues dan una gran respuesta a un cambio de temperatura pequeño. Por lo tanto, los termistores son preferibles cuando la banda de temperaturas esperada es angosta, mientras que los RTD son preferibles cuando la banda de temperatura esperada es amplia. Otro tipo de sensores de temperatura son los sensores de circuitos integrados éstos resuelven el problema de la linealidad y ofrecen altos niveles de rendimiento. Son además, relativamente económicos y bastante precisos a temperatura ambiente. Sin embargo, los sensores de IC no tienen tantas opciones de configuraciones del producto o de gama de temperaturas, y además son dispositivos activos, por lo que requieren una fuente de alimentación. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 11 SENSORES CAPÍTULO I Los sensores de IC forman parte de la tendencia hacia los "sensores inteligentes", que son transductores cuya inteligencia incorporada facilita las actividades de reducción y análisis de datos que el usuario debe realizar normalmente en el sistema de adquisición de datos. Los sensores de temperatura que se utilizan extensamente son los termopares ya que ofrecen una gama de temperaturas mucho más amplia y una construcción más robusta que otros tipos. Además, no precisan alimentación de ningún tipo y su precio accesible los convierte en una opción muy atractiva para grandes sistemas de adquisición de datos. Sin embargo, para superar algunos de los inconvenientes inherentes a los termopares y obtener resultados de calidad, es importante entender la naturaleza de estos dispositivos. [1.6, 1.7] 1.3.2 Sensores mecánicos Los sensores mecánicos son aquéllos que se utilizan para sensar magnitudes en las que está involucrado el movimiento como puede ser la velocidad, aceleración o posición de un objeto, así como la fuerza o presión ejercida sobre otro. Los sensores de posición se utilizan para saber la distancia entre objetos o bien para detectar la posición de un objeto a cierta distancia. Los hay de posición angular o posición lineal. Dentro de los primeros se encuentran los potenciómetros, los encoders (absoluto o incremental), giroscopios, inclinómetros, sincros y resolvers. Para los segundos se utilizan los sensores inductosyn (con precisión en el orden de micras, empleado en máquinas medidoras de coordenada y máquinas herramientas de control numérico), sensores láser, sensores ultrasónicos (para controlar niveles de sólidos en depósitos, presencia de obstáculos en celdas robotizadas, detección de grietas en la inspección de materiales o soldaduras), encoders (absoluto o incremental), potenciómetros lineales, transformadores diferenciales y sensores magnetoestrictivos. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 12 SENSORES CAPÍTULO I Los sensores de proximidad generalmente son de respuesta todo o nada. El área de aplicación para este tipo de sensores es bastante amplia, si se trata de distancias cortas (<50 mm) se utilizan sensores inductivos (debido a la robustez mecánica, la resistencia a ambientes agresivos y su bajo costo) o bien sensores capacitivos (si es que se trata de materiales no metálicos como vidrio, cerámica, plástico, madera, agua, aceite, cartón, papel, entre otros materiales); si se trata de distancias largas (>50 mm), entonces se emplean sensores ópticos (los cuales son construidos con fibra óptica, con la característica de tener un alta velocidad de respuesta, la identificación de colores o la detección de pequeños objetos) siempre y cuando los objetos no sean transparentes, o bien ultrasónicos con la limitación de no usarse en ambientes en los que el aire circule con flujo muy turbulento o con contaminación acústica elevada dada su dependencia de este medio para la transmisión de la onda de ultrasonido [1.8]. Una de las mediciones más importantes en las aplicaciones industriales es la de la velocidad angular. Esto se realiza mediante los tacómetros, que pueden ser mecánicos como es el caso del contador de revoluciones o del tacómetro centrífugo; o bien eléctricos como son el tacodínamo (cuya señal de salida es continua) o el tacoalternador (cuya señal de salida es alterna). También se puede medir la velocidad mediante medidores de velocidad por impulsos y sistemas ópticos. En caso de la magnitud a medir sea la aceleración y no la velocidad se utilizan los servoacelerómetros (para medir la aceleración angular) o los acelerómetros piezo-resistivos (los cuales utilizan el efecto piezoeléctrico). La medida de presiones en líquidos o gases es una de las más frecuentes, particularmente en control de procesos. La presión es una fuerza por unidad de superficie, y la medida de su magnitud depende del tipo de sensor que se utilice. Estos sensores pueden ser de dos tipos, los que tienen elementos de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un liquido de densidad y altura conocidas, y los que tienen elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 13 SENSORES CAPÍTULO I La detección de fuerza y par suele realizarse de manera indirecta, a partir de medir el efecto de la fuerza sobre un elemento elástico denominado célula de carga. En las células de carga “eléctricas” el efecto es una deformación o desplazamiento. Los sensores de pequeñas deformaciones constituyen la base de los sensores de fuerza y par, el resto del mismo suele consistir en una pieza susceptible de ser deformada dentro del campo elástico, sobre la cual va colocado el elemento de medida de pequeñas deformaciones. En las células de carga “hidráulica” y “neumática”, el efecto es un aumento de presión de un líquido o gas respectivamente [1.9, 1.10]. 1.3.3 Sensores químicos Los sensores químicos miden propiedades químicas de las substancias tales como PH, concentración, composición y potencial de oxidación por medios electroquímicos, es decir, responde a cambios específicos en el voltaje o en la corriente eléctrica como consecuencia de la presencia de una especie química que interactúa con él. Cuando el elemento sensor está constituido por un elemento químico, orgánico o inorgánico es cuando se dice que se tiene un sensor químico. El elemento químico sensor se selecciona de tal manera que interactúa con la especie a analizar de manera muy exclusiva o selectiva, a estos sensores se les conoce como ISE (Ion Selective Electrodes). Estos sensores también conocidos como electrodos específicos de iones, no son más que un transductor que convierte la actividad de ciertos iones disueltos en una solución, en un potencial eléctrico que puede ser medido por un voltímetro o pH-metro. La tensión es teóricamente dependiente del logaritmo de la actividad iónica. Para aumentar la selectividad del sensor se pueden utilizar elementos bioquímicos o biológicos como elementos sensores de tal manera que se obtenga un biosensor. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 14 SENSORES CAPÍTULO I Dos ejemplos bastante utilizados son las narices y las lenguas electrónicas. Una nariz electrónica es un instrumento que puede oler, es decir, es capaz de realizar análisis cualitativos y/o cuantitativos de una mezcla de gases, vapores y olores. La nariz electrónica es un instrumento de olfato artificial que permite distinguir y reconocer aromas utilizando sensores de gas. Los sensores de gas tienen la función de dar lugar a una magnitud física la cual pueda ser capturada por el hardware de adquisición. Dicha magnitud debería reflejar en menor o mayor grado la exposición de los sensores a la muestra olorosa. La magnitud utilizada para “tomar la huella” de la muestra olorosa bajo test depende casi exclusivamente del tipo de sensor químico empleado en la aplicación. Desde un punto de vista funcional una nariz electrónica está formada fundamentalmente por 4 bloques bien definidos: 1. Un bloque de transducción cuyo elemento fundamental es un arreglo de sensores químicos o de gas. Este arreglo suele estar formado por un número determinado de sensores. El número de sensores en el arreglo así como la tecnología empleada para implementar los sensores influye de forma importante en las prestaciones de la aplicación. Aquí se realiza la adecuación de la mezcla gaseosa y el muestreo. 2. Un bloque de adquisición de señal y conversión a un formato digital apropiado en la que se incluye circuitería de adquisición de datos, fundamentalmente un conversor analógico-digital, así como componentes electrónicos para el acondicionamiento de la señal analógica entregada por el arreglo, los cuales pueden ser desde un amplificador operacional hasta un simple condensador. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 15 SENSORES CAPÍTULO I 3. Un bloque de procesado, en el cual a través de un modelo se hace la tarea del reconocimiento, los olores son comparados con ciertos patrones y posteriormente clasificados o identificados como lo haría una nariz humana, este bloque es lo que hace a la nariz un sensor inteligente. 4. Un bloque de presentación de resultados, con adecuados algoritmos se extraen los rasgos característicos o "huellas" de cada aroma y se presentan los resultados en la interfaz con el usuario, dicha interfaz en su versión más básica podría estar formada por una sencilla pantalla LCD. En la parte de transducción el elemento fundamental es un arreglo de sensores químicos. Estos sensores generalmente son no específicos y reaccionan ante un espectro relativamente grande de compuestos, es decir, no han sido diseñados para reconocer ningún compuesto concreto, sino por el contrario, cuanto mayor sea el número de compuestos ante los que pueden reaccionar, mayor es el número de ámbitos de aplicación. La circuitería de adquisición y acondicionamiento de señal es totalmente estándar comprendiendo desde el ya mencionado conversor analógico-digital hasta amplificadores operacionales pasando obviamente por elementos circuitales pasivos. La única característica específica de la aplicación que deberían tener dichos elementos circuitales es que sean de bajo ruido dado que las señales inducidas por algunos compuestos pueden ser extremadamente débiles. Las técnicas empleadas en la parte de procesado pertenecen al ámbito del Aprendizaje Automático pero, adaptadas a las señales entregadas por los sensores químicos. Dicho conjunto de técnicas son conocidas con el nombre de Aprendizaje Olfativo Automático (Machine Olfaction). PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 16 SENSORES CAPÍTULO I Por otra parte considerando el funcionamiento del sistema gustativo, se puede establecer cierta analogía entre las células del gusto y los sensores químicos. Por ejemplo, las células que detectan el gusto ácido, reciben estímulos ante la presencia de protones disociados de ácidos; las del gusto salado, detectan la presencia de iones sodio y cloruro, las del gusto dulce detectan la presencia de moléculas de glucosa o sacarosa, etc. En el caso de los sensores, cada uno de estos compuestos interacciona con la membrana receptora dando lugar a una señal eléctrica. La suma de estas señales para todos los compuestos de una muestra y para cada sensor da lugar a una huella (fingerprint) que determina la respuesta del sensor. Por tanto, para la medida del sabor, se requiere un conjunto de sensores, cada uno con una sensibilidad y especificidad distinta. A diferencia de los clásicos sensores químicos, en los cuales se busca la máxima selectividad, en estos sensores no se requiere especificidad a una especie, sino la medida de la intensidad o la calidad que ofrece el conjunto de una serie de sustancias presentes en una cantidad determinada. Las lenguas electrónicas funcionan según este principio. Este tipo de sensores constan de varios elementos: la membrana sensora, el transductor que convierte la señal química en una señal física eléctrica u óptica, y el circuito que adquiere la señal y la acondiciona para su lectura. Los transductores más utilizados para las lenguas electrónicas son electroquímicos, másicos y ópticos. Entre los primeros se encuentran los potenciométricos basados en electrodos selectivos a iones (ion selective electrode, ISE), transistores de efecto de campo sensibles a iones (ion sensitive field effect transistors, ISFET), los voltamperométricos y los amperométricos. Entre los transductores másicos o gravimétricos se encuentran los de onda acústica superficial (surface acoustic wave, SAW) y las microbalanzas de cuarzo (Quartz crystal microbalance, QCM). Los transductores que tienen propiedades ópticas pueden ser muy variados, algunos ejemplos son los de resonancia de plasmones superficiales (surface plasmon resonance, SPR) o los interferométricos. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 17 SENSORES CAPÍTULO I Las lenguas electrónicas se componen básicamente de un conjunto de sensores. Cada sensor mide una propiedad determinada de la muestra. La respuesta del conjunto de sensores ofrece una huella característica para cada especie en la muestra. La suma de todas las huellas permite establecer un patrón de reconocimiento para cada sabor. Otra posibilidad de las lenguas electrónicas es el reconocimiento del sabor calibrando previamente el sistema con los resultados de un panel. Se pueden relacionar los distintos grupos de sabores establecidos por el sistema sensor según la composición química u origen con los sabores definidos por el panel. Unos de los aspectos más críticos de las lenguas electrónicas es el posterior tratamiento de los datos para obtener una respuesta coherente y útil. Para ello se utilizan métodos de análisis multiparamétricos. Éstos recogen toda la información que se obtiene de los sensores, seleccionan la que puede ser más significativa y, mediante algoritmos para reconocimiento de patrones, interpretan la señal de todos los sensores. Existe un gran número de métodos matemático-estadísticos, por mencionar algunos están las redes neuronales (artificial neural networks, ANN); análisis de componentes principales (principal component analisis, PCA); mínimos cuadrados (partial least squares, PLS); análisis discriminante (DA), etc. Todos estos métodos tienen características distintas en cuanto al tratamiento de los datos. La mayoría se utiliza para reconocimiento de patrones: el sistema sensor es expuesto a diferentes concentraciones de los analitos que se supone tendrá la matriz de la muestra para que establezca patrones de respuesta. Este proceso es como un entrenamiento del sistema, las respuestas en función del tipo de alimento (café, vino, té, etc.) deben ser almacenados en una base de datos. A partir de esta base de datos se puede establecer clasificaciones de cada muestra según el origen, el año, la composición química, etc. [1.11, 1.12, 1.13, 1.14]. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 18 SENSORES CAPÍTULO I Cabe destacar que el campo es bastante amplio para cada uno de estos ejemplos de sensores químicos, ya que pueden ser utilizados de diferentes formas, como catador de vinos, para saber el estado de los alimentos, para la caracterización de materiales e inclusive para detectar tejidos cancerosos. Por otro lado existe un sensor en el mercado que consta de ambos sensores, nariz y un paladar electrónico (flavorímetro) captando olores y sabores en tiempo real [1.15]. 1.3.4 Sensores magnéticos Los sensores magnéticos son aquellos en los que una magnitud física puede producir una alteración de un campo magnético o un campo eléctrico. Los sensores electromagnéticos se clasifican de acuerdo a su principio de funcionamiento. Existen sensores basados en la ley de Faraday [Ecuación 1.1], la cual nos dice que en un circuito o bobina con N espiras que abarque un flujo magnético Φ, si este varía con el tiempo se induce en él una tensión o fuerza electromotriz ℯ ℯ = -N dΦ dT Ecuación 1.1 El flujo puede ser variable de por si (cuando es debido a una corriente alterna) como con los tacómetros de alterna, o bien puede ser que varíe la posición del circuito con respecto al flujo (cuando dicho flujo es constante) como con los tacómetros de continua, los medidores de velocidad lineal y los caudalímetros electromagnéticos. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 19 SENSORES CAPÍTULO I Sin embargo los sensores electromagnéticos más utilizados son aquéllos que están basados en el efecto Hall. El efecto Hall fue descubierto por E. H. Hall en el año de 1879, dicho efecto consiste en la aparición de una diferencia de potencial transversal en un conductor o semiconductor, por el que circula corriente, cuando hay un campo magnético aplicado en dirección perpendicular a ésta. La tensión VH que se obtenga depende del grosor t del material utilizado en la dirección del campo magnético aplicado, de la corriente primaria I, del campo magnético aplicado B y de las propiedades eléctricas del material (densidad de carga y movilidad de los portadores) recogidas en el denominado coeficiente Hall AH. Dichos parámetros quedan relacionados con la siguiente ecuación: AH = VH t IB Ecuación 1.2 La aplicación de este principio a la medida de magnitudes físicas es muy simple, siempre y cuando la magnitud de interés provoque una variación del flujo magnético. La tensión Hall en la práctica depende de factores como la tensión mecánica o presión y la temperatura. La dependencia de la presión (efecto piezorresistivo) es un factor a ser considerado sobre todo por el fabricante al encapsular el componente, puesto que para el usuario es fácil adoptar precauciones al respecto. La temperatura por su parte tiene un efecto doble. Por una parte, afecta a la resistencia que presenta el elemento, por lo que si se alimenta a tensión constante la corriente de polarización variará con la temperatura, y con ella la tensión de salida VH (es por esta razón que es preferible alimentar a corriente constante que a tensión constante). Por otra parte, la temperatura afecta la movilidad de los portadores mayoritarios y, por tanto, a la sensibilidad. