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«Carles Gómez Josep Paradells José E. Caballero Edita: Fundación Vodafone España Autores: Carles Gómez Montenegro* Universitat Politècnica de ...»

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• Teleasistencia médica: personas con problemas de salud (p. ej. ancianos, discapacitados, etc.) pueden beneficiarse del uso de sensores que midan sus parámetros biométricos, entre otros, para permitir su monitorización remota permanente. De este modo, se pueden llevar a cabo diagnósticos precisos y se pueden disparar alarmas en caso de que se detecte alguna situación de emergencia.

• Monitorización medioambiental: las propiedades de reducido tamaño y gran autonomía hacen de los sensores los elementos ideales para poder monitorizar el entorno. Los sensores se puede camuflar fácilmente o incluso colocarse encima de animales.

• Monitorización preventiva: tanto en infraestructuras como en sistemas mecánicos, las redes de sensores se pueden usar para realizar una monitorización continua de parámetros que permitan predecir el colapso de un puente o la rotura de una pieza. Para este propósito se usan sensores de vibración, desplazamiento o temperatura, principalmente.

Se debe disponer de un software que pueda extrapolar la evolución temporal de las medidas en potenciales problemas en los sistemas.

• Agricultura: la mejora de la productividad, no sólo en cantidad sino también en calidad, y la escasez de agua en ciertas regiones justifica el uso de sensores que permitan ver el grado de humedad del suelo para determinar el momento y la cantidad de riego. También la humedad de las hojas se puede usar para predecir la posibilidad de que ocurran infecciones de hongos, así como los medidores de radiación solar, para determinar el grado de madurez y por ello el momento ideal para la recolección. El uso de redes de sensores sin hilos se está planteando en cultivos como el de la vid, en los que se requiere un control preciso de la calidad.

• Automatización de edificios: un hogar o una oficina son lugares en los que se pueden encontrar diversos sensores, actuadores y dispositivos

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que deben ser controlados. Hasta la fecha, han existido soluciones especificas para cada área como climatización, control luminoso o seguridad, pero eran costosas, complejas de instalar y propietarias.

Con el desarrollo de las redes de sensores sin hilos se pueden unificar todas las soluciones en un único sistema, facilitando mejoras de funcionamiento y de coste.

• Medida de contadores: las empresas de suministro de gas, agua y electricidad llevan intentando realizar las lecturas de los contadores situados en casa del cliente de forma remota. Las redes de sensores en un primer paso han de medir el consumo y reportarlo al operador. En un segundo paso, del que ya se está hablando, se debe poder usar estas redes para poder interactuar con los equipos del usuario y poder realizar un control de la demanda y ofrecer servicios adicionales.

• Ciudades inteligentes: la gestión urbana engloba aspectos como la gestión de los equipamientos, zonas verdes, recogida de basuras, transporte público, alcantarillado, tráfico rodado e iluminación, para citar algunos. Las redes de sensores se pueden usar como monitores del correcto funcionamiento y como automatismos inteligentes. Se pueden controlar el riego de las zonas verdes, el ahorro en la iluminación en zonas sin presencia de personas, planificar la recogida de basuras en función de la ocupación de los contenedores o la identificación de plazas de aparcamiento disponibles. Esta información puede redundar en una reducción del personal y una mejora de la información ofrecida al ciudadano.

• Generación de contexto: los sensores, al poder captar parámetros físicos de entorno, tienen la capacidad de describirlo. Esta virtualización del entorno se puede usar para crear un contexto que facilite el uso de aplicaciones. Por ejemplo, el conocimiento de la localización se puede usar para entregar información adecuada al usuario o las condiciones de nivel de ruido o iluminación para ajustar el reproductor de contenidos. Los teléfonos móviles actuales disponen de una amplia gama de sensores (posición, temperatura, proximidad, aceleración, campo magnético). Además, en un futuro próximo, podrían disponer de interfaces

Sensores en todas partes

radio Bluetooth con modo de operación Low Energy, que les permitirán recoger información de otros sensores situados en las inmediaciones.

El mercado (productores, desarrolladores, usuarios, etc.) reconoce la necesidad de una estandarización. Ésta podrá dar al mercado el tamaño necesario para recuperar las inversiones en el desarrollo de la electrónica integrada, permitirá al desarrollador de aplicaciones reusar su experiencia y ofrecer al usuario multitud de aplicaciones a partir de información recogida de una gran variedad de redes de sensores.

