nodos sensores

APLICACIONES DE REDES DE SENSORES

GANCHALA LEMA KLEVER MIGUELESCUELA POLITECNICA NACIONAL

ROMERO SOLIS ARMANDO PATRICIOESCUELA POLITECNICA NACIONAL

RESUMEN

La funcionalidad de las redes de sensores puede incluir el monitoreo de nuestro alrededor en lugares remotos y peligrosos, con la particularidad de que muchos procesos deben ser estudiados en lugares inaccesibles. De las investigaciones realizadas se destacan tres proyectos.Glacsweb describe “Ambientes de redes de sensores” enfocándose a la deformación subglacial.“Detección de radiación con redes de sensores distribuidos” con el objetivo de detectar vehículos transportadores de isótropos radioactivos.“Localización en un terreno urbano” que facilita la detección y localización en u terreno complejo.La arquitectura de la red esta compuesta por sensores que recogen información a una o mas estaciones base quienes se encargan de transmitir los datos al servidor de la red de sensores (SNS).El proyecto Glacsweb El monitoreo de las capas de hielo y glaciales, proveen información del calentamiento global y el cambio de clima.Ya que todos estos datos tomados de los sensores son graficados, analizados y publicados en la pagina de Glacsweb.

AMBIENTES DE REDES DE SENSORES

El desarrollo de la tecnología de redes inalámbricas y miniaturización ha hecho posible que se tenga un monitoreo relista de los procesos. Las redes incorporan tecnologías de tres diferentes áreas de investigación: sensores, comunicación y computación.Las redes de sensores son diseñadas para transmitir datos de un arreglo de sensores hacia un servidor de datos.

ARQUITECTURA

La Figura1 muestra un simple esquema de red de sensores. Los nodos sensor recogen los datos automáticamente y la red pasa estos datos a una o mas estaciones base, quienes se encargan de transportar los datos hasta llegar hacia el servidor de red de sensores (SNS) quien finalmente se encarga de publicar la información hacia el mundo.Los nodos sensor tienen poder para sobrevivir únicamente unos pocos meses o años. Los nodos sensor y estaciones base requieren de movilidad por lo cual requieren sistemas de localización y posición.

EVOLUCION

El monitoreo ambiental tiene una larga historia, podemos citar una variedad de ejemplos que tienen como objeto el monitoreo de parámetros

específicos ambientales dentro de los cuales se destacan:El centro de investigación de redes que mide la población de pájaros y otras especies (UCLA's).

Figura1 Arquitectura en un ambiente de red de sensores, los nodos recogen los datos

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autónomamente la red pasa los datos a las estaciones más bajas, para luego ser transportados al servidor de red de sensores.

El proyecto piloto (EOFS) es una observación medioambiental modelo para el Río de Columbia. Integra a una red de sensor de tiempo real, un sistema de dirección de datos y modelos numéricos avanzados. En particular (EOFS), esta dirigido a problemas que combinan el hábitat de salmón y otros peces, mejoras de la navegación y restauración del hábitat. El Centro Envisense organiza la investigación y el desarrollo de proyectos que aplica las tecnologías de la informática penetrantes en el medioambiente. Uno de los proyectos que mas destacan es el de Glacsweb que recientemente consta publicado en el IEEE; todo esto incluyendo sensores de red inteligente para prever inundaciones y un sensor colegiado organizado (Secoas) redes para monitorear la erosión de las costas.El paso lógico siguiente para un ambiente de redes de sensores es expandir el monitoreo de mas localizaciones remotas u hostiles. Los centros mantienen sensores Web en los desiertos de nuevo México y la Antártica, y planea el uso de sensores inteligentes en Europa en ambas lunas de , Júpiter y Marte.

