Sensor de redes inalámbricas. Redes sensoriales: el futuro de la humanidad

Historia y ámbito de uso

Uno de los primeros prototipos de la red de sensores puede considerarse el sistema SOSUS, diseñado para detectar e identificar submarinos. La tecnología de las redes de sensores inalámbricos comenzó a desarrollarse activamente hace relativamente poco tiempo, a mediados de los años 90. Sin embargo, solo a principios del siglo XXI, el desarrollo de la microelectrónica hizo posible producir una base de elementos bastante barata para tales dispositivos. Las redes inalámbricas modernas se basan principalmente en el estándar ZigBee. Un número considerable de industrias y segmentos de mercado (manufactura, varios tipos de transporte, soporte vital, seguridad), listos para la implementación de redes de sensores, y este número está en constante aumento. La tendencia está impulsada por la complicación procesos tecnológicos, el desarrollo de la producción, las crecientes necesidades de las personas en los segmentos de seguridad, el control de recursos y el uso de inventarios. Con el desarrollo de las tecnologías de semiconductores, surgen nuevos problemas prácticos y teóricos asociados a la aplicación de redes de sensores en la industria, la vivienda y los servicios comunales y los hogares. El uso de dispositivos sensores inalámbricos económicos para el control de parámetros abre nuevas áreas para la aplicación de sistemas de telemetría y control, tales como:

• Identificación oportuna posibles fallas actuadores para controlar parámetros como vibración, temperatura, presión, etc.;
• Control de acceso en tiempo real a sistemas remotos del objeto de monitoreo;
• Automatización de inspección y Mantenimiento activos industriales;
• Gestión de activos comerciales;
• Aplicación como componentes en tecnologías de ahorro de energía y recursos;
• Control de ecoparámetros del medio ambiente.

Cabe señalar que, a pesar de la larga historia de las redes de sensores, el concepto de construir una red de sensores finalmente no ha tomado forma y no se ha expresado en soluciones específicas de software y hardware (plataforma). La implementación de redes de sensores en la etapa actual depende en gran medida de los requisitos específicos de la tarea industrial. La implementación de arquitectura, software y hardware se encuentra en la etapa de formación intensiva de tecnología, lo que llama la atención de los desarrolladores para encontrar un nicho tecnológico para los futuros fabricantes.

Tecnologias

Las redes de sensores inalámbricos (WSN) consisten en dispositivos informáticos en miniatura: mot, equipados con sensores (sensores de temperatura, presión, iluminación, nivel de vibración, ubicación, etc.) y transceptores de señales que operan en un rango de radio determinado. La arquitectura flexible y los costos de instalación reducidos distinguen las redes inalámbricas de sensores inteligentes de otras interfaces de comunicación inalámbricas y por cable, especialmente cuando se trata de una gran cantidad de dispositivos interconectados, la red de sensores le permite conectar hasta 65,000 dispositivos. La constante disminución en el costo de las soluciones inalámbricas, un aumento en sus parámetros operativos nos permiten reorientarnos gradualmente de soluciones cableadas a sistemas de recolección de datos de telemetría, medios de diagnóstico remoto e intercambio de información. La "red de sensores" es un término bien establecido en la actualidad (ing. Redes de sensores), que denota una distribución distribuida, autoorganizada, resistente al fracaso elementos individuales una red de dispositivos desatendidos que no requieren una instalación especial. Cada nodo de la red de sensores puede contener varios sensores para monitorear el entorno externo, un microordenador y un transceptor de radio. Esto permite que el dispositivo tome medidas, lleve a cabo de forma independiente el procesamiento inicial de datos y mantenga la comunicación con un sistema de información externo.

Tecnología de relés de corto alcance 802.15.4 / ZigBee conocida como redes de sensores. WSN - Red de sensores inalámbricos), es una de las direcciones modernas para el desarrollo de autoorganización tolerante a fallas sistemas distribuidos seguimiento y gestión de recursos y procesos. Hoy en día, la tecnología de redes de sensores inalámbricos es la única tecnología inalámbrica que se puede utilizar para resolver tareas de monitoreo y control que son críticas para el tiempo de funcionamiento de los sensores. Los sensores combinados en una red de sensores inalámbricos forman un sistema autoorganizado distribuido geográficamente para recopilar, procesar y transmitir información. El principal campo de aplicación es el control y seguimiento de los parámetros medidos. ambientes fisicos y objetos.

• ruta de radio;
• módulo procesador;
• batería;
• varios sensores.