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 20 SENSORES CAPÍTULO I Frente a otros sensores sensibles a un campo magnético, los elementos Hall tienen la ventaja de que su salida es independiente de la velocidad de variación del campo detectado. En los sensores inductivos, cuando la velocidad de variación de flujo es lenta, la salida es muy pequeña. Comparados con los sensores basados en un emisor y detector óptico, los elementos Hall ofrecen las ventajas de ser inmunes a las condiciones ambientales (contaminación por polvo, humedad, vibraciones, etc.), y de tener características constantes. La ausencia de contactos (cuando se aplica a la detección de movimientos) les confiere mayor robustez que la que tienen los sensores que están sometidos a desgastes o a una fuente de interferencia por la presencia de arcos eléctricos. En la fabricación de los sensores Hall se emplean semiconductores, en vez de metales, porque al ser menor la conductividad, la tensión Hall es mayor. Además en los semiconductores la movilidad de los portadores se puede controlar mediante la adición de impurezas, y obtener así un coeficiente Hall repetible. Algunos materiales empleados son SbIn, AsIn, Ge, AsGe y Si, este ultimo permite incorporar en el mismo chip la electrónica de acondicionamiento de señal. Algunas aplicaciones de los sensores Hall son la medida de campos magnéticos (gaussímetros) o bien la medida de potencia eléctrica (vatímetros). También es posible medir la intensidad de una corriente eléctrica disponiendo del elemento Hall en el entrehierro de un toroide abierto en el que el paso de corriente crea un campo magnético proporcional [1.16]. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 21 SENSORES CAPÍTULO I 1.3.5 Sensores ópticos Este tipo de dispositivos son elementos fotosensores que convierten energía lumínica en energía eléctrica, es decir, absorben los fotones (luz) y generan una corriente eléctrica sobre un circuito exterior. Constan de un emisor y un receptor. La detección se realiza por reflexión, al devolver el objeto la luz recibida, o por barrera. Pueden detectar cualquier tipo de objetos o productos: sólidos o líquidos. Los tipos de montaje son, barrera, reflex y reflexión directa. Se pueden clasificar en directos (el receptor y el emisor están en el mismo cuerpo como es el caso de reflex y reflexión directa) y con fibras ópticas acopladas (receptor y emisor no están en el mismo cuerpo como es el caso del montaje de barrera). En ambos casos la luz es modulada por infrarrojos y por tanto es insensible a luces parásitas. La distancia de detección en el caso de los de reflexión puede variar según el calor y el grado de brillo de producto. Los principales elementos sensores de luz son las fotorresistencias o LDR y los dispositivos fotoconductores (fotodiodos y fototransistores). Sin embargo existen sensores ópticos que corresponden a otros campos por ejemplo los sensores de posición o los de proximidad. Los sensores ópticos utilizan principalmente tres componentes emisores, LED de luz roja (luz visible, óptima como ayuda de alineación y para el ajuste de sensor); LED infrarrojo (radiación invisible con elevada energía, menos susceptible a las interferencias producidas por la luz ambiental); láser de luz roja (luz visible, óptima para la detección de piezas pequeñas y elevados alcances debido a las propiedades físicas del láser). PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 22 SENSORES CAPÍTULO I Las fotorresistencias varían su resistencia dependiendo de la luz que inciden sobre ellas. Son de coeficiente de luz negativo, es decir la resistencia disminuye al aumentar la luz o viceversa. La ley de variación de la resistencia en función de la energía luminosa recibida es R=Ke-α Ecuación 1.3 donde k y α dependen del material que constituye la resistencia. La rapidez de respuesta de las LDR es escasa. El funcionamiento de los fotodiodos se basa en la conducción inversa de un diodo cuando éste se somete a la acción de la luz. Al aumentar la cantidad de luz incidente se incrementa la circulación de corriente inversa. Cuando no hay luz se comportan como un diodo normal. Los fototransistores funcionan de manera similar a la de un transistor normal en el que la corriente que se inyecta por la base del transistor ha sido suministrada por la luz. Todos estos sensores pueden detectar la luz visible y la infrarroja, directamente o son transmitidos a través de fibra óptica. Este tipo de sensores se caracterizan por ofrecer una mejor linealidad, por ser rápidos y presentar poco ruido, la desventaja es que necesitan amplificación [1.9, 1.17, 1.18]. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 23 SENSORES CAPÍTULO I 1.3.6 Sensores electroacústicos Existe un tipo de ondas llamadas ondas superficiales, debido a que sólo se propagan por las capas más superficiales de la Tierra, decreciendo su amplitud con la profundidad. Dentro de este tipo de ondas se pueden diferenciar dos modalidades, denominadas ondas Rayleigh y ondas Love en honor a los científicos que demostraron teóricamente su existencia. Las ondas Rayleigh se forman en la superficie de la Tierra y hacen que las partículas se desplacen según una trayectoria elíptica retrógrada. En cambio las ondas Love se originan en la interfase de dos medios con propiedades mecánicas diferentes; en este caso el movimiento de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación de la perturbación. Otro tipo de ondas son las Ondas Acústicas de Superficie (SAW) las cuales viajan a lo largo de la superficie de un material que tiene cierta elasticidad, con una amplitud que por lo general decae exponencialmente. Este tipo de ondas son comúnmente utilizadas en dispositivos (dispositivos SAW) que son utilizados en circuitos electrónicos. Estos dispositivos son empleados como filtros, osciladores y transformadores basados en la transducción de ondas acústicas. La conversión de energía eléctrica a energía mecánica (en forma de SAWs) es lograda gracias al uso de materiales piezoeléctricos. Los dispositivos electrónicos emplean las SAW normalmente utilizando uno o más transductores interdigitados para así convertir una onda acústica en una señal eléctrica. Los filtros SAW comúnmente son utilizados en los teléfonos celulares y proveen ventajas significativas en el funcionamiento, costo y tamaño sobre otras con diferentes tecnologías de filtro como cristales de cuarzo, filtros LC, entre otros. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 24 SENSORES CAPÍTULO I Los sensores SAW basan su principio de operación en velocidad de propagación de las ondas Rayleigh en piezoeléctrico debido a la presencia de una cantidad sobre la misma. En el caso de operar con detecciones de analitos disueltos en líquidos se opta por la configuración de ondas SH-SAW de oscilación horizontal confinadas en guías dieléctricas (Ondas Love transversales polarizadas) de superior sensibilidad. Los dispositivos SAW son estructuras que utilizan la modificación de la superficie de una masa depositada interdigitada cuya realización se hace sobre substratos piezoeléctricos para que las ondas acústicas superficiales puedan ser generadas mediante una excitación eléctrica. Se pueden utilizar como substratos o medio de soporte el silicio y éste no es un material piezoeléctrico, por lo que se requiere una capa adicional piezoeléctrica sobre el silicio para desarrollar los sensores SAW. Para ello pueden utilizarse diferentes materiales piezoeléctricos, tales como, CdS, AIN y en particular el ZnO. Por otra parte el AIN presenta las ventajas de que sus constantes piezoeléctricas tienen muy baja dependencia con la temperatura (como el cuarzo) y una velocidad de propagación de las ondas acústicas de hasta tres veces superior al cuarzo por lo que se incrementaría la sensibilidad de estos dispositivos. Son sensores que operan en frecuencias altas, barren el rango entre 100 y 500 MHz y aunque pueden llegar, incluso, hasta pocos GHz, tales frecuencias requieren un sofisticado diseño del circuito oscilador. Los transductores interdigitados (IDT) son los que se usan para excitar y detectar una onda acústica superficial sobre un substrato piezoeléctrico. Los sensores SAW son completamente pasivos en lo que respecta a su función, y están indicados para su uso en la identificación de objetos y la medición de la temperatura. Las ventajas específicas son la dependencia de la funcionalidad en condiciones de temperatura extremas (-100C a 400C) y su resistencia a los golpes o exposiciones a las radiaciones. Esto hace que sea interesante su uso en las aplicaciones en el campo del automóvil, industrias pesadas e industrias químicas. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 25 SENSORES CAPÍTULO I Debido a su elevada resistencia a los rayos gamma, los sensores SAW están indicados para uso médico o en las industrias farmacéuticas, como por ejemplo en los procesos de esterilización para la identificación de los contactos libres de los implantes médicos, materiales punzantes, instrumentos operativos, instrumentos quirúrgicos o almacenamiento de sangre. En lo que respecta a la política nuclear y energética, podrán suponer un aumento de los estándares de seguridad, en lo que se considera como una identificación consistente de los componentes o procesos de activación de las radiaciones. Algunos ejemplos de sensores acústicos son las galgas acústicas, las cuales, son dispositivos capaces de resonar a frecuencia de la banda audible (de ahí su nombre), funciona con un hilo de reluctancia variable y se utiliza comúnmente para medir deformaciones, por lo que mide variables como son la fuerza, masa y la longitud; también utiliza el principio del módulo de Young para hacer estas mediciones. También se encuentran los cilindros metálicos con paredes delgadas (75 µm) y un extremo ciego, la frecuencia de oscilación dependerá de las dimensiones y material del cilindro, y de cualquier masa que vibre con sus paredes. Utilizando un excitador electromagnético para mantener la oscilación, se puede medir la diferencia de presión entre las dos caras del cilindro, porque la diferencia de presiones entre ambos lados de las paredes produce una tensión mecánica, en éstas se puede medir la densidad de un gas porque el gas cerca de las paredes vibra al hacerlo éstas. Para líquidos corrosivos es mejor emplear un cilindro de vidrio o cerámico y el excitador piezoeléctrico, ya que los electromagnéticos no sirven. La aplicación más extendida de este método es, sin embargo, la medida continua de la densidad de líquidos. Otro ejemplo son los sensores resonantes de cuarzo, los cuales están basados en una frecuencia de oscilación alta, se basan en la variación que sufre ésta ante una deformación del cristal, para un elemento con electrodos metálicos depositados en dos de sus caras. La presencia de un circuito resonante permite emplear dicho elemento como base de un oscilador. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 26 SENSORES CAPÍTULO I Existen diversos tipos de sensores resonantes clasificándose según la variable física a medir, Termómetros Digitales de Cuarzo, microbalanzas de cuarzo, sensores de gas resonante y, sensores de fuerza y presión basados en resonadores de cuarzo [1.19, 1.20]. Ejemplos más comunes serían los micrófonos, sensores sísmicos, sensores de vibración de ultrasonidos, hidrófonos, entre otros. Cabe destacar que los sensores antes mencionados no son los únicos que existen en el campo, así como tampoco se limitan a que sólo se pueden utilizar para esos fines, puede haber combinación de ellos, es decir, que un mismo sensor puede ser utilizado en diferentes áreas para detectar diferentes magnitudes. 1.4 Señales Los sistemas de comunicación eléctrica son los que han tenido más éxito debido a que logran la mayor eficiencia al transmitir más información a mayores distancias. La base de estos sistemas son las señales eléctricas que, aunque generalmente dependen del tiempo, puede ocurrir que la variable independiente sea otra. Originalmente la mayoría de las señales que se deseaban transmitir de un lugar a otro eran de tiempo continuo; las aplicaciones de señales de tiempo discreto tuvieron sus orígenes en el análisis numérico, la estadística y el análisis de series temporales. Sin embargo la llegada de las computadoras las cuales ofrecieron mayores velocidades de procesamiento y el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de alta densidad, impulsaron la discretización y digitalización de las señales. Los datos a intercambiar dentro de una red siempre están disponibles en forma de señal digital. No obstante, para su transmisión podemos optar por la utilización de señales digitales o analógicas, así como también la forma de transmitirlas, ya sea por medio de cables o de forma inalámbrica. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 27 SENSORES CAPÍTULO I 1.4.1 Señal analógica Una señal analógica es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético y que es representable por una función matemática continua en la que es variable su amplitud y periodo en función del tiempo. En esta señal para cada variación suficientemente significativa del tiempo le corresponderá una variación igualmente significativa del valor de la señal. Toda señal variable en el tiempo, por complicada que ésta sea, se representa en el ámbito de sus valores (espectro) de frecuencia. De este modo, cualquier señal es susceptible de ser representada descompuesta en su frecuencia fundamental y sus armónicos. El proceso matemático que permite esta descomposición se denomina análisis de Fourier. La siguiente figura muestra la forma de onda de una señal analógica. ____ Sen (x) Magnitud 1 Tiempo -1 Figura 1.2 Onda de una señal analógica PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 28 SENSORES CAPÍTULO I Un ejemplo de señal analógica es la generada por un usuario en el micrófono de su teléfono y que después de sucesivos procesos, es recibida por otro abonado en el altavoz del suyo. Otras magnitudes físicas comúnmente portadoras de una señal de este tipo son eléctricas como la intensidad, la tensión y la potencia, pero también pueden ser hidráulicas como la presión, térmicas como la temperatura, etc. [1.21]. 1.4.2 Señal digital Una señal digital es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético en que cada signo que codifica el contenido de la misma, puede ser analizado en término de algunas magnitudes que representan valores discretos, en lugar de valores dentro de un cierto rango. Este tipo de señales presentan una variación discontinua con el tiempo y sólo puede tomar ciertos valores discretos. Su forma característica es ampliamente conocida: la señal básica es una onda cuadrada (pulsos) y las representaciones se realizan en el dominio del tiempo, sus parámetros son altura de pulso (nivel eléctrico), duración (ancho de pulso) y frecuencia de repetición (velocidad pulsos por segundo). La siguiente figura muestra la forma de onda de una señal digital. 2 1) nivel bajo 1 1 2) nivel alto 3) flanco de subida 4) flanco de bajada 3 4 3 4 Figura 1.3 Onda de una señal digital Los sistemas digitales usan lógica de dos estados representados por dos niveles de tensión eléctrica, uno alto, 1 (lógica positiva) y otro bajo, 0 (lógica negativa). Cabe mencionar que, además de los niveles, en una señal digital están las transiciones de alto a bajo y de bajo a alto, denominadas flanco de subida y de bajada, respectivamente. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 29 SENSORES CAPÍTULO I Las señales digitales no se producen en el mundo físico como tales, sino que son creadas por el hombre y tiene una técnica particular de tratamiento. La utilización de señales digitales para transmitir información se puede realizar de dos maneras. La primera, en función del número de estados distintos que pueda tener, si son dos los estados posibles, se dice que son binarias, si son tres, ternarias, si son cuatro, cuaternarias y así sucesivamente; los modos se representan por grupos de unos y de ceros, siendo por tanto, lo que se denomina el contenido lógico de información de la señal. La segunda posibilidad es en cuanto a su naturaleza eléctrica, una señal binaria se puede representar como la variación de una amplitud (nivel eléctrico) respecto al tiempo (ancho del pulso). Referido a un aparato o instrumento de medida, decimos que es digital cuando el resultado de la medida se representa en un visualizador mediante números (dígitos) en lugar de hacerlo mediante la posición de una aguja, o cualquier otro indicador, en una escala [1.22]. Comparando las señales analógicas con las señales digitales podemos decir que las primeras de ellas tienen algunas desventajas. La más popular de ellas es la interferencia. Una onda analógica puede ser alterada fácilmente por medio de otra onda de igual frecuencia, pero mayor potencia; esto se aprecia fácilmente con las radiodifusoras y receptores analógicos: un aparato mal sintonizado o la presencia de una emisión de radio más potente provocará que la señal que se esté recibiendo se pierda o sea por completo incomprensible. De hecho, las interferencias a una estación de radio no necesariamente tienen que partir de otra radiodifusora. Los aparatos eléctricos como hornos de microondas, licuadoras y motores diversos pueden generar campos magnéticos que invadan las frecuencias de radio y televisión. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 30 SENSORES CAPÍTULO I Las señales digitales tienen significativas ventajas, por ejemplo, se requiere de menos espacio de almacenamiento, ya que no se guarda toda la información, sino lo más aproximado numéricamente a la onda original, esto explica cómo es posible que en un medio tan pequeño como un DVD puedan registrarse igual o mayor cantidad de horas de video que en un videocasete VHS; otra ventaja es que lo digital es menos susceptible a interferencias o alteraciones, aunque no inmune a las mismas, de ahí que un CD registre el audio de manera mucho más fiel que un LP, donde las ondas almacenadas como surcos pueden distorsionarse por la más pequeña partícula de polvo. En materia de transmisiones, como televisión o radio, las tecnologías digitales poseen una calidad mejor de señal y soportan condiciones ambientales más adversas. En la siguiente tabla se hace una comparación de manera general. Tabla 1.2 Comparativa entre una señal analógica y una señal digital. Parámetro Analógico Digital Calidad de señal Baja a alta Alta Calidad vs atenuación de señal Sensible a tolerante Invariante Costo de transmisores Medio a alto Alto Costo de receptores Bajo a medio Medio a alto A veces o nunca Nunca requeridos requeridos Poca Alta Moderada a alta Alta Alta Aproximada Ajustes en el equipo receptor Capacidad de varios canales simultáneos Resistencia a ambientes adversos Fidelidad al origen PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 31 SENSORES CAPÍTULO I Otra diferencia fundamental entre lo analógico y digital involucra la capacidad del equipo reproductor o receptor para recuperar la señal original. En los medios analógicos, donde la onda es variable continuamente por naturaleza, puede requerirse a veces un ajuste en el equipo (desde orientar la "antena de conejo" hasta variar el tracking o velocidad de la cinta en una videocasetera). En lo digital, pueden incluirse números adicionales que correspondan a formas de verificar que la señal se está recuperando bien (proceso conocido como corrección de errores), sin que tenga que intervenir el usuario en los ajustes que sean necesarios [1.23]. 1.4.3 Señal inalámbrica Las señales inalámbricas son aquéllas que no necesitan un medio físico para propagarse, es decir que lo hacen a través del espacio por medio de ondas electromagnéticas. Las señales transmitidas pueden ser analógicas o digitales. Hoy en día este tipo de señales tiene una gama de aplicaciones bastante amplia, telefonía celular, radio, televisión, etc. y por esa razón es que hay ciertos protocolos que hay que respetar cuando se van a transmitir de forma inalámbrica, tal es el caso del protocolo IEEE 802. IEEE 802 es una especificación de estándares perteneciente al Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos que actúa sobre Redes de Ordenadores, concretamente y según su propia definición sobre redes de área local y redes de área metropolitana. El protocolo IEEE 802 se refiere a los estándares que proponen, o bien a los ya conocidos como Ethernet (IEEE 802.3), o Wi-Fi (IEEE 802.11), incluso está intentando estandarizar Bluetooth en el 802.15 [1.24]. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 32 SENSORES CAPÍTULO I REFERENCIAS 1.1 Definición de transductor, disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/Transductor, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.2 Definición de sensor, disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.3 Neil Sclater: Electronics Technology Handbook, Mc Graw Hill, pp. 318. 1.4 Introducción a los sistemas de medida, disponible en http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Tutorial/TECNO1.pdf, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.5 Ejemplo de características de un sensor térmico, disponible en http://www.ditecom.com/sensores/sugarcube.asp, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.6 Sensores térmicos, disponible en http://www.monografias.com/trabajos3/transductores/transductores.shtml, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.7 Neil Sclater: Electronics Technology Handbook, Mc Graw Hill, pp. 318 - 320. 1.8 Disponible en http://www.info-ab.uclm.es/labelec/Solar/Componentes/SPROXIMIDAD.htm, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.9 Disponible en http://www.juntadeandalucia.es/averroes/ies_sierra_magina/d_tecnologia/bajabl es/2%20bachillerato/TRANSDUCTORES,%20SENSORES%20Y%20CAPTAD ORES.pdf, último acceso hecho en septiembre 2009. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 33 SENSORES CAPÍTULO I 1.10 Disponible en http://intranet.frsfco.utn.edu.ar/gfiv/fisica_detras_de_las_cosas/transductores_d e_presion/transductores_de_presion_2.htm, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.11 Disponible en http://depa.pquim.unam.mx/amyd/archivero/Articulo_Sensores_y_Biosensores_ 2085.pdf, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.12 Nariz electrónica, disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/Nariz_electr%C3%B3nica, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.13 J. W. Gardner, K. C. Persuad: Electronic Noses And Olfaction 2000, IoP (Institute of Physics), Serie in Sensors, pp. 6, 7, 13 – 15. 1.14 Disponible en http://www.percepnet.com/cien10_02.htm, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.15 Disponible en http://www.clarin.com/diario/2005/06/24/conexiones/t-1001245.htm, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.16 Disponible en http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Tutorial/TECNO3.pdf, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.17 Dsiponible en http://www.ingelec.uns.edu.ar/lmeii2774/docs/LME2-NC01-SAD-Ap1transd.PDF, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.18 Disponible en http://www.nortecnica.com.ar/pdf/teoria_opticos_2_2.pdf, último acceso hecho en septiembre 2009. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 34 SENSORES CAPÍTULO I 1.19 Definición de onda SAW, disponible en http://en.wikipedia.org/wiki/Surface_acoustic_wave, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.20 Disponible en http://sensorautorresonantes.blogspot.com/2007/06/tipos.html, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.21 Señal analógica, disponible en http://www.mitecnologico.com/Main/Se%F1alesAnalogicasYDigitales, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.22 Disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/Digital_(se%C3%B1al), último acceso hecho en septiembre 2009. 1.23 Disponible en http://www.enterate.unam.mx/Articulos/2004/septiembre/analdigi.htm, último acceso hecho en septiembre 2009. 1.24 Protocolo IEEE 802, disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/IEEE_802, último acceso hecho en septiembre 2009. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 35 CAPÍTULO II PROCESADORES En realidad el término "procesador" es relativamente moderno. Generalmente se refiere a lo que en las grandes computadoras de antaño se conocía como Unidad Central de Procesamiento (CPU "Central Processing Unit"). Comenzó siendo del tamaño de un armario, posteriormente se redujo al de una gran caja, después se construyó en una placa de unas 15 x 15 pulgadas, y finalmente se construyó en un solo circuito integrado encapsulado en un "chip" que se inserta en una ranura de la placa-base. Sin embargo el termino procesador no se refiere solamente al CPU de una computadora [2.1]. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 36 PROCESADORES CAPÍTULO II 2.1 Definición de procesador El procesador, es un interpretador de instrucciones y como su nombre lo indica procesa datos contenidos en un programa determinado como puede ser un programa de computadora. En términos informáticos es considerado como el cerebro o corazón de un ordenador, ya que en él se ejecutan la mayoría de los cálculos, además de que es el que le otorga la característica fundamental, la programabilidad. En computadoras grandes, las CPUs requieren uno o más tableros de circuitos impresos. En las computadoras personales y estaciones de trabajo pequeñas, la CPU está contenida en un solo chip llamado microprocesador. Un microprocesador es un circuito integrado programable capaz de realizar todas las funciones de una computadora. Suelen usarse como unidad central de proceso en microcomputadoras y en otros aparatos electrónicos como cámaras fotográficas, teléfonos móviles e impresoras [2.2, 2.3]. 2.1.1 Características principales de un procesador Desde el punto de vista lógico y funcional, el microprocesador está compuesto básicamente por los siguientes componentes: Registros de almacenamiento. Son básicamente un tipo de memoria pequeña de alta velocidad y baja capacidad dentro del microprocesador para hacer accesibles los datos más utilizados. Hay varios grupos de registros en cada procesador, registro de datos, de memoria, de propósito general, de propósito específico, de punto flotante y constantes. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 37 PROCESADORES CAPÍTULO II Unidad Aritmético-Lógica (ALU Arithmetic-Logic Unit). Es un circuito digital que está encargado de calcular operaciones aritméticas (adición, substracción, etc.) y operaciones lógicas (OR, NOT, AND, XOR, etc.) entre dos números. Dentro de la ALU se encuentra un circuito operacional el cual toma los datos de los registros de entradas y efectúa las operaciones a través de un selector que sigue las instrucciones procedentes del secuenciador de la Unidad de Control; tres registros, un registro de entradas cuya función es almacenar los valores de los datos que necesita el circuito operacional, de acuerdo a las instrucciones del secuenciador de la Unidad de Control, también almacenan resultados intermedios; un registro de estados que almacena información secuencial sobre los estados de otros registros, para hacer posible la operación de los componentes secuenciales; y un registro acumulador el cual almacena resultados de las operaciones del circuito operacional y tiene conexión hacia los registros de entradas para las operaciones, y hacia el bus de datos para comunicarse con la memoria principal o RAM y con los periféricos. Unidad de Punto Flotante (FPU Floating point unit). También conocida como coprocesador matemático, aunque no todos los microprocesadores cuentan con una FPU algunas veces utilizan programas en microcódigo para emular la coma flotante a través de una ALU. La Unidad de Punto Flotante es un componente del microprocesador especializado en el cálculo de operaciones en coma flotante. Las operaciones básicas que toda FPU puede realizar son las aritméticas (suma y multiplicación), sin embargo algunos sistemas más complejos son capaces también de realizar cálculos trigonométricos o exponenciales. Esta parte esta considerada como una parte "lógica" junto con los registros, la unidad de control, memoria y bus de datos. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 38 PROCESADORES CAPÍTULO II Unidad de Control (CU Control Unit). La Unidad de control es la encargada de activar o desactivar los diversos componentes del microprocesador en función de la instrucción que el microprocesador esté ejecutando y en función también de la etapa de dicha instrucción que se esté ejecutando. La unidad de control interpreta y ejecuta (descodifica) las instrucciones almacenadas en la memoria principal y genera las señales de control necesarias para ejecutarlas. Unidad de ejecución. Efectúa operaciones ordenadas por el programa generalmente en forma segmentada, incluye su propia unidad de control, de secuencia, sus propios registros y algunas partes como sub-ALU y unidad de punto flotante. Memoria. Es el lugar donde el microprocesador encuentra sus instrucciones de programa y sus datos. La función esencial de la memoria es proporcionar un espacio de trabajo para el microprocesador. Memoria caché. Es una memoria volátil ultrarrápida que emplea el microprocesador para tener a la mano ciertos datos o instrucciones que predeciblemente serán utilizados en las siguientes operaciones sin tener que acudir a la memoria RAM reduciendo el tiempo de espera, por lo que para el rendimiento del microprocesador es imprescindible que este acceso sea lo más rápido y fluido posible. La ubicación de la caché entre el microprocesador y la RAM, hace que sea suficientemente rápida para almacenar y transmitir los datos que el microprocesador necesita recibir casi instantáneamente. La rapidez de la memoria caché es de unas 5 ó 6 veces más que la DRAM (RAM dinámica), por eso su capacidad es mucho menor y su precio es elevado, comparado con el de la memoria principal dinámica para la misma cantidad de memoria. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 39 PROCESADORES CAPÍTULO II Existen 3 tipos de memoria caché, sin embargo en la actualidad sólo se usan dos, caché de primer nivel (L1) y caché de segundo nivel (L2), la caché L1 está integrada en el núcleo del microprocesador, trabajando a la misma velocidad que este, la cantidad de memoria varía estando normalmente entra los 32KB y los 256KB, ésta memoria suele a su vez estar dividida en dos partes dedicadas, una para instrucciones y otra para datos; mientras que la caché L2 no se encuentra en el núcleo, tiene las mismas ventajas que la caché L1, aunque es algo más lenta que ésta y suele ser mayor de 256KB y pudiendo incluso superar los 2MB, a diferencia de la caché L1, ésta no está dividida, y su utilización está más encaminada a programas que al sistema. Bus de datos. Determina la capacidad para transmitir datos, y esto se traduce en una mayor ó menor velocidad de operación del sistema. Por ejemplo: Si se requieren 8 bits para representar un dato, un microprocesador con bus de datos de 8 bits sólo puede transmitir un dato a la vez, mientras que uno de 16 bits podrá transmitir 2 datos y uno de 32 bits podrá transmitir 4 datos a la vez. Bus de direcciones. El tamaño del bus de direcciones determina el número total de localidades de memoria a las que el microprocesador puede tener acceso, es decir, determina la máxima capacidad de memoria que el circuito puede manejar. Por ejemplo: Con un bus de direcciones de 1 bit, sólo podría tener acceso a 2 localidades, mientras que con un bus de 3 bits se puede tener acceso a 23 = 8 localidades de memoria. Frecuencia de operación. Esta frecuencia está controlada generalmente por la frecuencia de un reloj externo. Este puede ser cualquier sistema que produzca una oscilación (osciladores, multivibradores, cristales, etc.) de frecuencia constante. La frecuencia del reloj debe ser un múltiplo entero de la frecuencia del microprocesador, para que éste pueda operar con un número de ciclos completos del reloj. Puertos. Son las vías a través de las cuales el microprocesador se comunica con el mundo externo [2.1, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8]. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 40 PROCESADORES CAPÍTULO II 2.1.2 Procesadores para propósitos especiales Existen diferentes tipos de microprocesadores para propósitos especiales como lo son el DSP, GPU y los microcontroladores. Un DSP (Digital Signal Processor) es un sistema basado en un procesador o microprocesador que posee un juego de instrucciones, un hardware y un software optimizados para aplicaciones que requieran operaciones numéricas a muy alta velocidad. Debido a esto es especialmente útil para el procesado y representación de señales analógicas en tiempo real: en un sistema que trabaje de esta forma (tiempo real) se reciben muestras normalmente provenientes de un conversor analógico/digital. Si se tiene en cuenta que un DSP puede trabajar con varios datos en paralelo y un diseño e instrucciones específicas para el procesado digital, se puede dar una idea de su enorme potencial para este tipo de aplicaciones. Estas características constituyen la principal diferencia de un DSP y otros tipos de procesadores [2.9]. Una GPU (Graphics Processing Unit) es un procesador dedicado exclusivamente al procesamiento de gráficos, para aligerar la carga de trabajo del procesador central en aplicaciones como los videojuegos y/o aplicaciones 3D interactivas. De esta forma, mientras gran parte de lo relacionado con los gráficos se procesa en la GPU, la CPU puede dedicarse a otro tipo de cálculos (como la inteligencia artificial o los cálculos mecánicos en el caso de los videojuegos) [2.10]. Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y Unidades de entrada y salida, es decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 41 PROCESADORES CAPÍTULO II 2.2 Microcontroladores Debido a la evolución de la electrónica casi todos los dispositivos que abundan en nuestra vida diaria son controlados por microcontroladores, incluyendo casi cualquier dispositivo que tenemos en casa como puede ser la TV, VCR’s, lavadoras, secadoras, teléfonos, videojuegos, automóviles, etc. Podemos asegurar que sin los microprocesadores nuestras vidas podrían volverse imposibles ya que nuestras actividades diarias y todo dispositivo utilizado a diario hace uso de ellos. 2.2.1 Definición de microcontrolador Los microcontroladores son computadores digitales integrados en un chip que cuentan con un microprocesador (CPU), una memoria para almacenar el programa, una memoria para almacenar datos y, puertos de entrada y de salida. A diferencia de los microprocesadores de propósito general, como los que se usan en las computadoras PC, los microcontroladores son unidades autosuficientes y más económicas. El funcionamiento de los microcontroladores está determinado por el programa almacenado en su memoria. Este puede escribirse en distintos leguajes de programación. Además, la mayoría de los microcontroladores actuales pueden reprogramarse repetidas veces. Por las características mencionadas y su alta flexibilidad, los microcontroladores son ampliamente utilizados como el cerebro de una gran variedad de sistemas que controlan máquinas, componentes de sistemas complejos, como aplicaciones industriales de automatización y robótica, domótica, equipos médicos, sistemas aeroespaciales y otros dispositivos de la vida diaria [2.11]. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 42 PROCESADORES CAPÍTULO II 2.2.2 Arquitectura de los Microcontroladores Esquemáticamente hablando los principales componentes de los Microcontroladores se muestran en la siguiente figura. ROM Entradas I/O Generador de reloj interno o externo RAM CPU Salidas I/O CLK GND +5 V Figura 2.1 Componentes elementales de una microcontroladora Unidad Central de Procesamiento. Es el elemento más importante del microcontrolador, se encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir el código OP de la instrucción en curso, decodificarlo y ejecutarlo, también realiza la búsqueda de los operandos y almacena el resultado. Típicamente son de 8 bits, pero también las hay de 4, 32 y hasta 64 bits con arquitectura Harvard 1 , o arquitectura de Von Neumann 2 , también llamada arquitectura Princeton [2.12]. Memoria de Programa. Es la memoria de instrucciones, aquí es donde se almacena el programa o código que el microcontrolador debe ejecutar. No se pueden utilizar memorias externas de ampliación, sin embargo no sólo hay un tipo de memoria de programa, puede ser una memoria ROM (Read-Only Memory) la cual sólo se puede leer y no se borra al estar apagada; una memoria EPROM (Erasable & Programable ROM) que está formada por celdas de transistores de puerta flotante, cuya carga es nula para poder así ser programadas con voltajes superiores a los utilizados en circuitos electrónicos, una vez programada esta memoria puede ser borrada, pero únicamente al 1 La Arquitectura Harvard se refiere a la arquitectura de computadoras que utilizan dispositivos de almacenamiento físicamente separados para las instrucciones y para los datos. 