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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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Es destacable el hecho de que, para determinadas potencias de transmisión, un nodo sensor puede consumir más energía en recepción que en transmisión. De todos modos, la potencia empleada en las comunicaciones depende linealmente de la frecuencia con la cual se realizan transmisiones y recepciones. Por otra parte, los periodos de preparación para que un transceptor pase de modo inactivo a activo también consumen energía y no deben menospreciarse.

Se pueden emplear dispositivos de almacenaje de energía para alimentar a los nodos de una WSN. Estos dispositivos pueden ser baterías primarias (como las que se emplean para alimentar electrodomésticos habituales) o secundarias (estas últimas son baterías recargables), o bien los denominados supercondensadores.

Pese a que se está realizando un esfuerzo importante por reducir el consumo energético de los nodos sensores, se están considerando fuentes de energía alternativas para maximizar el tiempo de vida de los nodos de una

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WSN. En particular, se está considerando la obtención de la energía que puede existir en el ambiente. Algunas posibles fuentes de energía son la radiación solar, la energía mecánica (el movimiento, la presión o la vibración), los gradientes de temperatura, los flujos de viento y/o líquido y la radiación electromagnética ambiental. Este tipo de fuentes ofrecen niveles de potencia bajos, variables y difíciles de predecir, dada su naturaleza.

Además, en muchos casos, requieren el uso de extensiones aparatosas y caras. Sin embargo, existen dispositivos comerciales que incorporan una placa solar para su alimentación (p. ej. el nodo Eko de Crossbow), o productos como los ofrecidos por EnOcean, que constituyen soluciones auto-alimentadas de WSNs.

15. Localización en redes de sensores

Un nodo sensor es capaz de obtener una o varias magnitudes físicas como la temperatura o humedad de un determinado punto o lugar. Este valor debe ser interpretado en el momento de su captura o en una fecha posterior. En cualquiera de los dos casos, cuanta más información de contexto de la medida se tenga, mejor podrá ser la interpretación de la misma.

Por ejemplo, si las medidas son de sensores próximos es lógico pensar que estén correladas. Una de las informaciones de contexto más interesantes es, sin duda, la localización física del sensor. De hecho, la propia localización se puede ver como un dato que el sensor puede ofrecer.

La localización puede ser física (las coordenadas geográficas, distancia…) o lógica (en la tercera planta del edificio C3, del campus Norte de la universidad). Para poder conocer la localización de un nodo se debe disponer de referencias. Si estas referencias son absolutas, la localización que se pueda derivar será absoluta. Si son relativas, se conseguirá una localización relativa. Una de las técnicas de localización física absoluta más utilizada es el sistema GPS, pero a pesar de los avances en la reducción de consumo de los receptores de GPS, no es una solución que atienda las necesidades de la localización en redes de sensores. La limitada precisión, el no poder funcionar en interiores y el mencionado consumo hacen que esta solución sea inapropiada en la mayoría de los casos. Para su uso en redes de sensores se

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debe considerar el bajo coste y consumo, la limitada capacidad de comunicación y proceso, y la posibilidad de usarse en interiores.

La localización se puede obtener por métodos de proximidad, de posicionado o por patrones (fingerprinting). La proximidad consiste en asociar la localización del sensor con la de la referencia a la que se encuentra más próximo. El posicionado trata de determinar las coordenadas del objeto.

Para este propósito se pueden usar distancias, ángulos o combinaciones de ambos. Una localización en tres dimensiones precisa de tres de estas magnitudes. La medida de distancias y ángulos depende del tipo de señal física que se maneje. La localización por clasificación se basa en asociar patrones de señales a localizaciones.

Las señales habitualmente usadas en redes de sensores para localización son señales radio, infrarrojos y ultrasonidos. La señal radio es la propia señal disponible del interfaz de comunicación, mientras que las otras dos son señales especificas que se deben que se deben transmitir y recibir, empleando los “sensores” correspondientes.

La localización por proximidad consiste en recibir señales de una o varias referencias y decidir que se está localizado en la referencia de la que se recibe mayor nivel de señal. Normalmente se usan señales radio o infrarrojos para este tipo de localización.