Un nodo típico puede estar representado por tres tipos de dispositivos:

• Coordinador de red (FFD - Dispositivo totalmente funcional);
  • lleva a cabo la coordinación, organización y configuración global de los parámetros de la red;
  • el más complejo de los tres tipos de dispositivos, que requiere la mayor cantidad de memoria y fuente de alimentación;

• Dispositivo completamente funcional (FFD);
  • soporte para 802.15.4;
  • la memoria adicional y el consumo de energía le permiten actuar como coordinador de red;
  • soporte para todo tipo de topologías (punto a punto, estrella, árbol, malla);
  • la capacidad de actuar como coordinador de la red;
  • la capacidad de acceder a otros dispositivos en la red;
• (RFD - Dispositivo de función reducida);
  • Admite un conjunto limitado de funciones 802.15.4;
  • soporte para topologías "punto a punto", "estrella";
  • no actúa como coordinador;
  • se pone en contacto con el coordinador de red y el enrutador;

Empresas desarrolladoras

Empresas de diversos tipos están representadas en el mercado:

Notas (editar)

Fundación Wikimedia. 2010.

Vea qué son las "Redes de sensores inalámbricos" en otros diccionarios:

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Ya se acerca el día en que cientos de millones de sensores semiconductores se integrarán en todo lo que sea posible, desde un llavero hasta un cochecito de bebé. Y todos ellos podrán no solo actuar como sensores inteligentes, sino también realizar procesamiento de información primaria, así como interactuar entre sí, formando una única red de sensores inalámbricos. Al mismo tiempo, dichos sensores prácticamente no consumirán electricidad, ya que las baterías en miniatura incorporadas durarán varios años, es decir, toda la vida útil de los sensores. Será un tipo conceptualmente nuevo sistema informático operando usando una red de sensores inalámbricos. Esta red se denomina comúnmente redes de sensores inalámbricos ad-hoc. El término Ad-hoc se toma prestado de las redes inalámbricas modernas, como el estándar IEEE 802.11b. Estas redes inalámbricas tienen dos modos de comunicación: modo Infraestructura y modo Ad-hoc. En el modo Infraestructura, los nodos de la red no interactúan entre sí directamente, sino a través del Punto de Acceso, que actúa como una especie de hub en la red inalámbrica (similar a como ocurre en las redes de cable tradicionales). En el modo Ad-hoc, también llamado Peer-to-Peer, las estaciones se comunican directamente entre sí. En consecuencia, en las redes de sensores inalámbricas, el modo Ad-hoc significa que todos los sensores interactúan directamente entre sí, creando una especie de red celular.

Las redes de sensores inalámbricos son una especie de paso hacia la transición a la próxima era, cuando las computadoras estarán conectadas directamente al mundo físico y podrán adivinar los deseos de los usuarios y también tomar decisiones por ellos.
Soñemos un poco con lo que nos traerán estas redes de sensores en el futuro. Imagínese las cunas escuchando la respiración de los bebés; brazaletes que monitorean el estado de los pacientes en la clínica; detectores de humo, que no solo pueden llamar a los bomberos si es necesario, sino también informarles con anticipación sobre la fuente del incendio y el grado de complejidad del incendio. Dispositivos electrónicos podrán reconocerse, las fuentes de alimentos les recordarán que necesitan "refrescarse".

Imagínese cientos de miles de sensores conectados en red en un bosque. En tal bosque será simplemente imposible perderse, ya que el movimiento de una persona será registrado y analizado por sensores. Otro ejemplo son los sensores en el campo, sintonizados para monitorear el estado del suelo y, dependiendo de las condiciones cambiantes, regular el riego y la cantidad de fertilizante aplicado.
Las redes de sensores en las carreteras serán igualmente útiles. Al comunicarse entre sí, podrán regular el flujo de automóviles. Este es el sueño de cualquier conductor: ¡carreteras sin atascos! Estas redes podrán hacer frente a esta tarea de manera mucho más eficiente que cualquier agencia. Problema de control
Las infracciones en las carreteras se resolverán por sí solo.

El uso de redes de sensores para administrar el suministro de energía logrará ahorros de energía increíbles. Imagine una red de control de este tipo en su apartamento. Al rastrear su ubicación, los sensores podrán apagar la luz detrás de usted y encenderla según sea necesario. Bueno, si usa tales redes para controlar la iluminación de calles y carreteras, entonces el problema de la falta de electricidad desaparecerá por sí solo. Para que las redes de sensores se conviertan en una realidad del mañana, ya se están realizando investigaciones en esta dirección. Y el líder en esta área es Intel Corporation, que admite todas las tecnologías informáticas avanzadas del futuro. Se presta especial atención al desarrollo de redes de sensores multinodales inalámbricas, capaces de autoformarse y configurarse automáticamente según sea necesario. La implementación de esta tecnología permitirá desplegar una red de dispositivos sensores semiconductores económicos, pero a la vez muy complejos, que podrán establecer comunicación entre ellos de forma independiente, informando sobre ciertos cambios en el entorno. Por ejemplo, el sensor Mica viene con 128 kilobytes de software de memoria flash, 256 kilobytes de memoria flash para almacenamiento de datos y un transmisor de radio de 900 MHz.
Algunos de estos dispositivos ejecutan un sistema operativo
TinyOS, el código para este sistema operativo es de código abierto y consta de todo
8.5 Kb.