Diversos foros han ganado protagonismo en la estandarización de las WSNs. El primero de ellos fue el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) que creó un grupo de trabajo específico en el ámbito de las redes de área personal de baja velocidad. El objetivo inicial no eran las WSN, pero sí la definición de una interfaz radio que se pudiese compartir y que fuese de bajas prestaciones. El citado grupo de trabajo ha desarrollado la familia de especificaciones IEEE 802.15.4 para los protocolos de capa física y de control de acceso al medio de esa interfaz radio. Por su parte, los fabricantes de circuitos integrados mayoritariamente lideraron la creación de otros foros de estandarización, como por ejemplo ZigBee Alliance (inspirados por el éxito de Wi-Fi Alliance, pero con objetivos mucho más ambiciosos). ZigBee Alliance ha especificado una pila completa de protocolos, usando en las capas física y MAC los protocolos definidos por IEEE 802.15.4. En el entorno de Internet, y ante la posibilidad de dotar a estos elementos de conectividad a Internet, el IETF también empezó su actividad en el área. Se ofreció inicialmente una capa de adaptación que permita el transporte de IP (versión 6 en particular) también sobre interfaces radio IEEE 802.15.4 (6LoWPAN WG). Esta actividad continuó con la definición de soluciones de encaminamiento (ROLL WG) y funcionalidades y aplicaciones de nivel superior (CoRE WG). Otro grupo de fabricantes y desarrolladores que se ha unido a la estandarización de las WSN ha sido el grupo de interés de Bluetooth (Bluetooth SIG) con la incorporación de una modificación del estándar denominada Bluetooth Low Energy. La ISO, viendo la necesidad de estándares mundiales para que la tecnología llegue a triunfar, ha creado un grupo de trabajo en el ámbito de la Internet de las cosas y el área de las WSN.





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Finalmente, fabricantes de tecnologías que por el momento se podrían catalogar como propietarias han creado foros para fomentar sus soluciones y ofrecer una imagen de estándar abierto y público, como por ejemplo Z-Wave Alliance, Wavenis Open Standard Alliance, INSTEON Alliance o EnOcean Alliance.

3. Capa física

Los nodos de una WSN emplean tecnologías radio para la transmisión de señales. Por tanto, estas tecnologías se pueden ver afectadas por problemas como la interferencia, la atenuación, la propagación multi–camino, etc. Las soluciones de capa física para WSNs deben hacer frente a estos fenómenos y, al mismo tiempo, deben posibilitar una implementación sencilla, dadas las restricciones de los nodos de una WSN (típicamente bajo consumo, pequeño tamaño y bajo coste).

Un parámetro fundamental en el diseño y evaluación de WSNs (al igual que ocurre en general en las redes de comunicaciones inalámbricas) es el radio de transmisión de un emisor, que se define como la máxima distancia desde la antena del emisor que da lugar a una relación señal a ruido (SNR) superior a la mínima requerida por el receptor. La potencia de la señal recibida depende de la distancia entre emisor y receptor y de la frecuencia portadora de la señal, entre otros parámetros.

Las bandas de frecuencia más utilizadas en redes WSN son cuatro:

(430 – 434) MHz, (865 – 870) MHz, (902-928) MHz y (2400 – 2483.5) MHz.

Se suelen denominar por la frecuencia típica de uso, que en cada caso es 433 MHz, 868 MHz, 915 MHz y 2,4 GHz respectivamente. Estas bandas han sido asignadas por la ITU y se reservan para uso privado y no licenciado, aunque en algún caso pueden estar sujetas a ciertas restricciones dependiendo de la regulación nacional o regional correspondiente. Salvo la banda de 915 MHz, el resto se emplea habitualmente en Europa.

El estándar IEEE 802.15.4 ofrece distintas soluciones de capa física en sus distintas versiones. Las características principales de IEEE 802.15.4se muestran en la Tabla 1.

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Tabla 1. Características de capa física de IEEE 802.

15.4-2003 El estándar IEEE 802.15.4-2006 incorpora soluciones de capa física opcionales basadas en ASK y O-QPSK, que proporcionan tasas de bits de 100 kbps y 250 kbps. Por otra parte, la especificación IEEE 802.15.4a define una capa física con tecnología UWB (que, al menos, debe ofrecer una tasa de 851 kbps) y otra basada en CSS (con tasas de 250 kbps y 1 Mbps).

La tecnología BT-LE emplea 40 canales en la banda de 2.4 GHz. Estos canales se dividen en canales de datos y de “anuncio” (empleados para la difusión de datos de señalización y control). Los canales de datos emplean FHSS para hacer frente a interferencias, mientras que los de anuncio emplean frecuencias fijas.