2 La arquitectura de Von Neumann es una familia de arquitecturas de computadoras que utilizan el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 43 PROCESADORES CAPÍTULO II exponer su ventana transparente a la luz ultravioleta; una memoria OTPROM (One Time Programable ROM) la cual se programa sólo una vez y por lo tanto no admite el borrado, su bajo costo las hacen idóneas para productos finales; una memoria EEPROM (Electrically Erasable & Programable ROM) para desarrollar una aplicación donde los datos no se alteren a pesar de quitar la alimentación, es un tipo de memoria ROM que se puede programar o borrar eléctricamente sin necesidad de circuitos especiales, esta memoria sustituye a las memorias EPROM si se trata de fabricación de pequeñas cantidades en donde el costo no es lo importante; o una memoria Flash que almacena el código del programa que típicamente puede ser de 1KB a varios MB, posee las mismas características que la EEPROM, pero ésta tiene menor consumo de energía y mayor capacidad de almacenamiento, por ello está sustituyendo a la memoria EEPROM. Memoria de Datos. Los datos que manejan los programas varían continuamente, y esto exige que la memoria que los contiene deba ser de lectura y escritura, es decir una memoria RAM (Random Access Memory), la cual almacena datos y programas mientras se encuentra encendida. Existen dos tipos de memorias RAM, la SRAM (Static Random Access Memory) y la DRAM (Dynamic Random Access Memory) ambas son volátiles, es decir, que al cortar el suministro de corriente se pierden los datos almacenados, pero la SRAM es muy cara y más grande, sin embargo es la que más se utiliza debido a que es más rápida y no necesita señales de refresco para que no pierda su contenido. Hay microcontroladores que disponen como memoria de datos una de lectura y una escritura no volátil, del tipo EEPROM. De esta forma, un corte en el suministro de la alimentación no ocasiona la pérdida de la información, que está disponible al reiniciarse el programa [2.13]. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 44 PROCESADORES CAPÍTULO II Generador del Reloj. Usualmente es un cristal de cuarzo que genera una señal oscilatoria de entre 1 a 40 MHz, aunque también pueden utilizarse los osciladores con resistencia y condensador (RC), cristal de alta velocidad (HS) o bien, un cristal para baja frecuencia y bajo consumo de potencia (LP). El objetivo de este generador es el indicarle indica al microcontrolador a qué velocidad es a la que tiene que trabajar, por lo tanto es de vital importancia para el buen funcionamiento del sistema. Interfaz de Entrada/Salida. Un aspecto de especial interés para el desarrollador de circuitos basados en microcontroladores son las interfaces de entrada/salida. A través de los pines del chip asociados a las interfaces de entrada/salida el microcontrolador puede interactuar con otros circuitos externos enviándoles señales de comando o recibiendo estímulos correspondientes a variables externas. Por lo general varios pines de datos son bidireccionales, es decir pueden configurarse como entradas o salidas. Cuando son entradas, pueden adquirir datos interpretando el valor de voltaje como un valor lógico 0 o 1, mientras que cuando son salidas pueden entregar una señal binaria de voltaje cuya magnitud dependerá del valor lógico 0 o 1. Monitoreando el valor de las entradas, el microcontrolador puede responder a eventos externos y realizar una cierta acción, como variar las señales de salida de acuerdo al valor en las entradas. Dentro de los puertos más importantes se encuentran los puertos paralelos, seriales (UARTs, Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), I2C (Inter-Integrated Circuit), Interfaces de Periféricos Seriales (SPIs, Serial Peripheral Interfaces), Red de Área de Controladores (CAN, Controller Area Network), USB (Universal Serial Bus). PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 45 PROCESADORES CAPÍTULO II Otras opciones. Conversores A/D (Análogo-Digitales) para convertir un nivel de voltaje en un cierto pin a un valor digital manipulable por el programa del microcontrolador, esto en caso de que se requiera medir señales analógicas, por ejemplo temperatura, voltaje, luminosidad, etc.; moduladores por Ancho de Pulso PWM (Pulse-Width Modulation) para generar ondas cuadradas de frecuencia fija pero con ancho de pulso modificable [2.12]. 2.2.3 Proceso de Desarrollo El proceso de desarrollo de una aplicación basada en microcontroladores se compone de las siguientes etapas principales. Desarrollo de software. compilación/ensamblaje del Esta etapa programa corresponde a que las regirá la escritura acciones y del microcontrolador y los sistemas periféricos conectados a éste. Existen distintas maneras de desarrollar el programa, dependiendo del lenguaje inicial que se utiliza para escribir el programa. Puede ser a través de dos lenguajes, lenguaje Assembly3 o lenguaje de alto nivel. El método básico es escribir el programa en lenguaje Assembly en un archivo de texto con extensión .asm y luego utilizar un programa ensamblador (Assembler) para generar un archivo en lenguaje de máquina, también denominado código de máquina o código objeto, compuesto por instrucciones en código binario que son directamente entendidas por la CPU del microcontrolador. El programa ensamblador normalmente genera un archivo con extensión .hex (por hexadecimal), .obj (por objeto), .bin (por binario), o .coff (common object file format) dependiendo del ensamblador. 3 Assembly es el lenguaje y Assembler es la herramienta de software que traduce el código Assembly a lenguaje de máquina. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 46 PROCESADORES CAPÍTULO II El lenguaje Assembly se compone de instrucciones mnemónicas de bajo nivel, es decir que están ligadas a las características del microcontrolador y con un número mínimo o nulo de abstracciones. Al carecer de abstracciones, el lenguaje Assembly es más difícil de emplear, requiere experiencia y un mayor tiempo de desarrollo. La ventaja es que el código de máquina generado a partir de un programa escrito en lenguaje de máquina es por lo general más eficiente, ya que el programa se desarrolla en un nivel cercano a las características del hardware. Otra alternativa es emplear un lenguaje de alto nivel con una mayor cantidad de abstracciones, la cuales son más fáciles de usar y reducen los tiempos de desarrollo. Tal vez los lenguajes de alto nivel más comunes para la programación de controladores es el C y C++, pero también existen otros lenguajes variantes del BASIC y el Pascal. Una vez escrito el programa en el lenguaje de alto nivel, será necesario emplear un compilador para traducirlo, ya sea a lenguaje Assembly o directamente a lenguaje de máquina. Es importante considerar que el código de Ensamblador generado por los compiladores tiende a ser más largo e ineficiente que aquel directamente desarrollado en lenguaje de Ensamblador. Esta desventaja puede ser crítica en ciertas aplicaciones que requieren unos programas compactos y de una alta velocidad de ejecución. Un vez que el compilador ha generado el código de Ensamblador (.asm), será necesario utilizar un programa Assembler para generar el código binario de máquina. Programación del microcontrolador. En esta etapa el código de máquina correspondiente al programa desarrollado en la etapa anterior se descarga en la memoria del microcontrolador. Para ello se procede a utilizar un programa en el PC que toma el código de Ensamblador para el microcontrolador específico, y lo envía mediante algún puerto (serial, paralelo, USB, etc.) a un dispositivo que lo escribe en la memoria del microcontrolador. Se acostumbra denominar programador tanto al software como al hardware involucrados para este propósito, lo cual puede prestarse a confusión. El software programador a PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 47 PROCESADORES CAPÍTULO II veces recibe también el nombre de downloader, ya que su propósito es descargar o transferir desde el PC al microcontrolador el código de Ensamblado. Es importante mencionar que no deben confundirse los términos desarrollo o programación del software y programación del microcontrolador, el primero se refiere a escribir el programa, mientras que el segundo se refiere transferir el código de máquina a la memoria del microcontrolador. Para responder a eventos externos, los microcontroladores cuentan con un recurso conocido como interrupciones. Las interrupciones son señales que se generan internamente en el microcontrolador que detienen la ejecución normal del programa para ejecutar alguna subrutina de respuesta al evento. Una vez ejecutada la subrutina de interrupción la ejecución del programa continúa en el punto en que se encontraba antes de generarse la interrupción. Un ejemplo típico es el de un botón pulsador conectado a un pin de entrada, una vez pulsado, se genera una señal de interrupción que iniciará la ejecución de la subrutina de interrupción, que por ejemplo podría activar un pin de salida para encender un LED. No todas las interrupciones necesariamente están asociadas al cambio del estado de los pines de entrada. También hay interrupciones que pueden estar asociadas al valor de una entrada A/D, o al cumplimiento de un periodo de tiempo fijado por un temporizador. Estas características dependerán del modelo de microcontrolador empleado. Prueba y verificación. Por último, el microcontrolador debe conectarse al circuito base y someterse a pruebas para verificar el funcionamiento correcto del programa. Existen herramientas de software que permiten simular el comportamiento de un microcontrolador, muy útiles cuando el programa alcanza cierta complejidad. Para resolver problemas en un circuito real, el instrumento más utilizado es el analizador lógico [2.12]. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 48 PROCESADORES CAPÍTULO II En el mercado hay una gran variedad de modelos y marcas de microcontroladores. Para la parte experimental de este proyecto de tesis se utiliza una microcontroladora de la marca Renesas, de 16 bits, con 48KB de ROM, 2KB de RAM, una memoria del tipo Flash, con frecuencia de operación de 2MHz a 10MHz, un voltaje de operación de 1.8V a 2.7V y de 2.7V a 3.6V. Dicha microcontroladora se encuentra disponible en el laboratorio de electrónica de la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica y es muy usada para sistemas de control en tiempo real. Cabe destacar que dicha microcontroladora no es la mejor ni la única para realizar las tareas para las que será utilizada. El software que se utiliza para programa esta microcontroladora es el High-Performance Embedded Workshop, con programación en lenguaje C y con una gran variedad de bibliotecas. A lo largo de esta tesis se irá haciendo referencia a esta microcontroladora. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 49 PROCESADORES CAPÍTULO II REFERENCIAS 2.1 Procesadores, disponible en http://www.maestrosdelweb.com/principiantes/historia-de-losmicroprocesadores/, último acceso hecho en septiembre 2009. 2.2 Definición de Procesador, disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/CPU, último acceso hecho en septiembre 2009. 2.3 Definición y características de un Procesador, disponible en http://colaboracion.uv.mx/areatecnica/JESUSG/digital/Diapositivas%20y%20not as%20de%20clase/Microprocesadores.pdf, último acceso hecho en septiembre 2009. 2.4 Características de los procesadores, disponible en http://www.monografias.com/trabajos11/micro/micro.shtml, último acceso hecho en septiembre 2009. 2.5 Características de los procesadores, disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/Unidad_aritm%C3%A9tico-l%C3%B3gica, último acceso hecho en septiembre 2009. 2.6 Características de los procesadores, disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/FPU, último acceso hecho en septiembre 2009. 2.7 Características de los procesadores, disponible en http://www.monografias.com/trabajos37/memoria-cache/memoria-cache.shtml, último acceso hecho en septiembre 2009. 2.8 Características de los procesadores, disponible en http://www.configurarequipos.com/doc585.html, último acceso hecho en septiembre 2009. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 50 PROCESADORES CAPÍTULO II 2.9 Definición de DSP, disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/Procesador_digital_de_se%C3%B1al, último acceso hecho en septiembre 2009. 2.10 Definición de GPU, disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/GPU, último acceso hecho en septiembre 2009. 2.11 Definición de Microcontrolador, disponible en http://www2.ing.puc.cl/~mtorrest/downloads/pic/tutorial_pic.pdf, último acceso hecho en septiembre 2009. 2.12 Microcontroladores, disponible en http://r-luis.xbot.es/pic1/pic01.html, último acceso hecho en septiembre 2009. 2.13 Paul Horowitz, Winfield Hill, The Arto f Electronics, Cambridge, pp. 812 – 820. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 51 CAPÍTULO III COMUNICACIÓN INALÁMBRICA Actualmente las transmisiones inalámbricas constituyen una eficaz y poderosa herramienta que permite la transferencia de datos, audio y video, sin la necesidad de utilizar cables para establecer la conexión. Esta transferencia de información se logra a través de la emisión de ondas, permitiendo así tener dos grandes ventajas: la movilidad y flexibilidad del sistema en general. La transmisión y recepción se llevan a cabo por medio de antenas. Hay dos configuraciones para la emisión y recepción en este tipo de comunicación: direccional y omnidireccional. En la configuración direccional, toda la energía se concentra en un haz que es emitido en una cierta dirección, por lo que tanto el emisor como el receptor deben estar alineados. En la omnidireccional, en cambio, la energía se dispersa en múltiples direcciones, por lo que varias antenas pueden captarla. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 52 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III Cuanto mayor es la frecuencia de la señal a transmitir, más factible es la transmisión unidireccional. Por tanto, para enlaces punto a punto se suelen utilizar microondas (altas frecuencias de 2GHz hasta 40GHz). Para enlaces con varios receptores posibles se utilizan las ondas de radio (bajas frecuencias de 30MHz hasta 1GHz). Los infrarrojos se utilizan para transmisiones a muy corta distancia, en una misma habitación, (con un rango de 3x1011 hasta 2x1014 MHz). 3.1 Ondas La comunicación inalámbrica se realiza a través de la modulación de ondas ya que éstas se propagan por el espacio sin un medio físico que comunique cada uno de los extremos de la transmisión. De acuerdo el tipo de ondas se determina el tipo de antenas, la distancia máxima que pueden transmitir los datos efectivamente, y el tipo de configuración, entre otros parámetros. Microondas terrestres. Las microondas terrestres suelen utilizar antenas parabólicas (3 m de diámetro), las cuales deben estar fijas rígidamente y estar alineadas con la antena receptora. Para conexiones a larga distancia, se utilizan conexiones intermedias punto a punto entre antenas parabólicas. Se suelen utilizar en sustitución del cable coaxial o las fibras ópticas ya que se necesitan menos repetidores y amplificadores. Este tipo de ondas se utilizan para transmisión de televisión y voz. La principal causa de pérdidas es la atenuación 4 debido a que las pérdidas aumentan con el cuadrado de la distancia (con cable coaxial y par trenzado son logarítmicas). La atenuación aumenta con las lluvias. Las interferencias son otro inconveniente de las microondas ya que al proliferar estos sistemas, puede haber más obstrucción de señales. 4 La atenuación se da cuando la energía de una señal se reduce en el momento de la transmisión pero aumenta cuando sube la frecuencia o se aumenta la distancia. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 53 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III Microondas por satélite. Un satélite de comunicaciones es esencialmente una estación que retransmite microondas. El satélite recibe las señales de una banda de frecuencia, las amplifica o repite y posteriormente las retransmite en otra banda de frecuencia en la dirección adecuada. Para mantener la alineación del satélite con los receptores y emisores de la tierra, el satélite debe ser geoestacionario (permanece inmóvil sobre un determinado punto de la tierra). Este sistema suele ser utilizado para la difusión de televisión, transmisión telefónica a larga distancia o bien redes privadas. El rango de frecuencias para la recepción del satélite debe ser diferente del rango al que éste emite, esto con el fin de que no haya interferencias entre las señales que ascienden y las que descienden, ya que la señal tarda un pequeño intervalo de tiempo desde que sale del emisor en la Tierra hasta que es devuelta al receptor o receptores. Ondas de Radio. Las ondas de radio son ondas electromagnéticas de menor frecuencia (y por ello mayor longitud de onda), menor energía que las del espectro visible y se propagan en línea recta en varias direcciones al mismo tiempo. Se generan alimentando una antena con una corriente alterna y no necesitan de antenas parabólicas ni tampoco que las antenas estén fijas rígidamente. En vacío las ondas de radio se propagan a 3x108 m/s, pero en cualquier otro medio la señal se vuelve más débil, esto debido a las interferencias por multitrayectorias, por lo que cuando una onda de radio se topa con un obstáculo, parte de su energía se absorbe y se convierte en otro tipo de energía, mientras que otra parte se atenúa y sigue propagándose. Es posible que otra parte se refleje. Las ondas de radio tienen muchas aplicaciones que incluyen la televisión y emisiones de radio FM y AM, comunicaciones militares, teléfonos celulares, radioaficionados, redes inalámbricas de computadoras, y otras numerosas aplicaciones de comunicaciones. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 54 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III La mayoría de las ondas de radio pasan libremente a través de la atmósfera de la Tierra. Sin embargo, algunas frecuencias pueden ser reflejadas o absorbidas por las partículas cargadas de la ionosfera. Las diferencias entre las ondas de radio y las microondas son que las microondas son unidireccionales mientras que las ondas de radio omnidireccionales, y que las microondas son más sensibles a la atenuación producida por la lluvia. Las ondas de radio al poder reflejarse en el mar u otros objetos, pueden hacer aparecer múltiples señales "hermanas". Infrarrojos. Los infrarrojos se encuentran limitados por el espacio y los obstáculos, el hecho de que la longitud de onda de los rayos infrarrojos sea tan pequeña hace que no pueda propagarse de la misma forma en que lo hacen las señales de radio. Los emisores y receptores de infrarrojos deben estar alineados o bien estar en línea tras la posible reflexión de rayo en superficies como las paredes. Las transmisiones infrarrojas a diferencia de las de radio, no se producen a frecuencias bajas, donde el espectro está más limitado, y por tanto no se tiene que restringir su ancho de banda a las frecuencias libres. En infrarrojos no existen problemas de seguridad ni de interferencias ya que estos rayos no pueden atravesar los objetos. Tampoco es necesario permiso para su utilización (en microondas y ondas de radio si es necesario un permiso para asignar una frecuencia de uso) [3.1, 3.2]. 3.2 Protocolos de comunicación Los protocolos son un tipo de reglas a cumplir por los dispositivos que desean comunicarse. En una manera más coloquial de explicarlo los protocolos son como un idioma, es decir, los dispositivos deben aprender la gramática, la sintaxis y todas las reglas del idioma para poder comunicarse con otro dispositivo que habla ese idioma de una manera óptima y satisfactoria. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 55 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III Los protocolos de comunicaciones definen las reglas para la transmisión y recepción de la información entre los componentes de un sistema, de modo que para que dos puntos se puedan comunicar es necesario que ambos empleen la misma configuración de protocolos. Las características típicas que contienen éstos protocolos son: 1. Detección de la conexión física sobre la que se realiza la conexión (cableada o inalámbrica). 2. Los pasos necesarios para comenzar a comunicarse. 3. La negociación de las características de la conexión. 4. Cómo se inicia y cómo termina un mensaje. 5. El formato de los mensajes. 6. Qué hacer con los mensajes erróneos o corruptos (corrección de errores) 7. Cómo detectar la pérdida inesperada de la conexión, y qué hacer en ese caso. 8. Terminación de la sesión de conexión. 9. Estrategias para asegurar la seguridad (autenticación, cifrado). 10. La velocidad de transmisión de datos expresada en bps (bits por segundo) o en octetos Bps (Bytes por segundo) Estos protocolos generalmente están divididos en dos capas, las cuales a su vez se dividen en niveles. La primera capa está destinada al transporte de datos y consta de tres niveles (nivel físico, de enlace de datos y de red); la segunda capa es para aplicaciones y tiene cuatro niveles (nivel de transporte, de sesión, de presentación y de aplicación). Los protocolos implantados en sistemas de comunicación con un amplio impacto, suelen convertirse en estándares, debido a que la comunicación e intercambio de información (datos) es un factor fundamental en numerosos sistemas, y para asegurar tal comunicación se vuelve necesario copiar el diseño y funcionamiento a partir del ejemplo pre-existente. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 56 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III Existen organizaciones que tienen como propósito precisamente el de proponer recomendaciones de estándares que se deben respetar para asegurar la interoperabilidad de los productos [3.3]. 3.2.1 IEEE 802 Como se mencionó en el capítulo I, la IEEE 802 es una especificación de estándares perteneciente al Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos que actúa sobre redes de computadoras, concretamente, y, según su propia definición, sobre redes de área local y redes de área metropolitana. De una manera más particular podemos hablar de la IEEE 802.15.4 la cual es un estándar que define el nivel físico y el control de acceso al medio de redes inalámbricas de área personal con tasas bajas de transmisión de datos (Low-Rate Wireless Personal Area Network, LR-WPAN). Este estándar también es considerado como la base sobre la que se define la especificación de ZigBee, cuyo propósito es ofrecer una solución completa para este tipo de redes construyendo los niveles superiores de la pila de protocolos que el estándar no cubre. 3.2.1.1 IEEE 802.15.4 El propósito del estándar 802.15.4 es definir los niveles de red básicos para dar servicio a un tipo específico de WPAN centrada en la habilitación de comunicación entre dispositivos ubicuos con bajo costo y velocidad. Se enfatiza el bajo costo de comunicación con puntos cercanos y sin infraestructura o con muy poca, para favorecer aún más el bajo consumo. La característica fundamental de 802.15.4 entre las WPAN's es la obtención de costos de fabricación excepcionalmente bajos por medio de la sencillez tecnológica, sin perjuicio de la generalidad o la adaptabilidad. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 57 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III Entre los aspectos más importantes se encuentra la adecuación de su uso para tiempo real por medio de segmentos de tiempo garantizados, evasión de colisiones por CSMA/CA5 y soporte integrado a las comunicaciones seguras. También se incluyen funciones de control del consumo de energía como calidad del enlace y detección de energía [3.4]. 3.2.2 ZigBee ZigBee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica para su utilización con radios digitales de bajo consumo, esta especificación está basada en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área personal. Su objetivo son las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías. ZigBee es muy similar al Bluetooth. Bluetooth es una especificación industrial para WPANs, un protocolo de comunicaciones diseñado especialmente para dispositivos de bajo consumo, con una cobertura baja, basado en transceptores de bajo costo y, globalmente libre (2,4 GHz). 5 (Carrier Sense, Multiple Access, Collision Avoidance) Protocolo de control de redes de bajo nivel que permite que múltiples estaciones utilicen un mismo medio de transmisión. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 58 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III Las principales diferencias entre éstas dos especificaciones se enumeran a continuación. 1. Una red ZigBee puede constar de un máximo de 65535 puntos distribuidos en subredes de 255 elementos, frente a los 8 máximos de una subred Bluetooth. 2. Tiene un menor consumo eléctrico que el de Bluetooth. En términos exactos, ZigBee tiene un consumo de 30mA transmitiendo y de 3µA en reposo, frente a los 40mA transmitiendo y 200µA en reposo que tiene el Bluetooth. Este menor consumo se debe a que el sistema ZigBee se queda la mayor parte del tiempo dormido, mientras que en una comunicación Bluetooth esto no se puede dar, y siempre se está transmitiendo y/o recibiendo. 3. ZigBee tiene una velocidad de hasta 250 kbps, mientras que en Bluetooth es de hasta 1 Mbps. 4. Debido a las velocidades de cada uno, uno es más apropiado que el otro para ciertas cosas. Por ejemplo, mientras que el Bluetooth se usa para aplicaciones como los teléfonos móviles, PDAs, cámaras digitales y la informática casera, la velocidad del ZigBee se hace insuficiente para estas tareas, desviándolo a usos tales como la Domótica, los productos dependientes de la batería, los sensores médicos, y en artículos de juguetería, en los cuales la transferencia de datos es menor. El ámbito donde se prevé que esta tecnología cobre más fuerza es en domótica, la razón de ello son diversas características que lo diferencian de otras tecnologías como lo es su bajo consumo, la topología de red en malla y su fácil integración ya que se pueden fabricar componentes con muy poca electrónica [3.5]. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 59 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III Sin embargo, la razón más importante de lo antes mencionado, es que se entienda el por qué se utiliza ZigBee cuando se habla de sensores. En principio, existen diversos ámbitos en los que se hace el uso de sensores, medicina, juguetería, monitorización de variables fisiológicas o ambientales, prevención de incendios, ciencia, industria y una infinidad más de aplicaciones. La razón de ello, es porque ZigBee permite el ahorro de energía (los sistemas que trabajan o funcionan bajo este protocolo pueden cambiar a un estado de bajo consumo de energía cuando no se están usando) y la maximización de la vida útil de sus baterías (lo cual permite que los sensores se dejen por largo tiempo sin reposición de batería); la variedad en cuanto su topología, estática, dinámica, estrella o malla, (ya que si se trata de una red de sensores sus puntos de sensado se encuentran en constante movimiento); la gran disponibilidad de puntos de sensado dentro de un sistema y la seguridad de conexión entre dispositivos, a pesar de que este tipo de sistemas son más baratos y de construcción más sencilla. 3.3 Proceso de comunicación Como se ha mencionado la comunicación inalámbrica se puede realizar a través de la modulación de ondas, estas ondas pueden estar a altas o bajas frecuencias y dependiendo del tipo de onda que se maneje, también será la manera en que se realice el proceso de comunicación. La comunicación inalámbrica (en la forma de microondas y enlace de satélites) es usada para transferir voz y datos a larga distancia, permitiendo no solo rebasar obstáculos físicos sino que son capaces de comunicar continentes enteros alcanzando así distancias sumamente grandes. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 60 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III 3.3.1 Comunicación vía microondas Básicamente un enlace vía microondas consiste de tres componentes fundamentales: 1. El transmisor 2. El receptor 3. El canal aéreo El transmisor es el responsable de modular una señal digital a la frecuencia utilizada para transmitir, El canal aéreo representa un camino abierto entre el transmisor y el receptor, siendo este último el encargado de capturar la señal transmitida y llevarla de nuevo a señal digital. El factor limitante de la propagación de la señal en enlaces con microondas es la distancia que se debe cubrir entre el transmisor y el receptor, sobre todo considerando que las microondas viajan en una línea recta. Por ende, si las torres están demasiado separadas, la Tierra estará en el camino (ya que el planeta es redondo), por consiguiente, se necesitan repetidoras periódicamente para amplificar y redirigir la señal. Mientras más altas sean las torres, más distantes pueden estar, ya que la distancia entre las repetidoras sube muy bruscamente con la raíz cuadrada de la altura de la torre. Esta distancia se puede aumentar aún más si se aprovecha a la curvatura de la tierra haciendo refractar las microondas en la atmósfera terrestre. A diferencia de las ondas a bajas frecuencias, las microondas no atraviesan bien los edificios. Más aún, aunque el haz del transmisor esté bien enfocado, hay todavía alguna divergencia en el espacio. Algunas ondas pueden refractarse por capas atmosféricas bajas y pueden tomar ligeramente más tiempo en llegar que las ondas directas. Las ondas retrasadas pueden llegar fuera de fase con la onda directa y por lo tanto atenuar o incluso cancelar la señal [3.6]. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 61 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III 3.3.2 Comunicación vía Satélite Básicamente las transmisiones satelitales son iguales a las de microondas excepto que uno de los extremos de la conexión se encuentra en el espacio. Como se había mencionado, un factor limitante para la comunicación de microondas es que tiene que existir una línea recta entre los dos puntos, pero como la tierra es esférica esta línea se ve limitada en tamaño, entonces colocando sea el receptor o el transmisor en el espacio se cubre un área más grande de superficie. Los satélites de comunicación están frecuentemente ubicados en lo que llamamos Orbitas Geoestacionarias, lo que significa que el satélite girará alrededor de la tierra a la misma velocidad en que esta rota lo que lo hace parecer inmóvil desde la tierra. Una ventaja de esto es que el satélite siempre está a la disposición para su uso. Sin embargo deben estar separados los unos de los otros para evitar interferencias, por lo que el número de posiciones geoestacionarias disponible no es infinito. Un satélite no puede retransmitir una señal a la misma frecuencia a la que es recibida, si esto sucediera el satélite interferiría con la señal de la estación terrestre, por esto el satélite tiene que convertir la señal recibida de una frecuencia a otra antes de retransmitirla; para hacer esto se utilizan los llamados transponders 6 . Existen satélites que se encargan de regenerar la señal recibida antes de retransmitirla, pero éstos sólo pueden ser utilizados para señales digitales, mientras que los satélites que no lo hacen pueden trabajar con ambos tipos de señales (analógicas y digitales). Esencialmente, un sistema satelital consiste de tres secciones básicas: una subida, un transponder satelital y una bajada. 6 Término en inglés que no tiene traducción al español. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 62 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III Modelo de subida. El principal componente dentro de la sección de subida satelital, es el transmisor de estación terrena. Un típico transmisor de la estación terrena consiste de un modulador de IF (Frecuencia Intermedia), un convertidor de microondas de IF a RF, un Amplificador de Alta Potencia (HPA High Power Amplifier) y algún medio para limitar la banda del último espectro de salida (por ejemplo, un filtro pasa-bandas BPF Band Pass Filter). El modulador de IF convierte las señales de banda base de entrada a una frecuencia intermedia modulada en FM, en PSK Phase-shift keying (Modulación por Desplazamiento de Fase) o en QAM Quadrature Amplitude Modulation (Modulación de Amplitud en Cuadratura). El convertidor (mezclador y filtro pasa-bandas) convierte la IF a una frecuencia de portadora de RF apropiada. El HPA proporciona una sensibilidad de entrada adecuada y potencia de salida para propagar la señal al transponder del satélite. Transponder. Un típico transponder satelital consta de un dispositivo para limitar la banda de entrada, un amplificador de bajo ruido de entrada (LNA Low Noise Amplifier), un traslador de frecuencias, un amplificador de potencia de bajo nivel y un filtro pasa-bandas de salida. Este transponder es un repetidor de RF a RF. Otras configuraciones de transponder son los repetidores de IF, y de banda base, semejantes a los que se usan en los repetidores de microondas. Modelo de bajada. Un receptor de estación terrena incluye un BPF de entrada, un LNA y un convertidor de RF a IF. Nuevamente, el BPF limita la potencia del ruido de entrada al LNA. El LNA es un dispositivo altamente sensible, con poco ruido, tal como un amplificador de diodo túnel o un amplificador paramétrico. El convertidor de RF a IF es una combinación de filtro mezclador /pasa-bandas que convierte la señal de RF recibida a una frecuencia de IF. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 63 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III Enlaces cruzados. Ocasionalmente, hay aplicaciones en donde es necesaria la comunicación entre satélites. Esto se realiza usando enlaces cruzados entre satélites o enlaces intersatelitales. Una desventaja de usar un enlace intersatelital es que la transmisión y la recepción se efectúan ambas en el espacio. Consecuentemente la potencia de salida del transmisor y la sensibilidad de entrada del receptor se limitan. Una manera sencilla de diferenciar los diversos sistemas de satélites es por la altura a la que se encuentran. También es un factor clave para determinar cuántos satélites necesita un sistema para conseguir una cobertura mundial y la potencia que debe tener. Dado cierto ancho de haz de la antena del satélite, el área de cobertura del mismo será mucho menor estando en una órbita de poca altura que estando en otra de mayor altura. Sin embargo, la potencia necesaria para emitir desde una órbita baja es muy inferior a la necesitada en casos de mayor altura de la órbita. Existen 3 tipo de altitudes: GEO (Geostationary Earth Orbit), MEO (Medium Earth Orbit) y LEO (Low Eartht Orbit). Los satélites GEO orbitan a 35 848 kilómetros sobre el ecuador terrestre. A esta altitud, el periodo de rotación del satélite es exactamente 24 horas. La mayoría de los satélites actuales son GEO debido a que precisan menos satélites para cubrir la totalidad de la superficie terrestre. Sin embargo sufren de un retraso de 0.24 segundos, debido a la distancia que debe recorrer la señal desde la tierra al satélite y del satélite a la tierra. Los satélites MEO se encuentran a una altura de entre 10 075 y 20 150 kilómetros. A diferencia de los GEO, su posición relativa respecto a la superficie no es fija. Al estar a menor altitud, se necesita un número mayor de satélites para obtener cobertura mundial, pero el retraso se reduce substancialmente. En la actualidad no existen muchos satélites MEO, y se utilizan para posicionamiento. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 64 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III Los satélites LEO orbitan generalmente por debajo de los 5 035 kilómetros, y la mayoría de ellos se encuentran mucho más abajo, entre los 600 y los 1 600 kilómetros. A tan baja altura, el retraso adquiere valores casi despreciables de unas pocas centésimas de segundo. [3.7] 3.3.3 Comunicación vía ondas de radio La razón principal por la que se emplean ondas de radio es que no precisan alambres o dispositivos especiales para, una vez emitidas, viajar hasta su destino. En muchas ocasiones emplear otros métodos puede ser económica o técnicamente imposible o poco viable. Por esa razón una de las propiedades más importantes de las ondas de radio es el mecanismo con que se trasladan. No sólo es que no requieran de cables o tuberías lo que las hace tan útiles, sino el que no precisen de absolutamente nada para trasladarse, ni siquiera un "éter". Esto no implica que puedan moverse o propagarse a través de cualquier sustancia (en general no pueden hacerlo dentro de los conductores ya que sufren atenuación dentro de los sólidos) o que puedan llegar hasta donde deseemos; tienen limitaciones y leyes que gobiernan su comportamiento, sin embargo las limitaciones son incomparablemente pequeñas respecto de sus posibilidades. La onda de radio puede atravesar diferentes medios (sustancias) o encontrarse con obstáculos y como resultado de ello sufrir importantes cambios de dirección e intensidad en el proceso. La propagación de las ondas dependerá del ambiente por el que viajan, pero también dependerá mucho de su longitud de onda. Por este medio, una señal puede viajar por todo el globo terrestre reflejándose repetidamente entre alguna de esas regiones y la superficie terrestre. Esas capas reflectoras reciben el nombre de ionósfera porque en ella existen cargas eléctricas llamadas iones responsables del proceso de reflexión. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 65 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III Las condiciones físicas y eléctricas de la ionósfera que posibilitan las comunicaciones a grandes distancias están estrechamente relacionadas con las emisiones de energía del Sol, especialmente la radiación ultravioleta. La variable más importante en el proceso es la misma rotación de la tierra, que hace que la región ionosférica accesible a las estaciones que intentan enlazar, esté expuesta sucesivamente a los rayos solares y a la sombra de la tierra, a medida que ella gira. Usualmente las ondas llegarán al receptor por varios caminos simultáneamente, dando lugar a señales cuya intensidad se refuerza o desvanece más o menos rápidamente con el tiempo (desde fracciones de segundo hasta varios minutos), esto, que sucede permanentemente, se conoce como desvanecimiento (fading). El mismo fenómeno no sólo hace que la señal varíe en intensidad sino que puede producir una distorsión capaz de hacer ininteligible la comunicación. No hay una sola manera en que las ondas de radio alcancen su destino una vez que abandonan su fuente. Cómo lo hagan, dependerá fundamentalmente de la frecuencia y del medio por el cual deben propagarse. Los modos de propagación más comunes son: por onda directa, por onda superficial, por ondas reflejadas, por difracción en bordes, por onda espacial y por onda ionosférica. Propagación por onda directa. La señal va del trasmisor al receptor por un camino directo sin obstrucciones ni reflexiones de importancia. Es el tipo de propagación que en general encontramos en una señal de VHF (Very High Frequency), UHF (Ultra High Frequency) y SHF (Super High Frequency), pues las altas frecuencias se ven menos afectadas por los fenómenos atmosféricos, además de que se puede generar un haz de ondas muy dirigido, lo que evita que la información llegue a lugares no deseados, garantizando así un relativo secreto en las comunicaciones. Este tipo de propagación se da en televisión y en radio FM, así como en las comunicaciones de la policía, bomberos, ambulancias, empresas privadas, comunicación con naves espaciales, etc. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 66 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III Propagación por onda superficial o terrestre7. La onda de superficie es una que se mantiene adyacente a la superficie de la tierra siguiendo su curvatura por un proceso de difracción. Tendrá polarización vertical a partir de una corta distancia del trasmisor pues cualquier componente del campo eléctrico horizontal es rápidamente absorbida por la tierra (que actúa como un cortocircuito). Para aprovechar de este tipo de propagación conviene emplear antenas de polarización vertical. Es la forma habitual por la cual se reciben las señales de las emisoras de radiodifusión de onda media (550 a 1750 KHz) durante las horas del día. Este tipo de propagación es especialmente efectivo en el mar tanto en frecuencias medias (MF, Medium Frequency) como en frecuencias elevadas (HF, High Frequency). El efecto se aprovecha mejor cuando las antenas emiten con ángulos bajos de radiación. Antenas de cuarto o media onda montadas a nivel del suelo son excelentes para este cometido. Ellas permiten lograr comunicados en las frecuencias más bajas cuando los corresponsales quedan en "zona de salto"8. Propagación por ondas reflejadas en objetos materiales. Este tipo de propagación es típico de las frecuencias más elevadas. Las señales se reflejan en superficies que pueden considerarse "lisas" para la longitud de onda considerada pudiendo alcanzar lugares que podrían estar ocultos para las señales directas. Propagación por difracción en bordes. La difracción es un fenómeno observable en los sistemas físicos en los que intervienen ondas, por el cual las mismas, cuando encuentran un obstáculo, pueden rodearlo parcialmente. Las olas en los lagos o el mar también producen estos efectos. 7 A veces se utiliza este término para designar también a las señales que no utilizan la ionosfera para propagarse entre dos estaciones con sus antenas cercanas a la superficie terrestre. 8 La zona de salto o "zona de skip" es un área alrededor del trasmisor que no es alcanzada por la onda ionosférica, la espacial o la terrestre, por lo tanto en ella no se reciben las señales del trasmisor. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 67 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III Mediante la difracción, las señales de VHF o UHF pueden "doblarse" hacia abajo en los bordes de los edificios para que algo de la señal alcance una avenida con suficiente intensidad como para hacer posible el contacto. Del mismo modo en las cimas de los cerros puede producirse una difracción que permite a la señal alcanzar el valle que se encuentra más adelante. Propagación por onda espacial o por línea visual. Si las antenas se encuentran elevadas sobre el terreno, la señal puede propagarse sin necesidad de la onda terrestre aunque siguen haciéndolo por la baja atmósfera. La onda espacial esta compuesta habitualmente por dos rayos: uno directo entre la antena trasmisora y la receptora y otro reflejado en tierra que partiendo simultáneamente de la antena trasmisora, se refleja en la tierra y llega a la antena receptora con cierto retraso. La onda espacial es el modo fundamental de propagación en las frecuencias superiores a los 30 MHz. También es responsable de parte de la señal trasmitida en los comunicados a corta distancia en todo el espectro de HF. Propagación por onda ionosférica o celeste. Se sabe que en las regiones superiores de la atmósfera se producen los fenómenos más importantes relacionados con la propagación de señales a largas distancias por medios naturales, allí se establecen nubes de electrones libres bastante estratificadas producidas principalmente por la radiación ultravioleta del Sol. Esas zonas tienen la capacidad de "reflejar" de nuevo hacia la tierra las ondas de radio que inciden sobre ellas haciendo posible comunicaciones alrededor del globo a pesar de su esfericidad. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 68 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III En la ionosfera se producen cambios y variaciones que afectan a la propagación, estos cambios están relacionados de un modo u otro con el Sol ya sea por su posición relativa o su conducta propia. Algunos son regulares o cíclicos y pueden predecirse con relativa seguridad, otros en cambio son repentinos e imprevistos y provocan alteraciones importantes en la propagación de las señales [3.8]. 3.3.4 Comunicación vía infrarrojo Este tipo de tecnología permite la transmisión de datos de alta velocidad empleando señales ópticas que se propagan por el espacio libre. En este sentido, estos enlaces ópticos se asemejan a los sistemas de fibra óptica. La principal diferencia es que en un sistema de comunicaciones ópticas convencional, la salida del transmisor óptico (láser o LED) se enfoca en el interior de una fibra óptica, mientras que en el caso del infrarrojo la salida se radia a través del aire hasta la unidad receptora empleando un haz muy estrecho. El rango de frecuencias en el que operan estos sistemas se encuentra en torno a los 200 THz, lo cual se corresponde con longitudes de onda de 1 micrómetro. Así pues, un enlace de infrarrojos está compuesto por un par de transceptores unidos por medio de sendos haces láser, lo que da como resultado un enlace de comunicaciones bidireccional y balanceado (mismo ancho de banda en ambos sentidos de transmisión). En general, los sistemas infrarrojos se pueden clasificar de acuerdo a dos criterios. El primero es el grado de direccionalidad del transmisor y del receptor, así podemos encontrar enlaces dirigidos y enlaces no dirigidos. Los enlaces dirigidos emplean transmisores y receptores altamente direccionales, los cuales deben apuntar uno al otro o hacia un área común (generalmente en el techo) para establecer el enlace. Mientras que, en los enlaces no dirigidos se emplean transmisores y receptores de gran ángulo, PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 69 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III disminuyendo así la necesidad de tal apuntamiento. En los enlaces directos se maximiza la eficiencia de potencia, ya que ésta se dirige en un rango muy pequeño de direcciones, y por lo mismo se minimizan las pérdidas de propagación y la recepción de ruido causado por la luz ambiental. Al ser mínima la necesidad de guiarlo, en un enlace no dirigido se facilita su reconfiguración. Es posible establecer enlaces híbridos, en los cuales, se combinan transmisores y receptores con diferente grado de direccionalidad [3.9]. El segundo criterio de clasificación está relacionado con la existencia o no de una línea de vista entre el transmisor y el receptor. Existen tres tipos de sistemas, el punto a punto, el casi difuso y el difuso. En el modo punto a punto, el tipo de emisión por parte del transmisor se hace de forma direccional. Por ello, las estaciones deben verse directamente, para poder dirigir el haz de luz directamente de una hacia la otra. Por este motivo, este es el tipo de red inalámbrica más limitado, pues a todos los inconvenientes de las comunicaciones infrarrojas hay que unir el hecho de tener que colocar las estaciones enfrentadas. Este método se suele usar en redes inalámbricas Token Ring, donde el anillo está formado por una unión de enlaces punto a punto entre las distintas estaciones, conformando cada uno de los segmentos. En el modo casi-difuso, el tipo de emisión es radial (la emisión se produce en todas direcciones). Para conseguir esto, lo que se hace es transmitir hacia distintas superficies reflectantes, las cuales redirigirán el haz de luz hacia la(s) estación(es) receptora(s). De esta forma, se rompe la limitación impuesta en el modo punto a punto de la direccionalidad del enlace. En función de cómo sea esta superficie reflectante, podemos distinguir dos tipos de reflexión: pasiva y activa. En la reflexión pasiva, la superficie reflectante simplemente refleja la señal, debido a las cualidades reflexivas del material. En la reflexión activa, por el contrario, el medio reflectante no sólo refleja la señal, sino que además la amplifica. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 70 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III Cabe destacar que, mientras la reflexión pasiva es más flexible y barata, requiere de una mayor potencia de emisión por parte de las estaciones, debido al hecho de no contar con etapa repetidora. El modo de emisión difuso, se diferencia del casi-difuso en que debe ser capaz de abarcar, mediante múltiples reflexiones, todo el perímetro en el cual se encuentran las estaciones. Obviamente, esto requiere una potencia de emisión mayor que los dos modos anteriores, puesto que el número de rebotes incide directamente en el camino recorrido por la señal y las pérdidas aumentan [3.10]. Aunque los sistemas infrarrojos son inmunes al ruido e interferencias de tipo radioeléctrico estos sufren de degradaciones causadas por el ruido infrarrojo existente en ambientes exteriores e interiores, proveniente principalmente del Sol y de fuentes de luz fluorescente e incandescente, es decir, las señales de infrarrojos se atenúan al propagarse a través de la atmósfera, así como también el haz láser a menudo se ensancha, se desenfoca o puede cambiar de dirección. Estos efectos dependen principalmente de la longitud de onda, de la potencia de salida y de las condiciones de la atmósfera. Cuando la potencia es baja, el enlace se comporta de forma lineal y los efectos predominantes son absorción, dispersión y turbulencia atmosférica. En cambio, cuando la potencia es elevada aparecen nuevos efectos no lineales. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 71 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III A continuación se enumeran los distintos fenómenos que puede sufrir la señal infrarroja durante la propagación: Absorción atmosférica. Las moléculas de H2O y de CO2 que componen la atmósfera (dependiendo de las condiciones meteorológicas, de la altitud o de la localización geográfica, varía la concentración de estas moléculas) absorben energía, la convierten en energía interna y posteriormente ésta es emitida por el infrarrojo, lo cual introduce atenuación sobre las señales. La atmósfera reduce así la observación espacial a ciertas bandas concretas del espectro, llamadas ventanas atmosféricas. Dispersión atmosférica. La dispersión atmosférica se produce cuando el haz láser se intersecta por el camino con diminutos obstáculos que dispersan la energía en distintas direcciones fuera de la línea de visión directa con el receptor. Los efectos que se producen dependen en gran medida del tamaño de los obstáculos. Las gotas de agua presentes en las nubes, la niebla, la lluvia o la nieve quedan mejor modeladas por medio de la teoría de la difracción. Pero sin lugar a dudas, el efecto más perjudicial para un enlace de infrarrojos es la niebla. Centelleo atmosférico. Este fenómeno surge debido a la diferencia de temperatura entre la Tierra y el aire que provoca un intercambio de calor. Dado que el índice de refracción del aire cambia con la temperatura, el intercambio de calor causa variaciones locales del índice de refracción que conducen al desenfoque o a la curvatura del haz láser [3.11]. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 72 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III REFERENCIAS 3.1 Transmisiones inalámbricas, disponible en http://www.mailxmail.com/curso/informatica/redes-transmicion-datos1/capitulo6.htm, último acceso hecho en septiembre 2009. 3.2 Transmisiones inalámbricas, disponible en http://www.uazuay.edu.ec/estudios/sistemas/teleproceso/apuntes_1/transmisio ni.htm, último acceso hecho en septiembre 2009. 3.3 Protocolos de comunicación, disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/Protocolo_de_red, último acceso hecho en septiembre 2009. 3.4 Protocolo IEEE802.15.4, disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.15.4, último acceso hecho en septiembre 2009. 3.5 Definición de ZigBee, disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee, último acceso hecho en septiembre 2009. 3.6 Comunicación vía microondas, disponible en http://www.monografias.com/trabajos12/comsat/comsat.shtml, último acceso hecho en septiembre 2009. 3.7 Disponible en http://www.geocities.com/Yosemite/7363/sate.htm, último acceso hecho en septiembre 2009. 3.8 Disponible en http://www002Esolred.com.ar/lu6etj/tecnicos/handbook/propagacion/propagacio n.htm, último acceso hecho en septiembre 2009. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 73 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CAPÍTULO III 3.9 Disponible en http://www.izt.uam.mx/contactos/n47ne/infra.pdf, último acceso hecho en septiembre 2009. 3.10 Disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/Enlace_infrarrojo, último acceso hecho en septiembre 2009. 3.11 Disponible en http://www.radioptica.com/Fibra/fso.asp?pag=2, último acceso hecho en septiembre 2009. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 74 CAPÍTULO IV RED INALÁMBRICA Una red inalámbrica, es, como su nombre lo indica, una red en la que dos o más terminales se pueden comunicar sin la necesidad de una conexión por cable. Con este tipo de redes, un elemento puede mantenerse dentro de la misma aún cuando se desplace dentro de una determinada área geográfica. Sabemos que las redes inalámbricas se basan en un enlace que utiliza ondas electromagnéticas en lugar de cableado estándar, por este motivo hay muchas tecnologías diferentes de acuerdo a la frecuencia de transmisión que utilizan, al alcance que se obtiene y a la velocidad de sus transmisiones. Por otra parte también existen distintos modos de conexión en los que puede operar una red inalámbrica, de los cuales los dos principales se mencionan a continuación. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 75 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV 4.1 Modos de conexión El estándar 802.11 (protocolo para las conexiones inalámbricas de WLANs que utilizan ondas electromagnéticas) ofrece dos posibles modos de operación de las redes inalámbricas: el modo ad-hoc y el modo de infraestructura. 4.1.1 Ad-Hoc Es el modo de operación más simple de una red inalámbrica, también se conoce como modo independiente y actúa como una red punto a punto entre un conjunto de equipos con adaptadores inalámbricos. No existen puntos de acceso ni ningún tipo de equipo que dé soporte a la red en sí. En este modo de operación, la información viaja directamente entre el emisor y receptor sin pasar por ningún otro equipo. Este es el modo más fácil, rápido y barato de establecer una red inalámbrica, pero presenta la enorme desventaja de que los equipos deben estar dentro del área de cobertura de los demás para comunicarse con ellos, por lo que sólo es aconsejable para redes con pocos equipos y próximos entre ellos. 4.1.2 Infraestructura En este modo, cada equipo envía su información a un punto de acceso, que la hace llegar al destino adecuado. La presencia de los puntos de acceso eleva el costo de inversión necesario para instalar la red, pero ofrece numerosos beneficios gracias a sus capacidades. Los puntos de acceso permiten aumentar la cobertura de la red esto se debe a que los equipos se comunican con él y no directamente entre sí, y por su condición de equipos fijos ubicados en zonas estratégicas y con antenas de más calidad, ofrecen una mayor cobertura y mejor fiabilidad del enlace. Además, existe la posibilidad de instalar varios puntos de acceso que actúen como repetidores para cubrir así áreas mayores [4.1]. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 76 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV 4.2 Red inalámbrica de sensores Una red de sensores es un conjunto de nodos que se encuentran distribuidos en una región particular y que están equipados con sensores, los cuales son capaces de recoger todo tipo de datos (temperatura, humedad, movimiento, posición, etc.) y transmitirlos sin cables de forma eficiente, barata y en tiempo real, permitiendo que se formen redes del tipo ad-hoc sin infraestructura física preestablecida ni administración central, o bien redes más complejas haciendo uso del modo infraestructura. Los retos que involucra una red inalámbrica de sensores son el tipo de arquitectura, la diseminación y recolección de información, las técnicas adoptadas por los nodos sensores para la localización y aumentar la eficiencia en el consumo de energía. Este último es un factor primario que limita la vida útil de la red [4.2]. 4.3 Red inteligente de Sensores Los continuos avances en materia de hardware y redes inalámbricas han situado al mundo a las puertas de una nueva era en la que pequeños dispositivos inalámbricos proporcionarán acceso a la información en cualquier momento y en cualquier lugar, dando lugar a lo que se ha llamado computación ubicua. Asimismo, dichos dispositivos participarán activamente en la creación de los llamados ambientes inteligentes, en los que las redes inalámbricas de sensores inteligentes, jugarán un papel fundamental para la percepción, captación y distribución de la información obtenida a partir de un fenómeno ambiental. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 77 RED INALÁMBRICA Los sensores CAPÍTULO IV y las redes inalámbricas de sensores, pueden efectivamente ser un puente entre el mundo físico y los sistemas de computación ubicua, por lo que ambos son la infraestructura fundamental para este tipo de sistemas. Hay una gran variedad de elementos que son críticos para la computación ubicua incluyendo dispositivos portátiles o fijos, y durables [4.3]. 4.3.1 Características de una red inteligente de sensores A continuación se mencionan las características más importantes de las redes inteligentes de sensores. Topología Dinámica. En una red de sensores, la topología debe ser flexible para poder soportar los cambios que permitan a los sensores adaptarse para poder comunicar nuevos datos adquiridos. No se requiere infraestructura de red. Una red de sensores 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, es posible combinar esta característica con el uso de infraestructura para lograr una mayor cobertura de la red. 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, es decir, la falla de un sensor no debe de afectar el funcionamiento de la red; si un nodo falla, se deben formar nuevos enlaces y rutas para la colección de datos de la estación base. Esto puede requerir ajustes en la potencia de transmisión y las tasas de señalización en los enlaces existentes para reducir el consumo de energía o reenrutar los paquetes hacia regiones de la red con mayor disponibilidad de energía. Por lo tanto, se requieren múltiples niveles de redundancia para la tolerancia a fallas. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 78 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV Idealmente, un sensor inteligente debe ser también capaz de compensar en forma automática los errores causados por diferentes condiciones como pueden ser los cambios en el ambiente, el envejecimiento de los componentes, las variaciones en la respuesta debidas a la disminución de los niveles de energía, entre otras. Consumo energético. Es uno de los factores más sensibles debido a que las redes 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 con la misma característica; a esto hay que agregar un software que también conjugue esta característica haciendo el consumo aún más restrictivo. Por otra parte, estos nodos sensores no siempre pueden ser recargados periódicamente, ya que algunas veces las circunstancias de ubicación lo hacen difícil o algunas veces hasta imposible. Es por eso que cuando se trata de dispositivos autónomos se recurre al empleo de la “cosecha” o captura de energía (energy harvesting), la cual consiste en que a partir de fuentes externas (energía solar, térmica, eólica, cinética, etc.) se obtenga energía eléctrica, se capture y se almacene, pudiendo lograr así que el nodo sensor utilice esta energía cuando la requiera y no tenga que esperar a la recarga manual, pudiendo operar indefinidamente. Costos de producción. Dado que una red se beneficia al utilizar un número elevado de sensores, ya que de esta forma se pueden obtener datos con fiabilidad, es importante que los nodos sensores una vez definida su aplicación, sean económicos y por lo tanto deben ser fabricados a gran escala [4.4]. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 79 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV 4.3.2 Componentes de una red inteligente de sensores Se sabe que un sensor es un dispositivo que convierte un fenómeno físico en una señal eléctrica. Para recolectar la información digitalizada de estas señales, los sistemas de computación obicua lo hacen por medio de unidades colectoras de información llamadas nodos sensores. Los nodos sensores generalmente comprenden cuatro unidades: un sensor, un procesador, un transceptor y una fuente de energía. Antes de hablar de los nodos sensores, hablaremos de los sensores y su clasificación, pero ahora bajo otra perspectiva, la de los sistemas ubicuos. Se estima que en el mundo hay una gran variedad de sensores, ya que son una parte integral de la moderna vida humana y son muy usados en diferentes campos. Sabemos que los sensores pueden ser clasificados de acuerdo a distintos criterios, sin embargo la siguiente clasificación está enfocada a los sensores que se utilizan dentro de las redes inteligentes de sensores. Hay tres maneras de clasificarlos, basándose en el objeto a sensar, en el modo de sensado y en los datos sensados. La siguiente tabla muestra los diferentes tipos. Tabla 4.1 Clasificación de sensores de acuerdo a la función que desempeñan dentro de las redes inteligentes de sensores PARÁMETRO TIPO DE SENSORES Sensores ambientales Objeto a sensar Sensores fisiológicos Sensores de información Sensores activos Modo de sensado Sensores pasivos Sensores con tamaño estándar de los datos Datos sensados Sensores con gran tamaño de los datos PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 80 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV Los sensores que se basan en el objeto que sensan son de tres tipos. 1. Sensores ambientales. Este tipo de sensores pueden detectar una extensa variedad de condiciones ambientales como por ejemplo temperatura, humedad, presión atmosférica. En general, estos sensores sólo requieren de una baja tasa de muestreo. Los datos recogidos por un sensor ambiental son pocos y se pueden transmitir, procesar y almacenar con bajo costo. 2. Sensores fisiológicos. En los modernos sistemas de salud se utiliza una gran variedad de sensores fisiológicos (sensores de ritmo cardiaco, de presión arterial, de respiración, por mencionar algunos). También se utilizan en la identificación de huellas dactilares, de la palma de la mano y en los dispositivos de reconocimiento facial. La frecuencia de muestreo de estos sensores es determinada por el mismo fenómeno. Esto significa que la cantidad de datos recolectados por un sensor fisiológico puede ser estable, salvo quizá en una situación de emergencia, por ejemplo, un ataque al corazón, ya que es cuando se requiere que un sensor reúna una mayor cantidad de datos. En general, la cantidad de datos generados por un sensor fisiológico es poca y puede ser fácilmente manipulada. 3. Sensores de información. Estos sensores reúnen información digital relevante o almacenada en objetos de detección, tales como inductores de tarjeta IC, lectores RFID (Radio Frequency IDentification), o los receptores GPS. Los sensores de información permiten que los sistemas de computación obicua recolecten rápida y fácilmente información digital reconocible y accesible. El volumen de datos generados por un sensor de información está determinado por la aplicación específica y puede variar de una aplicación a otra. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 81 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV Los sensores basados en el modo de sensado pueden ser de dos tipos, esto dependiendo si su detección es activa o pasiva. 1. Sensores activos. Algunos sensores como los de efecto Doppler, lectores RFID9 e inductores de tarjeta IC activan primero un medio de detección y posteriormente capturan la información de esas señales. Por ejemplo un lector RFID primero crea alrededor él un campo magnético variable, el cual excita de cerca al RFID. El RFID excitado emite señales y el lector recolecta y almacena los datos. Los sistemas de computación obicua que utilizan sensores con detección activa, pueden controlar el proceso de la emisión de la señal del sensor. 2. Sensores pasivos. Un sensor puede ser pasivo en el sentido de que por lo general están cerca o en el sitio donde el fenómeno es detectado, pero no emite señales del mismo. Las propiedades físicas hacen que el sensor produzca señales electrónicas, las cuales se convierten en información digital y después se transmiten a la unidad de procesamiento. 9 RFID es un sistema de almacenamiento y recuperación de datos remoto que usa dispositivos denominados etiquetas, o tags RFID. El propósito fundamental es transmitir la identidad de un objeto (similar a un número de serie único) mediante ondas de radio. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 82 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV De acuerdo al tamaño de los datos sensados los sensores son de dos tipos. 1. Sensores con tamaño estándar de los datos. En cada muestra, la mayoría de los sensores generan datos con un tamaño industrial estándar (8 bits, 10 bits, 12 bits o 16 bits) los cuales son bastante pequeños y pueden ser transmitidos fácilmente en redes alámbricas o inalámbricas. Los sistemas de computación obicua pueden recopilar los datos con un costo de comunicación bajo usando un procesamiento de red simple. 2. Sensores con gran tamaño de los datos. Si un sensor recopila una serie de muestras en tiempo real, puede reunir grandes cantidades de datos. Un ejemplo sería un sensor de video, el cual se encuentra continuamente generando y transmitiendo imágenes digitalizadas. El transmitir, procesar y almacenar este tipo de datos puede ser muy caro. Los sistemas de computación obicua no sólo requieren de recursos suficientes, sino que también un buen diseño en el procesamiento de red para hacer más eficiente y efectivo el uso de estos recursos. Tradicionalmente, los sensores eran grandes y costosos, sin embargo los avances en la tecnología de sistemas electromecánicos, redes de comunicación y dispositivos digitales, han permitido que dentro de un pequeñísimo dispositivo electrónico, se integre el sensado, procesamiento, comunicación y la administración de energía, el cual actúa como nodo sensor, (unidad recolectora de información básica) dentro de las redes inteligentes de sensores. Los nodos sensores se clasifican desde dos perspectivas: el modo de comunicación y la movilidad. Dicha clasificación se muestra más a detalle en la siguiente tabla. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 83 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV Tabla 4.2 Clasificación de los nodos sensores PERSPECTIVA TIPO DE NODO SENSOR Nodo sensor alámbrico Modo de comunicación Nodo sensor inalámbrico Nodo sensor estático Movilidad Nodo sensor con movilidad adjunta Nodo sensor con movilidad activa Desde la perspectiva del modo de comunicación, los nodos sensores pueden ser de dos tipos: 1. Nodo sensor alámbrico. Los sensores tradicionales suelen transmitir los datos punto a punto en las comunicaciones cableadas. La mayoría de los PLCs (Programmable Logical Controllers) usados en aplicaciones industriales proporcionan interfaces de comunicación punto a punto como es el caso del RS232 o el RS485. Las tecnologías de bus de campo10 permiten nuevos sistemas de control industrial para recolectar datos en sistemas alámbricos como Profibus11 (Process Field Bus). Sin embargo estos sistemas sólo pueden utilizar nodos sensores a nivel local, debido a las limitaciones intrínsecas de la comunicación alámbrica. 2. Nodo sensor inalámbrico. Los nodos sensores inalámbricos, en particular los del tipo inteligente, tienen una alta demanda cuando el entorno es difícil, como en los ecosistemas silvestres. Debido a que este tipo de nodos sensores no tiene la limitante de la conexión cableada, pueden ser desplegados en las redes inteligentes de sensores a gran escala y casi en todas partes. 10 Un bus de campo es un sistema de transmisión de información (datos) que simplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y los equipamientos industriales utilizados en procesos de producción. 11 Profibus es un bus de campo industrial utilizado en ámbito de automatización industrial. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 84 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV Dentro de las redes, los nodos sensores inalámbricos son los únicos que pueden moverse libremente, dándoles la posibilidad de obtener información sobre objetos móviles. Desde esta perspectiva, los nodos sensores pueden ser clasificados en tres niveles de movilidad. 1. Nodo sensor estático. La mayoría de los nodos sensores son del tipo estáticos, es decir, que no sufren de algún cambio significativo en su posición. Este tipo de sensores pueden estar desplegados en territorios planos, fijos en las paredes o enterrados en suelo por mencionar algunos ejemplos. Algunas veces llegan a moverse inesperadamente debido a las fuerzas ambientales, pero esto no es considerado como característica de movilidad. Así, las redes inteligentes de sensores pueden interactuar con estos nodos sensores, y no considerar las consecuencias de esos movimientos. 2. Nodo sensor con movilidad adjunta. Un nodo sensor puede obtener una movilidad adjunta, es decir, un nivel de movilidad que resulta de ser unido a algo que tiene movilidad propia, un ser humano, un animal o quizás un vehículo. Es de esperarse que algún día encontremos sensores incorporados en la ropa y accesorios con el fin de obtener información fisiológica y ambiental. Esta clase de sensores se pueden convertir en nodos móviles, cuando se transportan en las masas de agua como en los nodos sensores de caudal o en los nodos sensores de calidad del agua. En las aplicaciones, generalmente trabajan en grupos de nodos sensores y de esta manera, pueden obtener propiedades agrupadas. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 85 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV 3. Nodo sensor con movilidad activa. El desarrollo de las tecnologías mecánicas y electrónicas hace posible la combinación de nodos sensores inalámbricos con dispositivos móviles. Estos nodos se pueden mover activamente alrededor o dentro del fenómeno, o bien rastrear y seguir objetos móviles. La movilidad de estos nodos puede disminuir el costo de desarrollo y aumentar el rango efectivo de sensado de un nodo sensor. Esto nodos sensores se desplazarán a la vista y mostrarán pocas propiedades agrupadas comparadas con las que se obtienen con un nodo sensor con movilidad adjunta, haciendo más difícil la interacción entre los nodos. Las redes inteligentes de sensores deben de adaptar sus estrategias de comunicación a los patrones de movilidad y localización del nodo sensor [4.5]. 