Dichos dispositivos encontrarán aplicación en áreas fundamentalmente nuevas, por ejemplo, en el desarrollo de prendas inteligentes, mantas conectadas que monitorearán la salud del recién nacido y reportarán los indicadores más importantes de sus funciones vitales, granjas inteligentes en las cuales sensores semiconductores instalados en el el suelo gestionará el riego
sistema y fertilización. La investigación de redes de sensores en Intel Corporation es
el famoso laboratorio Intel Berkeley Research ubicado en California. Las redes de sensores experimentales que existen en la actualidad solo satisfacen parcialmente los requisitos anteriores. Por lo tanto, las redes de hoy consisten en solo cientos de sensores con un área de cobertura limitada y realizan solo tareas bien definidas. Son capaces de transmitir solo un cierto tipo de información de un sensor a otro y solo en un ancho de banda determinado. El consumo de energía tampoco es despreciable.
- La batería solo dura unos días. Los sensores de sensores existentes todavía son bastante inertes, y no se trata de una alta confiabilidad e invisibilidad en el funcionamiento (al menos debido al tamaño). Y, por supuesto, estos sensores son bastante caros, por lo que una red de cientos de sensores no es barata. Pero debemos recordar que estamos hablando de redes experimentales y el desarrollo de la tecnología del futuro. Al mismo tiempo, las redes de sensores experimentales ya están proporcionando beneficios. Una de esas redes de sensores, creada conjuntamente por el Laboratorio de Investigación Intel Berkeley, el Instituto Atlántico y la Universidad de California, opera en Great Duck Island en Maine.

El propósito de esta red es estudiar el microhábitat de varios organismos biológicos que habitan la isla.
Cualquier intervención humana (incluso con el propósito de aprender) es a veces innecesaria,
Aquí es donde vienen al rescate las redes de sensores, que permiten recolectar toda la información necesaria sin participación humana directa.

La red de sensores utiliza dos placas como elementos nodales. La primera placa contiene un sensor de temperatura, sensores de humedad y presión barométrica, y un sensor de infrarrojos. La segunda placa contiene un microprocesador (frecuencia 4 MHz), RAM 1KB de capacidad, memoria flash para almacenar programas y datos, fuente de alimentación (dos pilas AA) y transmisor de radio /
un receptor que funciona a una frecuencia de 900 MHz. Los sensores le permiten registrar toda la información necesaria y transferirla a la base de datos de la computadora host. Todos los sensores se prueban minuciosamente de antemano: la placa con sensores se sumerge en agua durante dos días y monitorea su funcionalidad. Todos los nodos sensores forman una única red inalámbrica y pueden intercambiar información. En este caso, la transferencia de información desde un nodo de red remoto a una puerta de enlace (Gateway Sensor) se produce a lo largo de una cadena, es decir, de un nodo de red a otro, lo que le permite crear una gran área de cobertura.

La información llega a la computadora host a través de la puerta de enlace. La puerta de enlace utiliza una antena direccional, que permite aumentar la distancia de transmisión hasta 300 m Desde la computadora principal, la información se transmite vía satélite a través de Internet a un centro de investigación ubicado en California.

El personal del laboratorio no trabaja menos activamente en biología de precisión y creación de biochips. Además de la percepción sensorial del mundo de las cosas sólidas, se investiga la posibilidad de "sentir" medios líquidos y biológicos, objetos en desarrollo. Esta investigación abre enormes perspectivas para el desarrollo médico y farmacéutico, la implementación de procesos químicos y la fabricación de medicamentos biológicos. Dado que el objetivo principal de las redes de sensores es la percepción y la transmisión información útil, Los especialistas del laboratorio de Intel Berkeley están desarrollando un método para combinar sensores con objetos que son responsables de monitorear, y también están explorando la posibilidad de crear "actuadores", dispositivos basados ​​en sensores que le permiten influir en una situación y no solo registrar su estado. . Las redes de sensores son obviamente útiles para aplicaciones militares, una de las posibles variaciones de las redes fue el "combate" probado en Afganistán, donde el ejército estadounidense ha desplegado varios cientos de sensores para rastrear los movimientos del equipo militar enemigo. Sin embargo, en la introducción
Es demasiado pronto para decir redes reales en nuestra vida, la red es vulnerable a la tolerancia a fallas. Un ataque de denegación de servicio (DoS) en una red de sensores es cualquier evento que reduce o elimina la capacidad de la red para realizar su función prevista. Los autores proponen basar los protocolos de red de sensores en una arquitectura en capas, lo que puede dañar la eficiencia de la red, pero aumentar su confiabilidad. Se discuten los tipos de ataques DoS que son típicos para cada capa y los métodos aceptables de protección. Por lo tanto, incluso hoy, a pesar de la imperfección y aún un rango de uso bastante limitado, las redes de sensores se están utilizando en la ciencia y más adelante en la vida.

Se utilizaron materiales de los sitios:

Maxim Sergievsky

Nuevas tecnologías inalámbrico y el progreso en el campo de la producción de microcircuitos ha permitido, en los últimos años, pasar al desarrollo práctico y la implementación de una nueva clase de sistemas de comunicación distribuida: las redes de sensores.

Las redes de sensores inalámbricos (redes de sensores inalámbricos) constan de dispositivos informáticos y de comunicación en miniatura: mots ( De inglés motas - partículas de polvo) o sensores. Una mota es una tabla que generalmente no mide más de una pulgada cúbica. La placa contiene un procesador, memoria flash y convertidores operativos, de digital a analógico y de analógico a digital, un transceptor de radiofrecuencia, una fuente de alimentación y sensores. Los sensores pueden ser muy diversos; están conectados mediante conectores analógicos y digitales. Con más frecuencia que otros, se utilizan sensores de temperatura, presión, humedad, luz, vibración, con menos frecuencia: magnetoeléctricos, químicos (por ejemplo, midiendo el contenido de CO, CO2), sonido y algunos otros. El conjunto de sensores utilizados depende de las funciones realizadas por las redes de sensores inalámbricos. El mot está alimentado por una pequeña batería. Las motas se utilizan solo para la recopilación, el procesamiento primario y la transmisión de datos sensoriales. Apariencia bots fabricados por varios fabricantes se muestra en la Fig. 1.

El principal procesamiento funcional de los datos recopilados por las motas se lleva a cabo en el nodo, o puerta de enlace, que es una computadora bastante poderosa. Pero para procesar los datos, primero debe obtenerlos. Para ello, el nodo debe estar equipado con una antena. Pero en cualquier caso, solo las motas que están lo suficientemente cerca son accesibles al nodo; en otras palabras, el nodo no recibe información directamente de cada mota. El problema de obtener información sensorial recopilada por mots se resuelve de la siguiente manera. Las motes pueden intercambiar información entre sí mediante transceptores de radiofrecuencia. Esta es, en primer lugar, información sensorial leída de los sensores y, en segundo lugar, información sobre el estado de los dispositivos y los resultados del proceso de transferencia de datos. La información se transmite de unas motas a otras a lo largo de la cadena y, como resultado, las motas más cercanas a la puerta de enlace descartan toda la información acumulada en ella. Si algunas de las motas fallan, la red de sensores debería seguir funcionando después de la reconfiguración. Pero en este caso, naturalmente, el número de fuentes de información disminuye.

Para realizar las funciones, se instala un sistema operativo especializado en cada motor. La mayoría de las redes de sensores inalámbricos actuales utilizan TinyOS, un sistema operativo desarrollado en la Universidad de Berkeley. TinyOS se refiere al software con fuente abierta; está disponible en www.tinyos.net. TinyOS es un sistema operativo en tiempo real impulsado por eventos diseñado para operar con recursos informáticos limitados. Este sistema operativo permite que las motas establezcan conexiones automáticamente con los vecinos y formen una red de sensores de una topología determinada. La última versión de TinyOS 2.0 llegó en 2006.

El factor más importante en la red de sensores inalámbricos es la capacidad limitada de las baterías instaladas en las motas. Debe tenerse en cuenta que a menudo no es posible reemplazar las baterías. En este sentido, es necesario realizar en mots solo el procesamiento primario más simple, enfocado a reducir la cantidad de información transmitida y, lo más importante, a minimizar el número de ciclos de recepción y transmisión de datos. Para solucionar este problema, se han desarrollado protocolos de comunicación especiales, los más famosos son los protocolos de la alianza ZigBee. Esta alianza (sitio web www.zigbee.org) se creó en 2002 específicamente para coordinar el trabajo en el campo de las redes de sensores inalámbricos. Incluye los mayores desarrolladores de hardware y herramientas de software: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI y muchos otros (más de 200 miembros en total). Intel no es miembro de la alianza, aunque apoya sus actividades.

En principio, para desarrollar un estándar, incluida una pila de protocolos para redes de sensores inalámbricos, ZigBee utilizó el desarrollado previamente Estándar IEEE 802.15.4, que describe la capa de acceso físico y de medios para redes de datos inalámbricas de corto alcance (hasta 75 m) con bajo consumo de energía, pero con un alto grado de confiabilidad. En la tabla se dan algunas características de la transmisión de datos por radio para el estándar IEEE 802.15.4. 1.

Tabla 1. Características de la transmisión de datos por radio para IEEE 802.15.4

Sobre este momento ZigBee ha desarrollado el único estándar en esta área, que está respaldado por la disponibilidad de producción de hardware totalmente compatible y productos de software... Los protocolos ZigBee permiten que los dispositivos hibernen b O la mayor parte del tiempo, lo que prolonga significativamente la vida útil de la batería.

Es obvio que no es tan fácil desarrollar esquemas de intercambio de datos entre cientos e incluso miles de mots. Entre otras cosas, es necesario tener en cuenta el hecho de que las redes de sensores operan en rangos de frecuencia sin licencia, por lo que, en algunos casos, pueden ocurrir interferencias causadas por fuentes extrañas de señales de radio. También es recomendable evitar la transmisión repetida de los mismos datos, y además, tener en cuenta que debido a una intensidad energética insuficiente e influencias externas, las motas fallarán para siempre o durante algún tiempo. En todos estos casos, los esquemas de comunicación deben modificarse. Dado que una de las funciones más importantes de TinyOS es la selección automática del diseño de la red y las rutas de transferencia de datos, las redes de sensores inalámbricos son esencialmente autoconfigurables.

La mayoría de las veces, una mota debería poder determinar de forma independiente su ubicación, al menos en relación con la otra mota al que transmitirá datos. Es decir, primero, se identifican todas las motas y luego se forma un esquema de enrutamiento. En general, todas las motas, dispositivos del estándar ZigBee, se dividen en tres clases según el nivel de complejidad. El más alto de ellos, el coordinador, gestiona el funcionamiento de la red, almacena datos sobre su topología y sirve como puerta de enlace para transmitir los datos recopilados por toda la red de sensores inalámbricos para su posterior procesamiento. En las redes de sensores, se suele utilizar un coordinador. Un moto de complejidad media es un enrutador, es decir, puede recibir y transmitir datos, así como determinar la dirección de transmisión. Finalmente, el mote más simple solo puede transmitir datos al enrutador más cercano. Por lo tanto, resulta que el estándar ZigBee admite una red con una arquitectura de clúster (Fig. 2). El clúster está formado por un enrutador y las motas más simples a las que solicita datos sensoriales. Los enrutadores de clúster se transmiten datos entre sí y, en última instancia, los datos se pasan al coordinador. El coordinador suele tener una conexión a la red IP, donde se envían los datos para su procesamiento final.

En Rusia, también se están llevando a cabo desarrollos relacionados con la creación de redes de sensores inalámbricos. Así, la empresa High-Tech Systems ofrece su plataforma de hardware y software MeshLogic para la construcción de redes de sensores inalámbricas (sitio web www.meshlogic.ru). La principal diferencia entre esta plataforma y ZigBee es su enfoque en la construcción de redes de malla peer-to-peer (Fig. 3). En tales redes funcionalidad cada mota es igual. La posibilidad de autoorganización y autocuración de las redes de topología en malla permite, en caso de que falle una parte de las motas, formar espontáneamente una nueva estructura de red. Es cierto que, en cualquier caso, necesita una unidad funcional central que reciba y procese todos los datos, o una puerta de enlace para transferir datos a la unidad de procesamiento. Las redes creadas espontáneamente se denominan a menudo el término latino Ad Hoc, que significa "para un caso específico".

En las redes MeshLogic, cada mote puede realizar la retransmisión de paquetes, que es similar en función a un enrutador ZigBee. Las mallas MeshLogic son completamente autoorganizadas: no se proporciona ningún nodo coordinador. Como se pueden utilizar transceptores de RF en MeshLogic varios dispositivos, en particular Cypress WirelessUSB, que, al igual que los dispositivos ZigBee, funcionan en el rango de frecuencia de 2,4 ... 2,4835 GHz. Cabe señalar que solo existen las capas inferiores de la pila de protocolos para la plataforma MeshLogic. Se cree que niveles superiores, en particular la red y la aplicación, se crearán para aplicaciones específicas. Las configuraciones y los parámetros básicos de dos motas MeshLogic y una mota ZigBee se muestran en la Tabla. 2.

Tabla 2. Principales características de mots de diferentes fabricantes

Tenga en cuenta que no hay sensores táctiles integrados en estas placas.

Señalemos lo primero que distingue a las redes de sensores inalámbricos de las redes informáticas convencionales (cableadas e inalámbricas):

• ausencia total de cables: eléctricos, de comunicación, etc.
• la posibilidad de colocación compacta o incluso integración de mots en objetos ambientales;
• confiabilidad de ambos elementos individuales y, lo que es más importante, de todo el sistema en su conjunto; en algunos casos, la red puede funcionar si solo el 10-20% de los sensores (mots) están en buen estado de funcionamiento;
• sin necesidad de personal para la instalación y el mantenimiento.

Las redes de sensores se pueden utilizar en muchas áreas de aplicación. Las redes de sensores inalámbricos son nuevas tecnología prometedora, y todos los proyectos relacionados están en su mayoría en desarrollo. Indiquemos las principales áreas de aplicación de esta tecnología:

• sistemas de defensa y seguridad;
• control ambiental;
• seguimiento de equipos industriales;
• sistemas de seguridad;
• seguimiento del estado de las tierras agrícolas;
• gestión de suministro de energía;
• control de sistemas de ventilación, aire acondicionado e iluminación;
• alarma de incendios;
• control de inventario;
• seguimiento del transporte de mercancías;
• seguimiento del estado fisiológico de una persona;
• control de personal.