La localización por posicionado se realiza básicamente con señales radio y con ultrasonidos. Los ultrasonidos presentan una velocidad de propagación lenta (330 m/s) para la cual es fácil medir tiempos absolutos o diferencias de tiempos con los relojes convencionales existentes en lo nodos sensores. Estos tiempos pueden ser convertidos en ángulos de llegada de la señal y distancias que a su vez nos dan la posición respecto las referencias.

Los ultrasonidos se ven confinados entre paredes, su alcance puede llegar a la quincena de metros y los transmisores son directivos, por lo que una localización en cualquier punto exige un número de referencias mínimo de tres por habitación. Por contrapartida, ofrecen precisiones de centímetros. Para las señales de radio basadas en IEEE 802.15.4, lo más común es usar la relación entre atenuación y distancia para estimar la separación a una referencia. Con tres distancias a diferentes referencias se puede ofrecer una posición. Dado que hay otros efectos que afectan a la atenuación, la estimación





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de la distancia puede tener errores de varios metros si no se aplican técnicas de corrección, por ejemplo la medida del tiempo de vuelo de la señal radio es una técnica que puede mejorar la precisión. Para poder conseguir medidas de distancias basadas en tiempo de vuelo con precisiones de centímetros, se desarrolló en interfaz radio IEEE 802.15.4a, pero por el momento no existen productos comerciales que lo implementen.

La localización por patrones emplea principalmente señales radio.

Consiste en tener un número de referencias que transmiten diferentes señales (generalmente a diferente frecuencia) que cubren el espacio en el que se quiere hacer la localización. Los transmisores se ubicarán de modo que en cualquier punto se reciban varias señales. En una primera fase de funcionamiento el sistema debe ser entrenado creando una base de datos con las localizaciones y las señales y niveles recibidos en ese punto. En funcionamiento el dispositivo a localizar debe medir de forma continua las señales del sistema y reportar a un elemento central estos niveles. Este elemento intenta buscar coincidencias entre las medidas reportadas y las almacenadas en la base de datos para las distintas posiciones. La localización de la base de datos que mejor se ajuste al conjunto de medidas será la localización asignada al objeto. Este método ofrece una precisión que depende del detalle de la calibración realizada y del número de señales de señales de referencia. Requiere calibración en caso de que se vea modificada la propagación de señales. Los sistemas existentes ofrecen precisiones de varios metros.

Para el caso de querer localizar un nodo sensor cuando no se tiene de forma directa el número de referencias necesario es posible usar localizaciones mutuas o derivadas. Se trata de localizar un conjunto de nodos sensores a partir de un número limitado de referencias y las localizaciones relativas que efectúan los nodos sensores entre ellos. Existen diferentes algoritmos, pero resultan complejos para las prestaciones de los sensores.

16. Middleware En el ámbito de los sistemas distribuidos es común usar un software específico para facilitar el desarrollo de aplicaciones. Este software se inter

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pone entre el sistema y la aplicación por lo que recibe el nombre de middleware. Este software puede realizar funciones diversas que faciliten la gestión de la red, la mejora de la fiabilidad, la calidad de servicio, la gestión de los datos y de la energía entre otras. De forma simplista podríamos decir que el middleware es “el pegamento” que une el hardware, el sistema operativo del nodo sensor, la propia red de sensores, su relación con el mundo exterior (conectividad, bases de datos, desarrolladores o programadores, usuarios, etc) y la aplicación o aplicaciones que realiza todo el sistema.

Una red de sensores, como sistema distribuido, tiene una serie de características que lo diferencian de los sistemas distribuidos clásicos. Los nodos sensores tienen limitaciones (memoria, procesador, enlace y alimentación) que recomiendan una programación a bajo nivel para poder obtener el

máximo de prestaciones. Como resultado el middleware en una red de sensores debe diferenciarse del de los sistemas middleware clásicos en:

• No hacer la aplicación independiente del escenario en el que se usa.

El middleware clásico esconde el entrono a la aplicación. En una red de sensores necesitamos captar el entorno y por ello no queremos que lo esconda.

• Incorporar elementos intermedios. Las soluciones tradicionales de middleware asumen una comunicación extremo a extremo. En las redes de sensores elementos como el sumidero o la pasarela son elementos que realizan funciones en la comunicación entre sensor y aplicación.