4.3.2 Aplicación de las redes inteligentes de sensores El campo de aplicación para este tipo de redes es bastante amplio. A continuación se hará mención de algunos ejemplos en diferentes campos. Medicina. En el ámbito de la salud, los sistemas inteligentes pueden llevar a cabo acciones para monitorear diferentes variables fisiológicas en pacientes, auxiliar en el diagnóstico de enfermedades y administración de medicinas, monitorear el movimiento de los pacientes dentro del hospital, así como ayudar en el cuidado de ancianos y discapacitados, en rehabilitación médica y muchas otras acciones [4.2]. Como un ejemplo de esto podemos citar el sistema de monitoreo ubicuo de la salud en casas o clínicas inteligentes propuesto por el Dr. Su-Lim Tan y su grupo de investigación. Para muchos malestares y enfermedades, se requiere el monitoreo continuo del paciente. Esto se lleva a cabo por lo general en un hospital con doctores y enfermeras que hacen los chequeos regulares al paciente. Con un sistema de monitoreo inalámbrico que pueda ser conectado a distancia del hospital, estos pacientes pueden ser dados de alta y ser monitoreados automáticamente en la comodidad de sus casas. Cuando el PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 86 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV paciente salga de casa el nodo sensor puede ser conectado a una estación base como un PDA. Los datos adquiridos pueden ser almacenados localmente para evitar la costosa actualización de la central de almacenamiento (como puede ser una red celular) a menos que una condición de emergencia sea detectada y active una señal de rescate. Una vez que el usuario regrese a su hogar, el sistema automáticamente se sincroniza con la red de casa y se actualiza con los datos anteriormente ya almacenados. La red corporal del paciente consiste de un nodo sensor OAT (conformado por un oxímetro de pulso, un acelerómetro y un sensor de temperatura) el cual puede ser configurado para que escanee constantemente el estado corporal del paciente y mande a su vez los datos adquiridos al nodo estación base; y por un nodo sensor ECG. Con estos dos nodos sensores se obtienen datos de temperatura, pulso, concentración de oxígeno en la sangre, electrocardiograma y presión en la sangre de forma continua, mientras el paciente se encuentra en movimiento [4.6]. Ambientes interiores. Los sistemas de computación obicua que están basados en redes de sensores, prometen muchas aplicaciones en lo que a la domótica y a la inmótica se refiere. Se espera verlos ampliamente utilizados en muebles inteligentes, alarmas contra incendios, alarmas contra fugas de gas, alarmas antirrobo, cocinas inteligentes, salas de reuniones inteligentes y hasta casas completas, oficinas, edificios corporativos, hoteleros, empresariales, entre muchas otras aplicaciones. También se pueden utilizar para vigilar el buen estado de las estructuras (identificación y monitoreo de fallas), o en sistemas de rescate en edificios derrumbados. Este tipo de redes tienen como objetivo cubrir 4 aspectos importantes, el ahorro de energía, la comodidad, la seguridad y, la comunicación [4.5]. Sistemas de transporte. Los sistemas de transporte que utilizan redes de sensores han atraído considerablemente la atención académica e industrial. Las aplicaciones comerciales incluyen navegadores de vehículos, sistemas automáticos antichoques, adaptación de señales de tráfico, sistemas de autopeaje, de localización de vehículos, de rutas óptimas, de enfrentamiento con PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 87 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV embotellamientos, sólo por mencionar algunas. La razón de que los sistemas de transporte utilizan redes de sensores, es porque gracias a ello, estos pueden recoger en tiempo real datos sobre el tráfico vehicular, velocidad de los vehículos y condiciones de las carreteras, permitiendo llevar así un monitoreo eficiente del tráfico. De esta manera todos estos datos pueden ser utilizados para la administración de tránsito y vehículos, almacenar la información en tiempo real, analizarla y mejorarla [4.7]. A continuación se enunciarán dos ejemplos particulares de aplicación al monitoreo de vehículos propuestos por los doctores Jesús García Guzmán y Su-Lim Tan. Ambos ejemplos han sido posibles debido al avance de la tecnología de los MEMS, de la comunicación inalámbrica y de los electrónicos digitales. El primer caso se encarga de la detección de lugares disponibles en los estacionamientos, así como el hecho de poder guiar a los conductores a los lugares disponibles; esto se logra con la ayuda de los magnetómetros, que son los sensores usados para la detección de presencia vehicular, puesto que casi todos los vehículos tienen una cantidad significante de metal ferroso en su chasis, entonces el magnetómetro se usa para sensar la distribución del campo magnético correspondiente. El segundo caso corresponde al monitoreo de otros aspectos como el tipo de vehículo que transita por las calles y su sentido de dirección. Este sistema consiste de un nodo base y dos nodos sensores los cuales son colocados en cada lado o extremo de la carretera; estos nodos presentan cuatro diferentes tipos de detectores pasivos: magnetómetro, acelerómetro, infrarrojo y micrófono acústico, para monitorear las condiciones del camino o carretera, estos dos nodos sensores mandan los datos coleccionados al nodo base cuando un vehículo es detectado, los datos consolidados pueden entonces ser mandados a el nodo base (laptop o PDA) donde finalmente son analizados para determinar así el tipo de vehículo (ligero, medio o pesado) y su dirección (derecha a izquierda o viceversa) [4.8]. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 88 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV Ingeniería de potencia. Los sistemas eléctricos en general, han hecho uso desde hace muchos años de sistemas de monitoreo electrónico. Sin embargo con el advenimiento y mejoramiento de la tecnología de los MEMS y el avance de la tecnología de sensores se han desarrollado sistemas de monitoreo que con el paso del tiempo han ido reemplazando y mejorando la eficiencia de los sistemas originales. En los trabajos del grupo dentro del cual se enmarca el presente estudio se está proponiendo una red inalámbrica para monitoreo inteligente de fallas en trasformadores de potencia. El problema de los incendios y explosiones en los equipos de alta tensión ocasiona grandes pérdidas en los sistemas eléctricos, debido a la interrupción y paro de actividades que esto conlleva, aunado al costo de los trasformadores afectados o del equipo asociado, por mencionar algunas razones. Las principales causas de falla en los transformadores son la presencia de descargas parciales (siendo esta la menos significativa), el calentamiento y los arcos voltaicos. Sin embargo, en cualquiera de los tres casos anteriores, el deterioro de los aislamientos es el origen de los riesgos para el mal funcionamiento de dichos equipos y, por ende, la prevención de fallas se relaciona con las condicionas con las cuales opera el aceite aislante. De igual forma, la presencia de gases en dicho aceite ha sido desde hace varios años una constante, tanto de las condiciones de deterioro del aceite así como su incorrecto funcionamiento dieléctrico. Es por esto que la evolución en la prevención y monitoreo de fallas en trasformadores de potencia debe tener tres aspectos importantes: el uso combinado de las tecnologías más recientes, el desarrollo de estudios más precisos sobre las causas de las fallas en los aislamientos de los equipos de potencia, y la conformación de grupos multidisciplinarios de trabajo. El sistema de monitoreo propuesto consiste de una red con multisensores (con una comunicación que cumple con el estándar 2.4 GHz IEEE 802.15.4) cuya información es colectada en un nodo base equipado de una interfase gráfica para el usuario y con capacidad para la incorporación de los datos a un sistema más extenso basado en redes de cómputo. Los nodos PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 89 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV sensores empleados son de diferentes tipos, ya que se pretende monitorear diferentes variables asociadas a las condiciones de riesgo (presencia de descargas parciales, las variaciones excesivas en la intensidad de los campos eléctrico y magnético, los excesos en las condiciones de carga, las variaciones extraordinarias de temperatura, la presencia y composición de la mezcla de gases en el aceite aislante) [4.9]. Sistemas biológicos. En los últimos años los sistemas de monitoreo han incursionado en el campo de los biosistemas. Anteriormente se dijo que en algunas ocasiones es de suma importancia el monitoreo continuo de los pacientes en las clínicas, hospitales y hasta en sus hogares, sin embargo aquí se hablará de monitoreo de seres vivos en general, pudiéndose referir tanto a seres humanos como a plantas y animales. Actualmente existen biosistemas que son capaces de monitorear tanto parámetros físicos como de comportamiento y rastreo. Una aplicación en particular de este tipo, es la que se encuentra en desarrollo por el grupo dentro del cual se lleva a cabo este trabajo, la cual consiste en la propuesta de una red de monitoreo de primates en su entorno natural en la reserva del Instituto de Neuroetología de la UV en la región de Catemaco, Ver. En este proyecto, un grupo de ingenieros en electricidad y en electrónica colabora con un grupo de biólogos para el estudio de la conducta y hábitos de un grupo de primates. Para ello, se están realizando experimentos en una estación experimental, en la que se están monitoreando algunos signos vitales de los primates. Con el apoyo del grupo de ingenieros, se está implementando un sistema en red mediante el cual se capta información como ritmo cardíaco, temperatura corporal, desplazamiento, actividad y distribución geográfica. Esto ha requerido de la instalación de pequeñas unidades o nodos sensores que pueden ser portadas por algunos de los monos, representativos de sus manadas. La información es registrada con ayuda de una pequeña microcontroladora y transmitida entre nodos únicamente cuando uno de los animales portadores se encuentra en proximidad a otro. De esta forma, ambos incrementan su base de datos y el proceso se repite con cada encuentro. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 90 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV Gracias a esto, los biólogos solamente necesitan interceptar a uno de los monos y descargar la información que porta, reiniciando su equipo para liberarlo nuevamente. La información recolectada se procesa en una computadora y la información se cruza para validarla. La comunicación entre nodos se establece por medio de pequeños transceptores y cada unidad contiene un grupo reducido de sensores (ritmo cardíaco, acelerómetro, GPS, temperatura, oxímetro). Las baterías están en proceso de ser remplazadas por un sistema autónomo de recolección de energía, aprovechando el hecho de que los monos acostumbran reposar por largas horas en las partes más altas de los árboles, captando de esta forma la energía del sol. A partir de los datos recolectados, los biólogos obtienen información e infieren resultados sobre la conducta animal. Por ejemplo, el ritmo cardíaco, aunado a las variaciones de temperatura y principalmente al contraste en la velocidad y aceleración de su desplazamiento, son una medida muy exacta del estrés al que el animal se encuentra sometido. Igualmente, la formación de grupos y su distribución territorial se pueden seguir en forma más confiable. Finalmente podemos decir que el campo de aplicación para las redes inteligentes de sensores es muy grande y que sigue creciendo, por ende, es importante remarcar el hecho de que los campos anteriormente mencionados no son los únicos, y que en un tiempo no muy lejano crecerán de manera considerable. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 91 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV REFERENCIAS 4.1 Modosde conexión para las redes inalámbricas, disponible en http://www.gammainternet.com/tecnologia/wireless/modos.html, último acceso hecho en septiembre 2009. 4.2 Disponible en http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/tapia_z_jl/capitulo2.pdf, último acceso hecho en septiembre 2009. 4.3 Disponible en http://www.dtic.ua.es/grupoM/recursos/articulos/JDARE-06H.pdf, último acceso hecho en septiembre 2009. 4.4 Disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/Red_de_sensores, último acceso hecho en septiembre 2009. 4.5 Yuan Zheng, Jiannong Cao, Alvin T. S. Chan, and Keith C. C. Chan (Internet and Mobile Computing Lab, Department of Computing, Hong Kong Polytechnic University, P. R. China), Sensors and Wireless Sensor Networks for Pervasive Computing Applications, Journal of Ubiquitous Computing and Intelligence (2007), Vol.1, pp. 19 – 22. 4.6 Su-Lim Tan, Eng-Han Ng, Yuan Gu, Kelvin Siew-Chuan Ng, Darnie-Bin Dzulkaflee (School of Computer Engineering, Nanyang Technological University, Nanyang Avenue, Singapore) Pervasive health monitoring in smart home. 4.7 Yuan Zheng, Jiannong Cao, Alvin T. S. Chan, and Keith C. C. Chan (Internet and Mobile Computing Lab, Department of Computing, Hong Kong Polytechnic University, P. R. China), Sensors and Wireless Sensor Networks for Pervasive Computing Applications, Journal of Ubiquitous Computing and Intelligence (2007), Vol.1, pp. 22, 23. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 92 RED INALÁMBRICA CAPÍTULO IV 4.8 Eng-Han Ng, Su-Lim Tan, Jesús García Guzmán (School of Computer Engineering, Nanyang Technological University, Singapore; Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Universidad Veracruzana, Xalapa, México) Road traffic monitoring using a gíreles vehicle sensor network, International Symposium on Intelligent Signal Processing And Comunication Systems (2008) 4.9 Jesús García Guzmán, Fayne Meza Martínez, Vicente Rodolfo GarcíaColón Hernández, Su-Lim Tan, Avances y tendencias en la prevención de incendios y explosiones en transformadores de potencia, 6º Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico, Cuernavaca, Morelos, México (2008). PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 93 C O N C L U S I O N E S CONCLUSIONES El presente trabajo abordó el tema de las redes inteligentes de sensores, desde sus componentes, arquitecturas y conexiones, hasta algunas de sus aplicaciones enmarcadas a lo que a la ingeniería se refiere. A lo largo de la realización de este trabajo ha sido descrito cada uno de los componentes que integran a las redes inteligentes, su funcionamiento y la arquitectura de éstas. Dichas redes están basadas en la interconexión de pequeños nodos equipados con dispositivos de sensado llamados nodos sensores. Como se ha descrito, la comunicación de éstas redes se realiza de forma inalámbrica, haciendo hincapié en los protocolos que deben respetarse, como es el caso del ZigBee, el cual es una especificación para comunicaciones inalámbricas de dispositivos de bajo consumo. Se explicaron las características de dichas redes enfatizando el hecho de que tienen un bajo consumo de energía, lo cual hace que el costo de mantenimiento se reduzca considerablemente. Gracias a la realización de este trabajo de investigación, se aprendió que las diferentes tecnologías que se utilizan para la realización de las redes inteligentes han tenido un avance muy grande, haciendo posible contar hoy en día con componentes inalámbricos que registren, almacenen y proporcionen la información en cualquier momento y en cualquier lugar. Consecuentemente, también se aprendió que gracias a esto es posible contar con sistemas ubicuos, es decir, aquellos sistemas que aparte de ser inteligentes, están entrelazados con objetos de la vida diaria comunicados entre sí y que pueden ser consultados para acceder a los datos en cualquier momento o circunstancia, incrementando de esta manera la eficiencia de dichos sistemas. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 94 CONCLUSIONES En la parte final de este documento, se ha mostrado como, gracias a los grupos multidisciplinarios que intervienen en estos sistemas, es posible incursionar en diferentes campos y no sólo en el campo de la ingeniería. Se mencionaron un par de ejemplos en diferentes ámbitos para esclarecer esta afirmación. Sin embargo la lista de ejemplos que se puede mencionar en los cuales se emplean sistemas ubicuos es muy grande y sigue creciendo. Es de esperarse que en un tiempo no muy lejano la mayoría de los servicios se encuentren interrelacionados y pasemos, de esta forma, de tener casas inteligentes a contar con ciudades ubicuas, pudiendo así, lograr un paso más en la evolución de la humanidad adoptando un nuevo estilo de vida. . PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 95 B I B L I O G R A F Í A BIBLIOGRAFÍA Eng-Han Ng, Su-Lim Tan, Jesús García Guzmán (School of Computer Engineering, Nanyang Technological University, Singapore; Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Universidad Veracruzana, Xalapa, México) Road traffic monitoring using a gíreles vehicle sensor network, International Symposium on Intelligent Signal Processing And Comunication Systems (2008). Jesús García Guzmán, Fayne Meza Martínez, Vicente Rodolfo García-Colón Hernández, Su-Lim Tan, Avances y tendencias en la prevención de incendios y explosiones en transformadores de potencia, 6º Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico, Cuernavaca, Morelos, México (2008). J. W. Gardner, K. C. Persuad: Electronic Noses And Olfaction 2000, IoP (Institute of Physics), Serie in Sensors. Neil Sclater: Electronics Technology Handbook, Mc Graw Hill. Paul Horowitz, Winfield Hill: The Art of Electronics, Cambridge. Yuan Zheng, Jiannong Cao, Alvin T. S. Chan, and Keith C. C. Chan (Internet and Mobile Computing Lab, Department of Computing, Hong Kong Polytechnic University, P. R. China), Sensors and Wireless Sensor Networks for Pervasive Computing Applications, Journal of Ubiquitous Computing and Intelligence (2007), Vol.1. Yuan Zheng, Jiannong Cao, Alvin T. S. Chan, and Keith C. C. Chan (Internet and Mobile Computing Lab, Department of Computing, Hong Kong Polytechnic University, P. R. China), Sensors and Wireless Sensor Networks for Pervasive Computing Applications, Journal of Ubiquitous Computing and Intelligence (2007), Vol.1. PROCESO INALÁMBRICO DE SEÑALES EN REDES INTELIGENTES DE SENSORES 96
