En este artículo de julio de 2012 veremos lo que es una plataforma WS / \ /, y cuáles son sus características y topologías.También ver una Red de sensores inalámbricos basados en documentación de National Instruments.
Una red de sensores inalámbricos (Wireless Sensor Network) es una red inalámbrica que consiste en dispositivos autónomos distribuidos espacialmente, que utilizan sensores para monitorear condiciones físicas o ambientales.
Estos dispositivos autónomos, o nodos, se utilizan con enrutadores y una puerta de enlace para crear un típico sistema WSN. Los nodos de medición distribuidos se comunican (inalámbricamente) con una puerta de enlace central que proporciona una conexión al mundo cableado donde puede medir, procesar, analizar y presentar sus datos recopilados.
Para aumentar la distancia y la confiabilidad de una red de sensores inalámbricos, puede utilizar enrutadores para un enlace de comunicación entre los nodos finales y la puerta de enlace.
Las redes de sensores inalámbricos de National Instruments ofrecen confiabilidad, con nudos de medición de baja potencia que operan por hasta tres años con 4 pilas AA y pueden ser utilizados por un largo plazo, operando remotamente.
El protocolo NI WSN, basado en las tecnologías IEEE 802.15.4 y ZigBee, proporciona un estándar de comunicación de baja potencia que tiene capacidades de enrutamiento de malla para aumentar la distancia y la confiabilidad de la red
El protocolo inalámbrico que seleccione para su red depende de los requisitos de su aplicación. Para aprender más acerca de otras tecnologías inalámbricas para su aplicación, Consulte el artículo "Selección de la tecnología inalámbrica sin conexión".
Aplicaciones WSN El monitoreo integrado abarca varias áreas de aplicación, incluyendo aquellas en que limitaciones de potencia o infraestructura hacen una solución cableada presentar un costo alto, desafiante, o casi imposible.
Usted puede ubicar redes de sensores inalámbricos junto con sistemas de cableado para crear un sistema de medición y control completo, cableado e inalámbrico.
Un sistema WSN es ideal para una aplicación como monitoreo ambiental, cuyos requisitos exigen la adquisición de datos por largos plazos para realizar mediciones de características del agua, del suelo o del clima.
Para las utilidades como la red eléctrica, la iluminación pública y la distribución de agua, los sensores inalámbricos ofrecen un método de bajo costo para recoger datos sobre la salud del sistema, reducir el consumo de energía y mejorar la gestión de recursos.
En el monitoreo de la salud de estructuras, usted puede utilizar sensores inalámbricos para monitorear efectivamente carreteras, puentes y túneles. Usted también puede implementar estos sistemas para monitorear continuamente los edificios comerciales, hospitales, aeropuertos, fábricas, plantas de energía e instalaciones de producción. Ver la figura 1.
Arquitectura de un sistema WSN
En una arquitectura WSN común, los nodos de medición se implementan para adquirir medidas como las de temperatura, tensión o incluso de oxígeno disuelto.
Los nodos son parte de una red inalámbrica administrada por la puerta de enlace, que administra aspectos de la red como autenticación de cliente y seguridad de datos.
La pasarela recoge los datos medidos en cada nodo y los envía a través de una conexión cableada, típicamente Ethernet, a un controlador de host.
En este controlador, un software como la plataforma de programación gráfica de NI LabVIEW puede proporcionar procesamientos y análisis avanzados y presentar sus datos en un estilo que atienda sus necesidades.
Observe un ejemplo de arquitectura de red en la figura 2.
Estándares de Potencia y Red
Un nodo de medición WSN contiene varios componentes incluyendo la radio, la batería, el microcontrolador, el circuito analógico, y la interfaz con el sensor.
En sistemas energizados por baterías, usted debe chequear constantemente la condición de las mismas y sustituirlas cuando sea necesario, pues mayores tasas de datos y un uso más frecuente de la radio consumen más energía.
Actualmente, las baterías y las tecnologías de gestión de energía evolucionan continuamente debido a la extensa investigación.
En las aplicaciones WSN es común la necesidad de tres años de vida de las baterías, por lo que muchos de estos sistemas se basan hoy en protocolos ZigBee o IEEE 802.15.4 debido a su bajo consumo de energía.
El protocolo IEEE 802.15.4 define las capas de control de acceso medio y físico en el modelo de red, proporcionando comunicación en las bandas 868 a 915 MHz y 2,4 GHz ISM, además de tasa de datos de hasta 250 kb / s.
ZigBee está diseñado para actuar sobre las capas de 802.15.4 para proporcionar seguridad, confiabilidad a través de topologías de red de malla e interoperabilidad con otros dispositivos y estándares.
