Un sistema WSN (Wireless Sensor
Network) de sensores inalámbricos
es una red con numerosos dispositivos
distribuidos espacialmente, que utilizan
sensores para controlar diversas condiciones
en distintos puntos, entre ellas
la temperatura, el sonido, la vibración,
la presión y movimiento o los contaminantes.
Los dispositivos son unidades autónomas que constan de un microcontrolador, una fuente de energía (casi siempre una batería), un radiotransceptor y un elemento sensor. Debido a las limitaciones de la vida de la batería, los nodos se construyen teniendo presente la conservación de la energía, y generalmente pasan mucho tiempo en modo ‘durmiente’ (sleep) de bajo consumo de potencia. Los nodos auto-organizan sus redes en una forma ad hoc, en lugar de tener una topología de red previamente programada.
Además, WSN tiene capacidad de auto-restauración, es decir, si se avería un nodo, la red encontrará nuevas vías para encaminar los paquetes de datos. De esta forma, la red sobrevivirá en su conjunto, aunque haya nodos individuales que pierdan potencia o se destruyan.
Una red de sensores inalámbricos es una infraestructura compuesta por elementos de cómputo, medición y comunicación que permite la administración de observar y reaccionar a eventos y fenómenos en un ambiente específico o escenario de riesgo. La infraestructura está compuesta de un conjunto de nodos de sensores, una red de interconexión inalámbrica, un nodo central de recolección de la información, se puede observar en la siguiente figura la infraestructura:
Figura 1. Arquitectura de la red de sensores inalámbricos.
Los dispositivos son unidades autónomas que constan de un microcontrolador, una fuente de energía (casi siempre una batería), un radiotransceptor y un elemento sensor. Debido a las limitaciones de la vida de la batería, los nodos se construyen teniendo presente la conservación de la energía, y generalmente pasan mucho tiempo en modo ‘durmiente’ (sleep) de bajo consumo de potencia. Los nodos auto-organizan sus redes en una forma ad hoc, en lugar de tener una topología de red previamente programada.
Además, WSN tiene capacidad de auto-restauración, es decir, si se avería un nodo, la red encontrará nuevas vías para encaminar los paquetes de datos. De esta forma, la red sobrevivirá en su conjunto, aunque haya nodos individuales que pierdan potencia o se destruyan.
Una red de sensores inalámbricos es una infraestructura compuesta por elementos de cómputo, medición y comunicación que permite la administración de observar y reaccionar a eventos y fenómenos en un ambiente específico o escenario de riesgo. La infraestructura está compuesta de un conjunto de nodos de sensores, una red de interconexión inalámbrica, un nodo central de recolección de la información, se puede observar en la siguiente figura la infraestructura:
WSN en el mundo de la automatización
industrial
Las aplicaciones industriales divergen
de la definición anterior en varios aspectos.
En primer lugar, todos los sensores
son vitales para la operación de
la planta. Esto significa que no se
puede admitir la pérdida de un nodo
aunque la red global siga siendo operativa.
Un nodo averiado tendrá que
ser sustituido.
En segundo lugar, el tiempo es esencial, mientras que un paquete de datos
en una WSN estándar puede emplear
un tiempo indeterminado desde
su origen hasta su destino, una aplicación
industrial requerirá frecuentemente
límites rigurosos de la máxima
demora permitida.
Finalmente, y a diferencia de una red
WSN estándar, las soluciones inalámbricas
en la industria suelen tener una infraestructura
cableada. Los datos salrán
desde los sensores y se propagarán
por la red hasta algún punto de unión, desde donde generalmente
serán transportados hasta un controlador
a través de un bus de alta velocidad.
Además de la clásica topología de red
mallada de WSN, existen dos topologías
comunes en la industria.
En la topología
de redes en estrella, predominante
hoy en día, los nodos inalámbricos se
comunican con un dispositivo de pasarela
(gateway) que hace de puente de
comunicación con una red cableada.
Una solución intermedia emergente y
común de WSN es tener dispositivos encaminadores
(routers)
que comunican con la pasarela.
Los sensores sólo necesitan establecer la comunicación punto a punto con los routers y por consiguiente, pueden seguir siendo sencillos y de baja potencia, al tiempo que se mejora el rango y la redundancia de la propia red.
Ventajas de WSN
La comunicación inalámbrica en aplicaciones industriales tiene muchas ventajas. Además de una mayor fiabilidad, la ventaja más reconocida es el bajo coste de instalación. Los emplazamientos industriales suelen ser entornos severos, con requisitos muy exigentes en cuanto al tipo y calidad del cableado. Prescindir de los cables significa que las instalaciones son más baratas, sobre todo cuando se trata de modernizar o actualizar versiones antiguas, un caso en que puede ser difícil proyectar los cables adicionales necesarios en una instalación ya de por sí congestionada.
WSN introduce nuevas técnicas de interconexión que ayudan a reducir más el coste de instalación de los sensores inalámbricos. La naturaleza ad hoc de WSN permite un sencillo ajuste y configuración, tarea que no debe subestimarse cuando la red es de considerable tamaño. Para apoyar la cobertura de sensores inalámbricos a nivel de planta se ha de minimizar el trabajo manual de configuración de la red. Además, la configuración de tipo ‘plug and produce’ (enchufar y producir) de la red permite desplegar redes temporales de sensores para garantizar el mantenimiento o la localización y corrección de fallos.