De un número bastante grande de ejemplos del uso de redes de sensores inalámbricos, destacaremos dos. El más famoso es quizás el despliegue de la red a bordo de un petrolero BP. Allí, mediante una red construida sobre la base de equipos Intel, se monitoreó el estado de la embarcación con el fin de organizar su mantenimiento preventivo. BP analizó si la red de sensores podría operar a bordo de un barco en las temperaturas extremas, las altas vibraciones y los niveles significativos de interferencia de radiofrecuencia que se encuentran en algunas áreas del barco. El experimento fue exitoso, varias veces la reconfiguración y restauración de la operatividad de la red se llevaron a cabo de forma automática.

Un ejemplo de otro proyecto piloto que se ha implementado es el despliegue de una red de sensores en una base de la Fuerza Aérea de EE. UU. En Florida. El sistema demostró buenas oportunidades Reconocer varios objetos metálicos, incluidos los móviles. El uso de la red de sensores permitió detectar la penetración de personas y automóviles en el área controlada y rastrear sus movimientos. Para solucionar estos problemas se utilizaron motas equipadas con sensores magnetoeléctricos y de temperatura. Actualmente, el alcance del proyecto se está expandiendo y ya se está instalando una red de sensores inalámbricos en un sitio de prueba de 10,000 x 500 M. Varias universidades estadounidenses están desarrollando el software de aplicación correspondiente.

Las ventajas de las tecnologías de redes de sensores inalámbricas se pueden utilizar de manera eficaz para resolver diversos problemas aplicados relacionados con la recopilación, el análisis y la transmisión distribuidos de información.

Automatización de edificios

En algunas aplicaciones de automatización de edificios, el uso de sistemas tradicionales de transmisión de datos por cable no es práctico por razones económicas.

Por ejemplo, necesita implementar un nuevo o expandir el sistema existente en un edificio operado. En este caso, el uso de soluciones inalámbricas es la opción más aceptable, porque no se requieren trabajos de instalación adicionales en violación de la decoración interior del local, prácticamente no se causan inconvenientes a los empleados o residentes del edificio, etc. Como resultado, el costo de implementación del sistema se reduce significativamente.

Otro ejemplo serían los edificios de oficinas con planificación libre, para los que es imposible especificar la ubicación exacta de los sensores durante la fase de diseño y construcción. Al mismo tiempo, el diseño de las oficinas se puede cambiar muchas veces durante la operación del edificio, por lo tanto, el tiempo y el dinero invertidos en reconfigurar el sistema deben ser mínimos, lo que se puede lograr mediante el uso de soluciones inalámbricas.

Además, se pueden citar los siguientes ejemplos de sistemas basados ​​en redes de sensores inalámbricos:

• monitoreo de temperatura, consumo de aire, presencia de personas y control de equipos de calefacción, ventilación y aire acondicionado para mantener un microclima;
• control de iluminación;
• gestión de suministro de energía;
• recopilación de lecturas de medidores de apartamentos para gas, agua, electricidad, etc.
• seguimiento del estado de las estructuras portantes de edificios y estructuras.

Automatización industrial

Hasta ahora, el uso generalizado de la comunicación inalámbrica en el campo de la automatización industrial se veía restringido por la baja confiabilidad de los canales de radio en comparación con las conexiones por cable en las duras condiciones industriales, pero las redes de sensores inalámbricos están cambiando fundamentalmente la situación, ya que por su naturaleza, son resistentes a diversos tipos de perturbaciones (por ejemplo, daños físicos en el nodo, aparición de interferencias, cambios en los obstáculos, etc.). Además, en algunas condiciones, una red de sensores inalámbricos puede proporcionar una fiabilidad incluso mayor que un sistema de comunicación por cable.

Las soluciones basadas en redes de sensores inalámbricos cumplen plenamente con los requisitos de la industria:

• Tolerancia a fallos;
• escalabilidad;
• adaptabilidad a las condiciones operativas;
• eficiencia energética;
• teniendo en cuenta las particularidades del problema aplicado;
• Rentabilidad económica.

Las tecnologías de redes de sensores inalámbricas se pueden utilizar en las siguientes tareas de automatización industrial:

• control remoto y diagnóstico de equipos industriales;
• mantenimiento de equipo estado actual(previsión del margen de seguridad);
• seguimiento de los procesos productivos;
• telemetría para investigación y pruebas.