El uso de las mismas bandas de frecuencia (p. ej. la banda de 2.4 GHz) por parte de distintos sistemas plantea problemas de coexistencia. La diferente definición de las frecuencias portadoras entre los sistemas IEEE 802.11 e IEEE 802.15.

4 hace que las redes IEEE 802.15.4 pueden emplear canales no solapados con los de IEEE 802.11, mientras que Bluetooth dispone de mecanismos que evitan canales interferidos.

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Las WSNs son redes donde varios dispositivos comparten el mismo medio de transmisión (un canal radio). La capa de control de acceso al medio (MAC) se encarga de gestionar el acceso al medio por parte de los

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nodos. Los protocolos MAC de las WSNs difieren de los protocolos tradicionales en dos aspectos fundamentales: i) la conservación de energía es el principal principio de diseño y ii) tienen en cuenta el empleo de esquemas de comunicación multi–salto.

Según su principio de funcionamiento, la mayoría de los protocolos MAC para WSNs se pueden clasificar en protocolos basados en planificación, protocolos basados en contienda y protocolos basados en ciclo de trabajo. Los protocolos basados en planificación (p. ej. TDMA, LEACH, TRAMA) consisten en la asignación de intervalos temporales para la transmisión de un determinado nodo. Los protocolos basados en contienda (p. ej. CSMA, Sift, etc.) consisten en un acceso al medio probabilístico y no reservan recursos para la transmisión de los nodos. En estos casos, pueden ocurrir colisiones. Los protocolos basados en ciclo de trabajo (p. ej. S-MAC, T-MAC, DSMAC, etc.) emplean distintas estrategias para decidir cuándo la radio de un nodo está activada y cuándo está desactivada (sleep mode), así como en qué momento se realiza una transmisión.

La capa MAC de IEEE 802.15.4 ofrece dos soluciones. La primera asume la existencia de un nodo coordinador, que transmite señales de radio baliza (o beacons) para la sincronización entre dispositivos; en este caso, el acceso al medio se puede realizar sin contienda (mediante TDMA) y con contienda (con CSMA/CA). La segunda solución, donde no existe nodo coordinador, ofrece un acceso al medio con contienda. En ambos casos, IEEE 802.15.4 ofrece la posibilidad de que un nodo transmita una confirmación tras cada recepción correcta de trama (modo fiable). Las prestaciones del modo sin baliza se muestran en la Tabla 2. El tamaño máximo de una trama IEEE 802.15.4 es 127 bytes.

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Por su parte, BT-LE simplifica el número de estados y el procedimiento de transacción de datos entre los nodos involucrados. BT-LE incorpora el uso de confirmaciones y control de flujo mediante ventana deslizante. Las tramas de BT-LE tienen un tamaño máximo de 47 bytes.

5. Plataformas de nodos sensores

Un nodo sensor está compuesto por un conjunto de elementos como un procesador, memoria, transceptor radio, antena, fuente de energía y sensores o actuadores. Unas características comunes de estos elementos son la minimización del tamaño, del coste y del consumo energético. La mayoría de elementos se presentan montados en una placa de circuito impreso y se ofrece conectores a todos aquellos elementos que pueden tener más variabilidad en la elección, como antena, sensores o actuadores y fuente de alimentación. Cuando esta placa se dispone para ser usada en otro circuito integrado, se habla de módulo o de SiP (System in Package), si se encapsula como un circuito integrado. El procesador, el transceptor radio y la memoria se presentan como circuitos integrados en uno, dos o tres circuitos. Si procesador y transceptor se integran como un mismo circuito integrado se habla de un SoC (System on Chip). También es bastante común que procesador y memoria se integren en un solo chip.

El circuito transceptor se encarga de generar una señal de radiofrecuencia a partir de una de banda base digital y viceversa. Las bandas de frecuencias usadas corresponden a las ISM de mayor aceptación global como las de 433 MHz y 2,4 GHz. Las de 868 MHz y 915 MHz, a pesar de ser de ámbito más local, también disponen de transceptores integrados. El estándar más adoptado en los transceptores de un nodo sensor es el IEEE 802.15.4, pero también podemos encontrar otros genéricos (que permiten definir un interfaz radio diseñado en función de las necesidades, gustos o preferencias específicas de cada usuario) y otros propietarios. Están empezando a aparecer en el mercado transceptores de Bluetooth Low Energy. La potencia de salida de estos transceptores es del orden de unos pocos milivatios (1 a 10 mW). Para alcanzar mayores potencias se usa una etapa amplificadora. El medio radio es compartido y, por ello, se precisa un protocolo de acceso o

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