GLACSWEB

GLACSWEB, dirigió por Dr. Kirk Martínez de la Escuela de Electrónica e informática, en asociación con el Dr. Jane Hart de la Universidad de la Escuela de Geografía. GLACSWEB está supervisando el movimiento del sedimento en el Glaciar de Briksdalsbreen, en Noruega, usando una serie de sondas inalámbricas insertada profundamente en el hielo. El proyecto de la investigación ha estado corriendo durante cinco años y ha recogido valiosos datos sobre la respuesta del glaciar al cambio del clima. Briksdalsbreen es el glaciar más grande de Europa.Los proyectos Glacsweb están desarrollando un sistema de monitoreo para un ambiente glaciar que seria transferible a otros localidades remotas en la tierra y en el espacio. El monitoreo de las capas de hielo y glaciares proveen información acerca del calentamiento global y el cambio de clima.

Figura2 Glaciar de Briksdalsbreen, en Noruega

El sistema puede grabar automáticamente a los glaciares bajo un área geográfica razonable y en un tiempo relativamente largo. También puede ser posible rentar los nodos sensor y conocer los movimientos de tierra y sedimentos bajo el hielo.

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

El sistema Glacsweb mostrado en la Figura 3 consiste de sensores insertados en el glaciar, una estación base y una estación de referencia que filtre los datos del SNS en Southampton Inglaterra. La mayoría de las estaciones ubicadas en el 2003 están en una capa de sedimento de hielo de 50 – 80m de profundidad. Como la Figura 4 muestra como el servidor de la estación base es como un filtro de comunicación entre las estaciones y la estación de referencia y como el control de operación autónoma. Esta incluye un medidor

Figura 3 Apreciación global del glacsweb. El sistema consiste en nueve sensores insertados en el glaciar, una estación base en la superficie del glaciar y una estación de referencia que revela los datos al servidor (SNS) en Southampton, Inglaterra.


Figura 4 Diagrama del sistema de la estación base. La estación base sirve como un comunicador entre los sensores y la estación de referencia y como el controlador para el funcionamiento autónomo. Un periférico con interfaz controla la estación base que utiliza otros PICs para unir algunos módulos

de temperatura y sensores, un medidor de nieve, una webcam y un sistema de posicionamiento global (GPS) para seguir los movimientos del hielo. En la versión 2003, los PIC's se utilizan exclusivamente para todas las estaciones base, para todas las funciones de radio base la principal fuente de poder. La entrada basada en Linux para transferir datos actúa como el punto de referencia de posición y graba archivos de un dGPS a los servidores de datos en Sothampton diariamente vía ISDN. Para sobrevivir por un año la mayoría de sistemas usa relojes de tiempo real (RTC) para dar poder entre lecturas. El poder permite a las bases levantarse cada cuatro horas para poder tomar lecturas sin embargo el canal de comunicación es solamente abierto una vez al día durante un sistema ancho de ventanas. Tabla 1 muestra diariamente la secuencia de eventos. En el fin de cada periodo, las bases y las estaciones base configuran sus RTCs para el siguiente tiempo de levantarse antes de apagarse.

Tabla 1 Glacsweb horario del sistema

NODOS SENSOR

Figura 5 primeros sensores v2 se exhibe la nueva electrónica interior. El agujero en la izquierda es para los dimensiones de conductibilidad para que nosotros podemos decir el tipo de ambiente exterior (sobre todo si es el agua líquida)

Los electrodos y sensores son encerrados en cápsulas cilíndricas de plástico de 10cm de largo. Como muestra la figura 6 cada una de estas sondas tienen 100psi de presión, una temperatura de sensor para el control y la reprogramación remota, dos PIC microcontroladores de lectura sensor de datos y un almacenamiento dentro de la flash ROM. Los Pics pueden recibir e interpretar comandos incluyendo la reprogramación y el cambio de horarios de tiempo.Se realiza la comunicación con la estación base vía tranceiver con una antena omnidireccional. En caso de tener una interrupción en la comunicación.En espera las sensores solo consumen 10 micro amperios para bajas temperaturas las sondas tiene poder para 3.6-V-Ah lithium/thionyl chloride AA bateria. El RTC controla la eficiencia escogiendo el modo de regulación, cada uno puede tolerar un voltaje proveniente de las baterías.