Otras aplicaciones

Las características únicas y las diferencias de las redes de sensores inalámbricos de los sistemas tradicionales de transmisión de datos inalámbricos y cableados hacen que su uso sea efectivo en una amplia variedad de áreas. Por ejemplo:

• seguridad y defensa:
  • control sobre el movimiento de personas y equipos;
  • fondos comunicación operativa e inteligencia;
  • control perimetral y monitoreo remoto;
  • asistencia en la realización de operaciones de salvamento;
  • vigilancia de la propiedad y los objetos de valor;
  • seguridad y alarma contra incendios;
• monitoreo ambiental:
  • vigilancia de la contaminación;
  • Agricultura;
• cuidado de la salud:
  • seguimiento del estado fisiológico de los pacientes;
  • control de ubicación y notificación al personal médico.

Redes de sensores distribuidas

¿Qué son las redes de sensores inalámbricos?

Sensores y dispositivo recibido

Las redes de sensores inalámbricos se construyen a partir de nodos llamados motas (mota): pequeños dispositivos independientes que funcionan con baterías y microchips con comunicación por radio a una frecuencia, por ejemplo, 2,4 GHz. Un software especial permite a los mots organizarse en redes distribuidas, comunicarse entre sí, sondear e intercambiar datos con los nodos más cercanos, cuya distancia no suele superar los 100 metros.

En la literatura en lengua inglesa, esta red se denomina red de sensores inalámbricos(WSN) es una red inalámbrica compuesta por dispositivos autónomos distribuidos geográficamente que utilizan sensores para monitorear de manera conjunta las condiciones físicas o ambientales en diferentes áreas.

Pueden medir parámetros como temperatura, sonido, vibración, presión, movimiento de objetos o aire. El desarrollo de redes de sensores inalámbricos fue motivado originalmente por tareas militares, como monitorear el campo de batalla. Las redes de sensores inalámbricos ahora se utilizan cada vez más en muchas áreas de la vida civil, incluida la vigilancia industrial y ambiental, la atención médica y el control de movimiento de objetos. El campo de aplicación es cada vez más amplio.

Principios básicos de trabajo

Diagrama de red de 3 niveles. 1er nivel de sensores y pasarela. 2do nivel del servidor. Cliente ligero de tercer nivel

Cada nodo de la red: agudeza equipado con un transceptor de radio u otro dispositivo de comunicación inalámbrico, un pequeño microcontrolador y una fuente de alimentación, generalmente una batería. Es posible el uso de paneles solares u otras fuentes de energía alternativas

Los datos de elementos distantes se transmiten a través de la red entre los más cercanos de nodo a nodo, a través de un canal de radio. Como resultado, el paquete de datos se transmite desde el móvil más cercano a la pasarela. La puerta de enlace está conectada, por regla general, con un cable USB al servidor. En el servidor: los datos recopilados se procesan, almacenan y se puede acceder a ellos a través del shell WEB para un gran número de usuarios.

El costo de un nodo sensor varía desde cientos de dólares hasta unos pocos centavos, según el tamaño de la red de sensores y su complejidad.

Hardware y estándares

Gateway (2 piezas), conectado a una computadora portátil con un cable USB. La computadora portátil está conectada a Internet a través de UTP y actúa como servidor

Sensores con antena de radio

Protocolos y hardware de nodo inalámbrico redes entre los nodos están optimizados para el consumo de energía para garantizar una larga vida útil del sistema con fuentes de alimentación autónomas. Dependiendo del modo de funcionamiento, la vida útil del nodo puede alcanzar varios años.

Actualmente, se han ratificado o se están desarrollando varios estándares para redes de sensores inalámbricos. ZigBee es un estándar diseñado para el uso de elementos como control industrial, detección integrada, recopilación de datos médicos, automatización de edificios. El desarrollo de Zigbee se ve facilitado por un gran consorcio de empresas industriales.

• WirelessHART es una extensión del protocolo HART para automatización industrial. WirelessHART se agregó al protocolo HART común como parte de la especificación HART 7, que fue aprobada por HART Communications Foundation en junio de 2007.
• 6lowpan es el estándar establecido para la capa de red, pero aún no se ha adoptado.
• ISA100 es otro trabajo en un intento de ingresar a la tecnología WSN, pero está construido de manera más amplia para incluir realimentación control en su área. La implementación de ISA100 basada en los estándares ANSI está programada para completarse a fines del año 2008.

WirelessHART, ISA100, ZigBee y todos se basan en el mismo estándar: IEEE 802.15.4 - 2005.

Software de red de sensores inalámbricos

Sistema operativo

Los sistemas operativos para redes de sensores inalámbricos son menos complejos que los sistemas operativos genéricos debido a los recursos limitados en hardware red de sensores. Debido a esto, sistema operativo no es necesario habilitar el soporte para interfaces de usuario.

El hardware de la red de sensores inalámbricos no difiere de los sistemas integrados tradicionales y, por lo tanto, se puede utilizar un sistema operativo integrado para las redes de sensores.

