Estándares inalámbricos

Los estándares inalámbricos ofrecen facilidades para la comunicación entre diferentes dispositivos a distancias importantes y a altas velocidades de transmisión, además de la capacidad de crear sistemas centralizados y distribuidos sin el uso de cableado.

A.        ZIGBEE

Es una tecnología de uso libre desarrollada por la Alianza Zigbee. Está basada en el estándar IEEE 802.15.4, con velocidades comprendidas entre 20 kbps y 250 kbps y rangos de 10 m a 100 m. [5] Es un estándar usualmente aplicado en redes de sensores y puede interoperar con otras tecnologías de radiofrecuencia. Tiene como objetivo las aplicaciones que requieran comunicaciones en una red altamente segura, ya que usa el estándar AES-128 (Advanced Encryption Standard), un bloque de cifrado complejo que encripta los paquetes de tal manera que sea difícil vulnerar el sistema de protección de la información.

IEEE 802.15.4

El ámbito de aplicación del grupo de tareas IEEE 802.15.4, tal como se define en su primera solicitud de autorización del proyecto, es «definir las especificaciones de PHY y MAC para conectividad inalámbrica de baja tasa de datos con dispositivos fijos, portátiles y móviles sin requisitos de consumo de batería que normalmente operan en el Espacio de Operación Personal (POS) de 10 metros». Además, el objetivo del proyecto es «proporcionar una norma de baja complejidad, bajo coste, pequeño consumo de energía y conectividad inalámbrica de baja velocidad de datos entre dispositivos.

• Componentes:

Hay tres tipos de dispositivos: en primer lugar, el Coordinador de red (C) que mantiene el conocimiento general de la red, requiere más memoria y potencia de cálculo; en segundo lugar, el Router (R), el cual es compatible con todas las funciones y características del estándar IEEE 802.15.4, se asocia con el coordinador de la red y puede actuar como coordinador, es el encargado del enrutamiento de saltos múltiples de los mensajes; finalmente, el dispositivo final (E), el cual es el elemento básico de la red. Este no realiza funciones de enrutamiento.

• Topologías:

Zigbee permite tres topologías: en estrella, malla y árbol.

Las redes ZigBee pueden usar redes de malla, las cuales pueden extenderse sobre un área grande y contener miles de nodos. Puede estar formada por hasta 255 nodos. Utilizando el direccionamiento local, se puede configurar una red de 65536 nodos (216).

• Características de transmisión:

Están disponibles 27 canales a través de las diferentes bandas de frecuencias.

B.        WI-FI

Es una tecnología inalámbrica ampliamente aceptada que se conoce por ser un sello de interoperabilidad entre diferentes dispositivos inalámbricos que soportan el estándar IEEE 802.11. Existe una gran variedad de configuraciones que ayudan a que este tipo de redes inalámbricas se adapten a casi cualquier necesidad.

Asimismo, el estándar IEEE 802.11 define diferentes mecanismos de cifrado que permita transportar de manera segura la información, buscando la autentificación y la privacidad. Entre ellos, está el WEP (Wired Equivalent Privacy) que es un método de cifrado basado en un algoritmo de encriptación RC4, que utiliza clave de 64 bits para el cifrado de los datos. Por otro lado, el WPA (Wi-Fi Protected Access) es un que mejora el cifrado de los datos y propone el protocolo TKIP (Temporary Key Integrity Protocol), el cual cambia la clave compartida entre punto de acceso y cliente cada cierto tiempo, para evitar ataques que permitan revelar la clave.

IEEE 802.11

• Componentes:

La arquitectura IEEE 802,11 se compone de varios elementos que interactúan para proporcionar una WLAN. Entre ellos están: las estaciones, los dispositivos con interfaz inalámbrica; el Conjunto de Servicio Básico (BSS), grupo de estaciones que se intercomunican entre ellas; y el Conjunto de Servicio Extendido (ESS), unión de varios BSS. En la figura 07 se puede observar la conexión entre estos.