Figura 6 Diagrama del sensor. Cada sonda se diseña para resistir temperaturas muy frías y las interrupciones de comunicación larga

La estación base permanentemente en el hielo devuelve señales y datos a la estación de la referencia o vía los mensajes del texto (SMS) en Southampton.

Figura 7 Necesita un polo vertical para sostener los GPS, GSM y antenas del rango largas, así como dispositivos que mide la nieve. En su derecho usted puede ver a 4m el polo largo que actúa como un ancla. Esto puede fundir completamente fuera si nosotros somos desafortunados con el tiempo.

A continuación se muestra una estación de referencia Ésta esta ubicada en el café Melkevol Bretun

Figura 8 Aquí es Kirk poniendo el Topcon a la antena de DGPS en el tejado. Este actuará como el punto fijo para posicionar. Se localizan un PC, módem de la radio y receptor de DGPS en el edificio.

COMUNICACIONES.El ambiente glacial impone demandas de comunicación ciertamente incluyendo

poder de alta omnidireccionalidad de las bases, alto rango de comunicación entre la estación base y la estación de referencia

taza baja de datos detección de errores y corrección respaldo de canales

Porque la comunicación puede fallar en cualquier punto, el Glacsweb almacena y adelanta datos con un mecanismo de transferencia. Las estaciones bases usan un buffer anillo similar al de las estaciones para asegurar que los datos fluyan cuando los canales de comunicación estén disponibles los enlaces del sistema en rango largo (2.5Km), salta entre la estación base y la estación de referencia con 500mw, 466 MHz modem radio con manejo de construcción de errores 9.6Kbps si es que esto falla la estación base usa un respaldo global del sistema para comunicaciones de telefonía móvil para enviar datos directamente al SNS. Esto actualmente ocurre cuando un radio modem falla en la estación de referencia.La inclusión de un PIC un microcontrolador regido por la salida de uso de TCP/IP. Nosotros divisamos un protocolo basado en paquetes con detección de error que permite un bajo desborde y un alto grado de experimentación usando un multimaster bus de red topológica. El sistema extensivo usa almacena y adelanta, tiempo, tiempo fuera, chequeos y hace retiros y arregla los errores de comunicación por ejemplo paquetes broadcast permite sincronización del sistema en tiempo.


COMPUTACION.Para crear una red de sensor, Glacsweb puede incorporar un rango de diferentes sistemas de computación de software:

Microcontroladores por nodos de sensor

un pequeño sistema operativo por nodo sensor

bajo poder del sistema para la estación base

capacidad de enrutamiento y paso de mensajes

un servidor para el SNS software para publicar y visualizar los

servicios.Los microcontroladores muy simples usan sistemas operativos estándares. Dando a la memoria pequeña disponible en un PIC. Nosotros no optamos usar un sistema operativo.Muchas inalámbricas emplean redes sensor como lo es TinyOS, el cual debería estar menos complejo y mas fácil para mantener, pero los límites de capacidad de almacenamiento de esos sistemas hacen dificultoso implementar algoritmos complejos.

TinyOS Es un sistema operativo y una plataforma de fuente abierta que apunta redes sin hilos del sensor. Se diseña para poder incorporar la innovación rápida así como para operatorio dentro de los apremios severos de la memoria inherentes en redes del sensor. TinyOS se escribe en gran parte en C y el NESC. El NESC es un lenguaje de programación componente-basado y es una extensión al lenguaje de programación de C. Las aplicaciones para la plataforma de TinyOS se escriben hacia adentro sobre todo en el NESC. TinyOS es desarrollado por un consorcio conducido por la universidad de California, Berkeley.