Aplicaciones y requisitos
Los requisitos de cualquier solución WSN siempre dependerán estrechamente de la aplicación concreta. A continuación se consideran dos casos específicos de uso: fabricación discreta y monitorización de activos. Estos dos casos implican requisitos bajos de potencia, aunque la fuente de energía real puede variar (almacenamiento de energía en baterías, obtención de energía desde fuentes ambientales, transferencia inalámbrica de energía, etc.).
En la fabricación discreta, el tiempo de latencia del sistema es vital. Existe un límite estricto del tiempo máximo de latencia, por encima del cual el sistema funcionará mal. Este tiempo suele ser de algunas decenas de milisegundos. Para la monitorización de activos, en cambio, el tiempo de latencia es mucho menos crítico. Esto depende, como es lógico, del activo que se esté supervisando, pero es habitual que los tiempos de actualización sean del orden de minutos o incluso de horas. La fiabilidad es un tercer parámetro de interés. Dependiendo de la aplicación concreta hay varias formas de aumentar la probabilidad de que un mensaje llegue a su destino. Una forma posible es aumentar la redundancia, lo que puede hacerse de varias maneras. El mensaje se puede transmitir por diferentes caminos (diversidad de espacio), en diferentes frecuencias (diversidad de frecuencias) o varias veces en la misma frecuencia (diversidad de tiempos).
Este último es un método complejo que sólo se empleará cuando los requisitos sean extremadamente estrictos y el coste no sea ningún problema.
El sector de productos para oficina y de consumo es hoy en día el principal impulsor de las tecnologías inalámbricas, con aplicaciones de gran volumen en las que se requiere un tiempo de vida relativamente corto de los dispositivos. En cambio, la vida útil de los dispositivos industriales ha de ser mucho más larga que la de los productos de consumo. Esto significa que hay que prestar atención muy especial a la integración de componentes inalámbricos en los dispositivos industriales. El diseño modular (del hardware y el software) es esencial, pues permite un mantenimiento eficaz de los dispositivos hechos con componentes estándar disponibles en el mercado durante toda su vida útil.
A continuación se muestra un vídeo en donde se habla un poco de historia y de sus aplicaciones:
Los sensores sólo necesitan establecer la comunicación punto a punto con los routers y por consiguiente, pueden seguir siendo sencillos y de baja potencia, al tiempo que se mejora el rango y la redundancia de la propia red.
Ventajas de WSN
La comunicación inalámbrica en aplicaciones industriales tiene muchas ventajas. Además de una mayor fiabilidad, la ventaja más reconocida es el bajo coste de instalación. Los emplazamientos industriales suelen ser entornos severos, con requisitos muy exigentes en cuanto al tipo y calidad del cableado. Prescindir de los cables significa que las instalaciones son más baratas, sobre todo cuando se trata de modernizar o actualizar versiones antiguas, un caso en que puede ser difícil proyectar los cables adicionales necesarios en una instalación ya de por sí congestionada.
WSN introduce nuevas técnicas de interconexión que ayudan a reducir más el coste de instalación de los sensores inalámbricos. La naturaleza ad hoc de WSN permite un sencillo ajuste y configuración, tarea que no debe subestimarse cuando la red es de considerable tamaño. Para apoyar la cobertura de sensores inalámbricos a nivel de planta se ha de minimizar el trabajo manual de configuración de la red. Además, la configuración de tipo ‘plug and produce’ (enchufar y producir) de la red permite desplegar redes temporales de sensores para garantizar el mantenimiento o la localización y corrección de fallos.
Aplicaciones y requisitos
Los requisitos de cualquier solución WSN siempre dependerán estrechamente de la aplicación concreta. A continuación se consideran dos casos específicos de uso: fabricación discreta y monitorización de activos. Estos dos casos implican requisitos bajos de potencia, aunque la fuente de energía real puede variar (almacenamiento de energía en baterías, obtención de energía desde fuentes ambientales, transferencia inalámbrica de energía, etc.).
En la fabricación discreta, el tiempo de latencia del sistema es vital. Existe un límite estricto del tiempo máximo de latencia, por encima del cual el sistema funcionará mal. Este tiempo suele ser de algunas decenas de milisegundos. Para la monitorización de activos, en cambio, el tiempo de latencia es mucho menos crítico. Esto depende, como es lógico, del activo que se esté supervisando, pero es habitual que los tiempos de actualización sean del orden de minutos o incluso de horas. La fiabilidad es un tercer parámetro de interés. Dependiendo de la aplicación concreta hay varias formas de aumentar la probabilidad de que un mensaje llegue a su destino. Una forma posible es aumentar la redundancia, lo que puede hacerse de varias maneras. El mensaje se puede transmitir por diferentes caminos (diversidad de espacio), en diferentes frecuencias (diversidad de frecuencias) o varias veces en la misma frecuencia (diversidad de tiempos).
Este último es un método complejo que sólo se empleará cuando los requisitos sean extremadamente estrictos y el coste no sea ningún problema.
El sector de productos para oficina y de consumo es hoy en día el principal impulsor de las tecnologías inalámbricas, con aplicaciones de gran volumen en las que se requiere un tiempo de vida relativamente corto de los dispositivos. En cambio, la vida útil de los dispositivos industriales ha de ser mucho más larga que la de los productos de consumo. Esto significa que hay que prestar atención muy especial a la integración de componentes inalámbricos en los dispositivos industriales. El diseño modular (del hardware y el software) es esencial, pues permite un mantenimiento eficaz de los dispositivos hechos con componentes estándar disponibles en el mercado durante toda su vida útil.
A continuación se muestra un vídeo en donde se habla un poco de historia y de sus aplicaciones: