GESTIN DE LA ENERGA CON REDES DE SENSORES

Mster Universitario en Profesorado de Educacin Secundaria Obligatoria y Bachillerato, Formacin Profesional y Enseanza de Idiomas

Realizado por: Andrs Maldonado Lpez.Asignatura: Informtica para centros TICTrabajo: Realizacin de trabajo con OpenOffice Writer

NDICE1. Introduccin12. Objetivos23. Sensores Sun SPOT33.1. Sun SPOT Manager34. Estudio WiFi65. Equipos usados85.1. Estudios de potencia recibida95.1.1. Medicin 1105.1.2. Medicin 2115.1.3. Medicin 3145.1.4. Medicin 4155.1.5. Comparativa156. Conclusiones16

ndice de IlustracionesIlustracin 1: Sun SPOT Manager Tool4Ilustracin 2: Menu Properties4Ilustracin 3: Coexistencia entre WiFi y 802.15.46Ilustracin 4: Estudio WiFi6Ilustracin 5: Escenario8Ilustracin 6: Medicin 110Ilustracin 7: Medicin 211Ilustracin 8: Comparativa de las mediciones12Ilustracin 9: Medicin 314Ilustracin 10: Medicin 415Ilustracin 11: Compartiva15

ndice de tablasTabla 1: Uso de canales WiFi7Tabla 2: Potencias de uso de Sun SPOT9

1. IntroduccinEn el presente proyecto de investigacin docente, se va a realizar un estudio de gestin de la energa en redes de sensores. Para ello vamos a hacer uso de conceptos de la gestin de redes como el control y la monitorizacin.

Para realizar el control de la red de sensores haremos uso de la herramienta Sun SPOT Manager, con la cual podremos gestionar y controlar los sensores Sun SPOT. As pues, se podr establecer los distintos canales y potencias de emisin. Tambin se podr realizar el control mediante comandos ant.

Por otro lado, en el campo de monitorizacin utilizaremos un software instalado en un Sun SPOT, el cual tras conectarlo a un PC, nos mostrar por consola la potencia recibida. Otro aspecto a resaltar dentro de este campo, es el uso de un analizador de espectro, con el cual se podr monitorizar el espectro de la red WiFi, la cul pueden ocasionar interferencias con nuestros sensores. Sistema de Gestin de Contenidos (CMS) escrito en PHP que utiliza MySQL como base de datos. Es completamente gratuito y est en constante desarrollo.

2. ObjetivosLos objetivos de este proyecto de investigacin docente, para la asignatura de: Gestin de redes de telecomunicaciones, son los siguientes:

Familiarizacin con kit de sensores Sun SPOT.

Familiarizacin con kit de desarrollo software de los sensores Sun SPOT Manager.

Estudio en distancias cortas de la potencia recibida. Se utilizarn dos sensores Sunspot (uno para transmitir y otro para recibir).

Caracterizacin para distintos niveles de potentia transmitida.

Realizacin de diversas grficas para analizar la potencia recibida en los distintos casos.

Estudio de las posibles anomalias en las grficas.

3. Sensores Sun SPOTSunSPOT (Sun Small Programmable Object Technology) es un sensor para WSN desarrollado por Sun Microsystems (en la actualidad Oracle). El aparato est construido bajo el estndar IEEE 802.15.4. Al contrario de otros nodos inalmbricos, el SunSPOT est construido bajo la maquina virtual Java Squawk.

El dispositivo SPOT es programable utilizando J2ME CLDC 1.1. Algunas de las caractersticas hardware ms reseables que presenta el dispositivo son:

400 MHz ARM 926ej-S Processor AT91SAM9G20

8Mbytes Flash Memory (4M x 16)

1Mbytes SRAM Memory (512K x 16)

802.15.4 Radio Transceiver (CC2420)

USB 2.0 Full Speed

770mAhr Li-Ion Rechargeable Battery

Este dispositivo ofrece una cantidad de recursos muy superior a los vistos hasta ahora. Adems, existen gran variedad de herramientas para el soporte a la aplicacin en J2ME. Sin embargo, no es posible programar el dispositivo en otro lenguaje y, segn la especicacin de la mquina virtual, no soporta la integracin del middleware RMI.

3.1. Sun SPOT ManagerComo se ha comentado en la introduccin, el software Sun SPOT Manager nos permite realizar el control de los sensores, configurando la potencia de transmisin el canal deseado. El entorno de trabajo es el siguiente:Ilustracin 1: Sun SPOT Manager Tool

Diversas son las funcionalidades que nos ofrece esta aplicacin. En nuestro caso slo vamos a utilizar la herramienta "Properties" utilizada para configurar nuestros sensores. As pues, el interfaz correspondiente a esta opcin es:

Ilustracin 2: Menu Properties

Son varias las propiedades que nos ofrece el interfaz. En nuestro caso vamos a utilizar "radio.transmit.power" y "radio.channel", para seleccionar la potencia de emisin y el canal radio respectivamente.