ZigBee también permite la aplicación de objetos definidos por el usuario, o perfiles, que proporcionan personalización y flexibilidad Con el protocolo.
Además de los requisitos de larga vida, usted debe considerar el tamaño, el peso, y la disponibilidad de las baterías, así como las normas internacionales para su embarque.
El bajo costo y gran disponibilidad de las baterías alcalinas y de zinc-carbón hacen de ellas una elección común.
Las técnicas de recolección de energía también se están volviendo más comunes en las redes de sensores inalámbricos. Con dispositivos que utilizan células solares o recolectan calor de su entorno, puede reducir o incluso eliminar la necesidad de suministro de energía a través de las baterías.
Tendencias del procesador
Para prolongar la vida de las baterías, un nodo WSN se despierta periódicamente para adquirir y transmitir datos, conectando la radio y luego apagando para conservar energía.
La radio WSN debe transmitir de manera eficiente una señal y permitir que el sistema vuelva a dormir, realizando esto con un mínimo consumo de potencia.
Del mismo modo, el procesador también debe ser capaz de despertar, energizarse y volver a dormir de manera eficiente. Las tendencias de tecnologías de microprocesadores para WSNS incluyen reducción del consumo de energía mientras mantienen 4 o aumentan la velocidad del procesador.
Tal como la elección de la radio, el comercio de consumo de energía y la velocidad de procesamiento es una preocupación fundamental en la selección de un procesador para WSN Esto hace que las arquitecturas PowerPC y basadas en ARM sean una opción no indicada para dispositivos alimentados por baterías.
Una opción más común de arquitectura incluye el TI MSP430 MCU, que fue diseñado para operación de baja potencia. Dependiendo del procesador específico, el consumo de energía en el modo de suspensión puede variar de 1 a 50 uW, mientras que en operación el consumo puede variar entre 8 y 500 mW.
Topologías de red
Puede utilizar varias topologías de red para coordinar la puerta de acceso WSN, los nodos finales y los nodos enrutadores. Estos últimos son similares a los nodos finales, ya que pueden adquirir datos de medición, pero también se pueden utilizar para transmitir datos medidos a través de otros nodos.
La primera y más básica topología es la estrella (estrella), en la que cada nodo mantiene una única vía de comunicación directa con la puerta de enlace. Esta topología es simple, pero restringe la distancia total que su red puede alcanzar.
Para aumentar la distancia que una red puede alcanzar, Puede implementar una topología de clúster o árbol. En esta arquitectura más compleja, cada nodo mantiene una única ruta a la puerta de enlace, pero puede utilizar otros nodos para enrutar los datos a lo largo de esa ruta.
Sin embargo, esta topología presenta una desventaja: si un nodo enrutador pierde la comunicación, todos los nodos que dependen de ese nodo enrutador perder su vía de comunicación con la puerta de enlace.
En una red de malla, los nodos mantienen múltiples vías de comunicación con el gateway, de modo que si un nodo enrutador pierde la comunicación, , la red automáticamente redirige los datos por una ruta diferente.
La topología de malla, aunque muy confiable, sufre un aumento en la latencia de la red, pues los datos deben hacer múltiples saltos antes de llegar a la puerta de enlace.
Vea las tres topologías de redes en la figura 3.
Ventaja de la red de sensores inalámbricos de Nl.
Con la plataforma WSN de National Instruments, Usted puede personalizar y mejorar una típica arquitectura WSN para crear un completo sistema de medición, cableado e inalámbrico para su aplicación.
La integración del software de NI proporciona la flexibilidad para elegir un controlador host basado en Windows para su sistema WSN o un controlador host en tiempo real como NI CompactRIO, dándole la posibilidad de integrar E / S reconfigurables con sus mediciones inalámbricas.
Con ambos controladores de host, puede utilizar LabVIEW y el software NI-WSN con integración al proyecto en LabVIEW y programación "haga clic y arrastre" para configurar fácilmente su sistema WSN para extraer datos de alta calidad de sus mediciones, proporcionar análisis y presentar sus datos.
Además, la integración Con LabVIEW ofrece la posibilidad de ampliar la conectividad de su aplicación WSN y el nivel de datos por todo el camino a través de Internet para el cliente final como un iPhone o un ordenador portátil.
Usted puede utilizar esta arquitectura de sistema completa para adquirir datos de prácticamente cualquier lugar con una red de sensores inalámbricos de NI, procesarlos y almacenarlos en un servidor, y luego acceder a los datos convenientemente y remotamente desde un dispositivo inteligente sin hilo.
Para obtener más información acerca de las opciones de sistemas de medición de WSN, consulte el artículo NI WSN Measurement Systems.