Estaciones base pueden estar disponibles para comunicarse con muchos sistemas usando ambos dispositivos como estándar y otros mas complejos.Los PICS no son convenientes para una red estándar Wi-Fi, pero ellos se activan usando un software en lugar de hardware por ejemplo RS-232 bus para enlutar nosotros estamos usando un ARM corriendo en Linux.Un servidor Linux Xeon es la destinación de los datos y todas las publicaciones Web un elemento principal de las Glacsweb es la habilidad para publicar servicios Web y descripciones de datos que en el futuro

buscarán artefactos que puedan recoger estos datos.

Figura 5 Lecturas de presión de la sonda 8, la sonda dejo de transmitir los datos después de 7 de agosto probablemente se resbalo en el agua.

RESULTADOS PRELIMINARESEn la instalación de un sistema prototipo en Noruega en Agosto del 2003. Antes de que conduciéramos un radar de penetración en la tierra para mapear los ríos que están bajo el hielo, nosotros hicimos huecos modificándolos con alta presión. Las estaciones base usaron un tipo de trípode sitiado en el hielo para colocar las antenas en el caso de que la nieve las cubra en el invierno.

Figura 6. Resultados de la estación base. 2003. a) el voltaje de la batería aumento


durante el verano 10 vatios debido al panel solar. b) La estación base se movió durante los periodos calurosos pero era bastante estableen un declive de 15 grados.

La figura 5 muestra lecturas de presión recibidas de la estación 8 por siete días antes de que se posesione en el glaciar. La temperatura fue una constante 0,8º C las lecturas (no mostraron) fueron también constantes a través de este periodo, La estación 8 fue posicionada aproximadamente 20metrosdentro del glaciar. La estación para de transmitir antes del 7 de Agosto porque entra en una zona de agua en el cráter. Bajo estas circunstancias la comunicación es imposible hasta que el agua hiele por el invierno, cuando nosotros esperamos para transmitir los retrasos de los datos.La figura 6 ilustra los voltajes de batería y los resultados de temperatura obtenidos desde la estación base. La figura 6.a muestra la fluctuación del nivel de voltaje de la batería entre 12.5v y aproximadamente 13.5v en el curso de 65 días. En conjunto la carga de baterías actualmente se incremento durante el verano a 10W paneles solares montados en la parte superior de la estación base.Un sensor en rojo y temperatura en azul son las lecturas de la figura 6.b indica que la estación base se movió durante periodos de calma pero fueron razonablemente estable en 15º. La temperatura de los glaciales muestra un decrecimiento durante periodo de verano permaneciendo entre los rangos operativos de los componentes. Nosotros fijamos el equipo usando piedras y poleas como un respaldo. Las lecturas de los dGPS indican que el nivel del hielo se baja 2 metros durante el verano confirmando que las poleas no funcionan como piedras en un glaciar.

dGPS - diferencial GPS A pesar de que para las actividades al aire libre los gps actuales tienen una precisión más que suficiente, ciertas aplicaciones de esta tecnología requieren una precisión mayor. Esta precisión se puede conseguir por el método diferencial.

El concepto clave es que dos receptores cercanos se verán afectados de igual forma por los retrasos en la señal. Supongamos uno de los dos receptores fijo (estación base), cuyas coordenadas son conocidas exactamente. De esta manera, ya que la posición del satélite es conocida, se podrá calcular la distancia de la estación base al satélite (rango - distancia). En funcionamiento normal, la distancia calculada

por la estación base debido a las señales que le llegan del satélite estará afectada de errores (pseudorango - pseudodistancia). La diferencia entre rango y pseudorango es el error y se conoce como corrección diferencial.

Nosotros hemos escrito software que corre bajo Linux para sacar archivos automáticamente de las unidades.