Aplicaciones de visualización

Software de visualización de resultados de medición y generación de informes MoteView v1.1

Los datos de las redes de sensores inalámbricos se almacenan normalmente como datos digitales en una estación base central. Hay mucho programas estándar como TosGUI MonSense, GNS, lo que facilita la visualización de estas grandes cantidades de datos. Además, el Open Consortium (OGC) especifica estándares para la interoperabilidad e interoperabilidad de la codificación de metadatos, lo que permite que cualquiera pueda monitorear o controlar una red de sensores inalámbricos en tiempo real a través del navegador web.

Para trabajar con los datos provenientes de los nodos de la red de sensores inalámbricos, se utilizan programas para facilitar la visualización y evaluación de los datos. Uno de estos programas es MoteView. Este programa te permite visualizar datos en tiempo real y analizarlos, construir todo tipo de gráficos, emitir informes en varias secciones.

Beneficios de usar

• No es necesario tender cables para la fuente de alimentación y la transmisión de datos;
• Bajo costo de componentes, instalación, puesta en servicio y mantenimiento del sistema;
• Implementación de red rápida y sencilla;
• Fiabilidad y tolerancia a fallos de todo el sistema en su conjunto en caso de fallo de nodos o componentes individuales;
• La capacidad de implementar y modificar la red en cualquier instalación sin interferir con el funcionamiento de las mismas.
• Posibilidad de instalación rápida y, si es necesario, encubierta de todo el sistema en su conjunto.

Cada sensor tiene el tamaño de una tapa de cerveza (pero podría reducirse en un factor de cientos en el futuro) y contiene un procesador, una memoria y un transmisor de radio. Dichas coberturas pueden estar dispersas en cualquier territorio y ellas mismas establecerán comunicación entre sí, formarán una única red inalámbrica y comenzarán a transmitir datos a la computadora más cercana.

Conectados en una red inalámbrica, los sensores pueden rastrear parámetros ambientales: movimiento, luz, temperatura, presión, humedad, etc. El monitoreo se puede realizar en un área muy grande, porque los sensores transmiten información a lo largo de una cadena de vecino a vecino. La tecnología les permite trabajar durante años (incluso décadas) sin cambiar las pilas. Las redes de sensores son sentidos universales para una computadora, y todos los objetos físicos del mundo que están equipados con sensores pueden ser reconocidos por una computadora. En el futuro, cada uno de los miles de millones de sensores recibirá una dirección IP e incluso pueden formar algo así como una red global de sensores. Hasta ahora, solo el ejército y la industria están interesados ​​en las capacidades de las redes de sensores. El mercado está en auge este año, según el último informe de ON World, que se especializa en investigar el mercado de redes de sensores. Otro punto a destacar este año fue el lanzamiento del primer sistema ZigBee de un solo chip del mundo (fabricado por Ember). Entre las grandes empresas industriales estadounidenses encuestadas por ON World, alrededor del 29% ya está utilizando redes de sensores, y otro 40% planea implementarlas en 18 meses. En Estados Unidos, han aparecido más de un centenar de empresas comerciales que se dedican a la creación y mantenimiento de redes de sensores.

Para finales de este año, el número de sensores en el planeta superará el millón, ahora no solo crece el número de redes, sino también su tamaño. Por primera vez, se crearon y operaron con éxito varias redes de más de 1000 nodos, incluida una para 25 mil nodos.

Fuente: Web PLANET

Aplicaciones

Las aplicaciones de WSN son muchas y variadas. Se utilizan en sistemas comerciales e industriales para monitorear datos que son difíciles o costosos de monitorear usando sensores cableados. Los WSN se pueden usar en áreas de difícil acceso donde pueden permanecer durante muchos años (monitoreo ambiental) sin la necesidad de reemplazar las fuentes de alimentación. Pueden controlar las acciones de los infractores del objeto protegido.

WSN también se usa para monitoreo, seguimiento y control. A continuación se muestran algunas aplicaciones:

• Monitoreo de humo y detección de incendios de grandes bosques y turberas
• Fuente de información adicional para los centros de crisis de la administración de las entidades integrantes de la Federación de Rusia
• Detección sísmica de tensión potencial.
• Observaciones militares
• Detección acústica de movimiento de objetos en sistemas de seguridad.
• Monitoreo ambiental del espacio y el medio ambiente.
• Monitorización de procesos industriales, uso en sistemas MES
• Vigilancia médica

Automatización de edificios:

	monitoreo de temperatura, flujo de aire, presencia de personas y control de equipos para el mantenimiento de un microclima;
	control de iluminación;
	gestión de suministro de energía;
	recopilación de lecturas de medidores de apartamentos para gas, agua, electricidad, etc.
	seguridad y alarma contra incendios;
	seguimiento del estado de las estructuras portantes de edificios y estructuras.

Automatización industrial:

	control remoto y diagnóstico de equipos industriales;
	mantenimiento de equipos de acuerdo con el estado actual (previsión del margen de seguridad);
	seguimiento de los procesos productivos;