Aunque este interfaz de gestin de redes, al estar en pleno desarrollo suele dar diversos errores de funcionamiento. Un error tpico es que para acceder a este interfaz se debe de estar conectado a la red, ya que se conecta a un servidor de sunspotworld para realizar actualizaciones. As pues, si ese servidor se cae, no se puede configurar los dispositivos.

Una posible solucin a este problema es utilizar comandos ant, con los cuales se puede configurar y gestionar los sensores de una manera sencilla mediantes comandos en shell. A continuacin veremos un ejemplo de comandos:

ant set-system-property -Dkey=radio.transmit.power -Dvalue=31 -Dport=com28ant set-system-property -Dkey=radio.channel -Dvalue=25 -Dport=com28

Con lo que conseguimos el mismo resultado que trabajando con el interfaz Propierties del Sun SPOT Manager, es decir, en este caso, se introduce el valor 31 para transmitir en el canal radio 25.

4. Estudio WiFiTngase en cuenta que la eleccin del canal radio no ha sido al azar, ya que como se ha comentado anteriormente, los sensores SunSPOT trabajan en la banda de los 2.4 GHz y pueden existir interferencias con WiFi invalidando las mediciones realizadas en este proyecto de investigacin docente.

As pues, en la siguiente figura se puede observar un ejemplo del problema de coexistencia entre WiFi y 802.15.4.Ilustracin 3: Coexistencia entre WiFi y 802.15.4

En este ejemplo se considera que los canales WiFi utilizados son 2, 7 y 12, con lo que se puede observar la gran cantidad de canales del estndar 802.15.4, que tendran un alto grado de interferencias.

As pues, nos vemos en una necesidad de realizar un estudio de la utilizacin de canales WiFi en nuestra zona de medida. Dicho estudio se ha realizado con el analizador de espectro Channalyzer Pro, cuyos resultados son los siguientes:Ilustracin 4: Estudio WiFi

Tabla de resultados:Tabla 1: Uso de canales WiFi

Por lo tanto, se ha verificado que en el lugar donde se realizaran las mediciones no se producen interferencias con WiFi.

5. Equipos usadosTanto para realizar la transmisin como la recepcin de los datos, se han utilizado sensores SunSPOT. En dichos sensores se han instalado distintas rutinas (J2ME). As pues, las rutinas utilizadas son las siguientes:

signalbeacon: Utilizado en el transmisor, este cdigo simplemente enva una secuencia ilimitada de datos, con una potencia y un canal determinado.

signalscanner: Utilizado en el receptor, este cdigo realiza un escaner en un canal determinado y muestra por consola la potencia recibida en dBm.

As pues, el escenario en el que se va a trabajar se representa en la siguiente figura:Ilustracin 5: Escenario

Vease un ejemplo del resultado por pantalla obtenido con el uso de las aplicaciones anteriores. Tngase en cuenta que estamos dentro del campo de monitorizacin ya que estamos visualizando la potencia recibida.

[java] [waiting for reset] 0014.4F01.0000.580F -22 108246

En este ejemplo como se puede observar, estamos recibiendo 22 dBm.

5.1. Estudios de potencia recibidaEn dicho estudio se van a hacer distintas mediciones con varias potencias de emisin. Las potencias utilizas por el sensor SunSPOT las podemos ver en la siguiente tabla:

Tabla 2: Potencias de uso de Sun SPOT

As pues, la mxima potencia de emisin es con un PA_LEVEL de 31, el cual tiene una equivalencia a 0 dBm.

Para caracterizar este estudio se ha optado por realizar tres pruebas: a 0 dBm, -7 dBm y -25 dBm, correspondientes a un nivel 31, 15 y 3.

Por lo tanto, sin ms dilaciones los resultados obtenidos son los siguientes:

5.1.1. Medicin 1Potencia de emisin: 0 dBm

Altura de receptor y emisor: 1.5 metros

Localizacin: desde la dependencia B-207 hasta la B-212 (edificio B. 2 Planta. E.P.S. de Linares).

Ilustracin 6: Medicin 1

Tngase en cuenta que en la localizacin donde se ha realizado esta medicin no existe interferencia WiFi, tal y como se trat en el punto 5, pero an as, en este pasillo pueden existir una gran diversidad de reflexiones y atenuaciones, provocadas por las distintas puertas, ventanas e incluso el ascensor.

Por lo tanto, tenemos la necesidad de verificar estas mediciones en espacio libre. Para as no tener ningn obstculo que produzca alguna posible anomala.