Estos resultados preliminares confirman que los sonidos bajos de la Glacsweb sistema de arquitectura. El futuro trabaja incluyendo diseños y sistemas de posición de medidas para localizar estaciones y la miniaturización mas allá de los electrónicos. La segunda versión de este sistema será instalado en el verano del 2004 construido con nuestras experiencias y adicionando nuevos sensores.

DESAFIOS DE LA RED DE SENSORESExtraer los datos por los nodos del sensor en las situaciones remotas involucra algunos únicos desafíosEl proyecto Glacsweb ha solucionado muchos de estos problemas mientras contribuye a dar un mejor entendimiento y soluciones.

MiniaturizaciónPorque la red sensor se despliega a menudo en los espacios confinados, la miniaturización puede asegurar que ellos sean discretos. El tamaño de la antena puede ser un problema para las radios de frecuencias bajas. Nosotros usamos antenas de dieléctrico que miden solo 5 * 7 * 0.5mm para ahorrar el espacio así como para sus otras propiedades. Además la miniaturización del sistema debe ser equilibrado con el tamaño de la batería y requisitos de poder de radio. Nosotros usamos montada la superficie junto con las tablas de doble lado pero la integración extensa podría lograrse por otros medios mientras, incluimos una lógica programable.

Administración de potenciaEl funcionamiento a largo plazo de las redes de sensores como un GlasWeb requiere manejo económico de potencia. En común con otros


proyectos, nosotros usamos un horario de tiempo para el consumo mínimo de potencia y empleando una alta eficiencia, regulado el suministro de potencia en modo conmutado. Las preocupaciones sobre los retrasos de comunicación largos y confiables hicieron arriesgado usar inicialmente un sumamente adaptable esquema de manejo de potencia. Sin embargo, un sistema captura el manejo de datos y proporción de cambio y sondea las comunicaciones ad hoc que habría, en teoría, además disminuye la potencia de uso. Sistemas que requieren un largo aprovechar o tiempo de reasumir debe evitarse, cuando los ahorros de potencia pueden volverse el factor dominante.

Comunicaciones de radio.Las situaciones de vientos y lluvias a menudo impiden comunicaciones de radio confiables. Nosotros encontramos que esos cálculos teóricos de pérdidas de radio en el glacial de hielo era una pobre guía para el desempeño real. Y esto es probablemente que sea verdad para los factores imprevisibles en otro ambiente, por ejemplo, cambios en las hojas que recubren en un hábitat del bosque. La habilidad para alterar la potencia del transmisor y el uso de bajas frecuencias o los sistemas retroalimentados acústicos serán común en el futuro. Las comunicaciones entre los sensores de nodos es útil donde algunos puedan estar fuera de su rango de la estación base, pero el uso de energía para establecer tal redes y grupos ad hoc puedan ser minimizados.

Escalabilidad.Es necesario agregar grupos de sensores regularmente así como maneja potencialmente sistemas de números grandes. Nuestra topología de la red inicial permitió a 256 únicos dispositivos conectarse a una estación base. Una ventana de comunicaciones pueda limitar la escalabilidad porque el tiempo puede ser insuficiente para muchos ensayos para enviar un registro de datos. Sin embargo, en nuestro caso los ensayos pueden simplemente enviar mas datos el próximo día o recibir ordenes para permanecer despierto mucho mas tiempo. Arreglos de estaciones de base o gateways será típicamente necesario para aumentar la escalabilidad.

Manejo Remoto.Porque investigadores no pueden regularmente visitar sistemas en posiciones aisladas, el acceso remoto es necesario para reparar de bichos, cierre de subsistemas, cambio de horario y así sucesivamente. En nuestro caso, nosotros agregamos una cámara web a la estación base para monitorear el estado físico del sitio y el sistema. El control de la potencia para aislar el subsistema completamente era también esencial para el manejo de potencia así como un trabajo a su alrededor, por ejemplo, como la Isla Duck el proyecto demostró, el agua puede causar corto circuitos en los sensores. El acceso remoto de las comunicaciones por costumbre complica porque los registros normales y routing son indispensables. Más desarrollo y fracaso del software en pruebas de escenario es necesario para lograr un buen manejo remoto.

Utilidad.Para ser práctico, los sensores medioambientales de trabajo en red deben primeramente consistir los componentes fuera del estante, esos son relativamente fáciles para desplegar, mantenga y entienda, como muchos los dispositivos en una red del hogar inalámbrica.


El promedio de científicos de la Tierra no pueden instalar los sistemas de GlacsWeb porque esto requiere un amplio rango de tecnología electrónica y computación con complejos interfaces. Desarrollados estilos de conecte y use ayudaran en esta área.Además, los investigadores deben ser capases de acceder a los grandes volúmenes de datos recogidos por redes de sensores eficazmente. El BeanWatcher es una herramienta prometedora que esta dirigida al monitoreo y manejo semiautomático.

EstandarizaciónCompatibilidad entre módulos componentes fuera del estante como unidades dGPS y tiempo de estaciones en el medioambiente las redes de sensores son muy bajas, y en la practica cada modulo integrado requiere código separado. En algunos casos, los drivers están disponibles para una cámara Web, por ejemplo pero sin el sistema operativo correcto los dispositivos son inutilizables. Un desafió a futuro será estandarizar interfaces y incluso algunos implementos de radio conectados a una red de computadoras para permitir la interoperabilidad entre productos de diferentes vendedores de redes de sensores.La comunidad de la investigación debe estar de acuerdo en algunas ontologías comunes para describir los dominios, entonces regularice publicación de datos finales. Esto podría ser logrado por sensores de redes conectados al medioambiente para la Web semántica (www.semanticweb.org). La GEOscience Network. (www.geongrid.org/research.html) y IrisNet presenta un movimiento en esta dirección.

Seguridad.Todos los niveles de red de sensor deben tener en cuenta seguridad. Los sistemas deben mezclarse en el ambiente y, cuando es apropiado, lleva advertencias, alarmas, y otra información. Algunas redes pueden cubrir con la pérdida de uno o más nodos debido a fracaso o daño, y en áreas remotas, la seguridad física puede no ser un problema. Además, los datos pueden necesitar protección contra la alteración deliberada o accidental. Sin embargo, los mecanismos de seguridad no deben estorbar el acceso público a la información. Un notable balance entre seguridad y accesibilidad las ayudas asegura que todas las fiestas puedan confiar el sistema.

Las redes de sensores ambientales ofrecen una oportunidad de investigación interesante. Ellos hacen esto posible, para la primera vez,

para unir un conjunto de datos de tipos diferentes y escalas para reforzar nuestro entendimiento de la Tierra. Sin embargo, diseñando sustentables redes de sensores para el ambiente natural es una tarea exigente.Diseñando las comunicaciones, manejando la potencia, despliegue, impermeabilizando, estabilidad y diagnostico remoto todos presentan desafíos de dificultades técnicas. En el término largo, integrando redes de sensores ambientales con el semántico Web puede hacer información útil disponible globalmente.

BIBLIOGRAFIA

www.ccalmr.Ogi.edu/CORIE/about.htmlhttp://envisense.org/glacsweb.htmwww.spectrum.iee.org/dec05/2373www.geongrid.org/research.htmlhttp://zdnet.com.com/2100-1105-976377.htmlhttp://sensorwebs.jpl.nasa.gov/resourses/huntington_sw31.htmlwww.mundogps.com/formacion/articulos

Armando Romero nacio en la ciudad de Cayambe, sus estudios secundarios los realizo en el Instituto Superior Central Tecnico, actualmente es estudiante de la Carrera de Electrónica y Telecomunicaciones en la Escuela Politecnica Nacional.

Kléver Ganchala es un estudiante de la Escuela Politécnica Nacional de (Quito - Ecuador) estudia en la Carrera de Electrónica y Telecomunicaciones


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