• Simplicidad en la parte software del nodo sensor. Las soluciones middleware añaden funcionalidad a costa de software adicional y comunicaciones. Dadas las limitaciones del nodo se deben hacer diseños lo más ligeros posible en esta parte del sistema.

El middleware como concepto tiene diversas implementaciones que cubren algunos de los aspectos que hemos citado como requerimientos y que se pueden realizar de diferentes formas. Una solución middleware completa debe ofrecer una abstracción al programador, funcionalidades que ayuden al programador, extensiones en el sistema operativo de los nodos y calidad de servicio.

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La abstracción de programación incluye una visión del sistema, cómo se interactúa con el middleware y con qué interfaces. La visión puede ser con respecto a la red o al nodo, y la interacción puede ser básicamente como con una base de datos o como una maquina virtual. De hecho la elección de una u otra depende del propósito de la red de sensores. Por último el tipo de interfaz puede ser descriptivo (indicando qué información se desea) o en base a comandos.

Las extensiones del sistema operativo pueden ser relativas a las comunicaciones entre procesos, la planificación de tareas, gestión de memoria y de potencia consumida.

La calidad de servicio en las redes de sensores amplía la acepción tradicional de este término. Se consideran aspectos como la entrega de datos, retardo de agregación o vida del sistema como parámetros de calidad de servicio.

En lo relativo a los servicios que ofrece el middleware, se pueden detallar los siguientes ejemplos:

• Gestión del código. Se trata de colocar en cada nodo el software adecuado para que el nodo realice la función. Este código debe ser cargado, instalado y actualizado si es necesario. Idealmente el código podría ser el mismo para diferentes nodos, pero en una red de sensores los requerimientos de prestaciones obligan a trabajar a bajo nivel y por ello a tener distintos códigos para distintos nodos.

• Gestión de datos. Una de las funciones de una red de sensores es la recogida de datos lo implica un proceso de datos y un almacenamiento. Aquí nuevamente las restricciones de proceso, y en particular las de comunicación, hacen que el compromiso proceso – comunicación sea diferente al de los sistemas convencionales. La posibilidad de agregar datos introduce un grado más de diferenciación.

• Descubrimiento de nuevos nodos y recursos.

• Gestión de recursos del sistema. Se especifica que nodos realizan ciertas funciones y como se mueven los datos entre los diferentes nodos.

• Integración. La red de sensores no será en la mayoría de los casos un sistema aislado. Se deberá poder interconectar por Internet con otros

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sistemas. El middleware puede ofrecer las funcionalidades de proxy que adapte protocolos, un interfaz de base de datos tipo SQL o un servicio web.

• Seguridad. Aspectos como la gestión de claves son tareas que puede realizar el middleware en el ámbito de la seguridad.

La mayoría de soluciones de middleware analizadas en este libro sólo realizan parte de los servicios que hemos descrito y por ello son soluciones parciales al problema que motiva el middleware. En la actualidad se reconoce la importancia del middleware en las redes de sensores.

17. Direcciones futuras

Se han identificado cinco áreas o líneas de trabajo e investigación relevantes de cara al futuro relacionadas con las redes de sensores.

La primera de ellas consiste en constatar la realidad de que cada vez más y más sensores están y estarán realizando determinadas funciones en nuestro entorno físico próximo (p. ej. tanto en la ropa u objetos que podamos llevar encima, como en los terminales móviles, como en la infraestructura próxima que nos rodea- edificios, farolas, etc.- en las ciudades). Las redes de sensores pueden ser el catalizador que aglutine toda esa información obtenida, facilite que se pueda poner en contexto y a partir de ella se puedan extraer servicios enriquecedores e innovadores para las personas o empresas.

La segunda línea de trabajo estará centrada en los propios nodos sensores, al objeto de conseguir que su rendimiento sea mejor (capacidad de procesado y de transmisión / recepción de datos) al tiempo que se consuma poca energía. Así, un aspecto importante será el de las fuentes de energía alternativas procedentes del propio entorno que palien los problemas de alimentación de los nodos sensores, que deben ser baratos y deben poder estar, en el peor caso, proporcionando servicios durante años en entornos a veces hostiles o de muy difícil acceso.



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