5.1.2. Medicin 2Potencia de emsin: 0 dBm

Altura de receptor y emisor: 1.5 metros

Localizacin: patio (edificio B. Planta Baja. E.P.S. de Linares).

Ilustracin 7: Medicin 2

Se puede observar claramente como esta medicin tiene un aspecto similar a la anterior. En ambas grficas cae la potencia recibida en unos pocos metros y seguidamente se mantiene prcticamente constante.

An as, veamos las grficas conjuntas para poder afirmar con seguridad que tienen un aspecto similar.Ilustracin 8: Comparativa de las mediciones

Se confirma nuestra anterior premisa, las mediciones obtenidas son de un aspecto similar, luego podemos afirmar que son correctas.

Como se dijo anteriormente, en estas grficas se observa como la potencia cae muy rpido en pocos metros y luego se mantiene mas o menos constante, teniendo las grficas una forma similar a una exponencial negativa. Esto es debido al transmisor radio que utiliza el sensor (CC2420), en el cual en su datasheet se muestra su diagrama de radiacin de una forma similar a los resultados obtenidos.

Adems tngase en cuenta que nuestro sensor utilizado para realizar las mediciones no est preparado fsicamente para realizar mediciones muy cercanas al transmisor (0-3 metros), debido al concepto de campo cercano y campo lejano que trataremos a continuacin.

As pues, el campo de radiacin que se encuentra cerca de una antena no es igual que el campo de radiacin que se encuentra a gran distancia. El trmino campo cercano se refiere al patrn de campo que esta cerca de la antena, y el trmino campo lejano se refiere al patrn de campo que est a gran distancia. Durante la mitad del ciclo, la potencia se irradia desde una antena, en donde parte de la potencia se guarda temporalmente en el campo cercano. Durante la segunda mitad del ciclo, la potencia que esta en el campo cercano regresa a la antena.

Esta accin es similar a la forma en que un inductor guarda y suelta energa. Por tanto, el campo cercano se llama a veces campo de induccin. La potencia que alcanza el campo lejano continua irradiando lejos y nunca regresa a la antena por lo tanto el campo lejano se llama campo de radiacin. La potencia de radiacin, por lo general es la mas importante de las dos.

As pues, para realizar la mediciones correspondientes en distancias muy cercanas al sensor (0 3 metros), necesitaramos un equipo adecuado del cual no disponemos ninguno. Aunque para nuestra investigacin no tiene mucha importancia estas mediciones tan cercanas.

5.1.3. Medicin 3En el punto anterior, se caracteriz la seal recibida para una emisin a 0 dBm. As pues, en este punto se realizaran otras dos mediciones a -7 dBm y -25 dBm. Concluyendo este trabajo realizando comparaciones entre ellas. As pues, medicin 3:

Potencia de emisin: -7 dBm

Altura de receptor y emisor: 1.5 metros

Localizacin: desde la dependencia B-207 hasta la B-212 (edificio B. 2 Planta. E.P.S. de Linares).

Ilustracin 9: Medicin 3

5.1.4. Medicin 4Potencia de emisin: -25 dBm

Altura de receptor y emisor: 1.5 metros

Localizacin: desde la dependencia B-207 hasta la B-212 (edificio B. 2 Planta. E.P.S. de Linares).

Ilustracin 10: Medicin 4

5.1.5. ComparativaIlustracin 11: Compartiva

6. ConclusionesSe puede observar claramente en la comparativa anterior, como para los tres estudios los resultados grficos tienen un aspecto similar. Evidentemente, con una transmisin ms eleveda obtenemos una mayor potencia recibida pero, no existe una diferencia muy elevada.

Pensamos que estos resultados se deben al uso del protocolo 802.15.4, ya que est orientado a transmisiones de baja potencia para conseguir una duracin elevada de la batera. Adems, los sensores SunSPOT hacen uso del transmior radio CC2420, el cual est orientado a transmisiones de baja potencia.

An as, debido a que los sensores SunSPOT tienen un margen de funcionamiento de hasta -90 dBm, consideramos que para la transmisin sea estable a una distancia de 20 m, se debe de emitir a 0 dBm y as aseguramos el funcionamiento.ChannelGradeDuty CycleAverageCurrentNoise FloorAccess PointsMax

186,16,10%-69-87-108,54-49

2846,10%-65,5-90-107,50-45,5

385,44,70%-66-90-107,50-46

487,43,70%-65,5-90-107,53-46

589,82,90%-64,5-94-108,50-44,5

691,53,20%-64,5-97-109,51-44,5

790,74,00%-67-98-1100-47

889,34,80%-68-88-1106-48

986,56,40%-71,5-88-1090-51,5

1084,87,10%-71-84-107,50-51,5

1186,26,20%-74,5-84-107,59-55

1289,15,10%-82,5-86-108,50-65

1393,43,30%-84-86-1100-65

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