• Topologías:

Estas configuraciones se pueden dividir en dos grupos:

P2P: También conocidas como redes ad hoc, es la configuración más sencilla, ya que en ella los únicos elementos necesarios son terminales móviles equipados con los correspondientes adaptadores para comunicaciones inalámbricas.

Punto de acceso: Puede cumplir la función de un puente o repetidor, por tanto son capaces de aumentar el alcance de una red inalámbrica. Esta es la topología más común de una red Wi-Fi. El usuario, una vez conectado a un punto de acceso, puede moverse libremente por las zonas en las que haya cobertura, y en su movimiento irá cambiando de punto de acceso, de manera que se mantenga a una conexión a red.

• Características de transmisión:

Wi-FI posee diferentes subestándares: 802.11b, 802.11a, 802.11g y 802.11g. En la tabla 02 se muestran las características de trasmisión de estos.

C.        BLUETOOTH

Es un enlace radio de corto alcance asociado a las redes de área personal inalámbricas o WPAN. Se extiende a un espacio de radio de 10 hasta 100 metros, dependiendo de la clase del dispositivo Bluetooth. Funciona en la banda de frecuencia de 2.4 GHz que no precisa de ninguna licencia y su máxima velocidad de transmisión es de 3 Mbps. Los componentes de Bluetooth son más pequeños, baratos y consumen menos energía que sus homólogos de Wi-Fi. Desarrollado originalmente por Ericsson, Bluetooth es estandarizado bajo la referencia IEEE 802.15.1.

IEEE 802.15

• Componentes:

La comunicación también se basa en el principio maestro-esclavo, como se muestra en la figura 08. Una piconet, grupo de equipos, comprende de un maestro y ocho esclavos como máximo, donde la comunicación sólo se da entre maestro y esclavo, mas no entre los esclavos. No hay ningún límite teórico para el número de dispositivos habilitados con Bluetooth que comparten un canal, pero sí, un límite para el número de estos dispositivos que pueden participar activamente en el intercambio de datos con el maestro. Un esclavo puede ser parte de muchos piconets.

• Características de transmisión:

El rango de frecuencias en el que se mueve Bluetooth es de 2.402 GHz a 2.480 GHz (ver tabla 03). Se puede transmitir voz, datos y video a 721 Kbps. La versión 1,0 ofrece un ancho de banda máximo de 1 Mbps para un intervalo de aproximadamente 10 m.

Existen tres clases:

Clase 1: Para dispositivos de alto rango (rango de hasta 100 m), las características de potencia son: 20 dBm (100 mW).

Clase 2: Para PCs normales y dispositivos portátiles conectados (rangos de hasta 10 m), las características de potencia son 4 dBm (2,5 mW).

Clase 3: Para dispositivos de baja potencia (rango de hasta de 1 m), las características eléctricas son: 0 dBm (1 mW).

D.        Comparación entre Zigbee, Wi-Fi y Bluetooth

Como se observa en la tabla 04, tanto Zigbee como Bluetooth tienen bajo consumo de potencia a diferencia de WiFi. Sin embargo, la desventaja de Bluetooth es la poca cantidad de nodos que soporta (8 nodos), a diferencia de Zigbee que soporta hasta 65536 nodos agrupados hasta en 255 subredes.

Por otro lado, la tasa de transmisión que ofrece la tecnología Zigbee es suficiente para las aplicaciones de un sistema domótico. Si bien no es alta, los dispositivos de radiofrecuencia están en la mayoría de tiempo en reposo, por lo que no se requieren altas velocidades.

Elementos de una red inalámbrica de sensores

A.        Sensores

Son los elementos encargados de recoger la información de los diferentes parámetros que controlan, como humo, temperatura, luz, humedad, etc., y enviar al sistema de control centralizado para que actúe. Algunos sensores utilizados en sistemas de seguridad son el detector de movimiento (PIR), detector de humo, detector de temperatura, detector de gas, contacto magnético, entre otros.

Detector de humo:

Es un dispositivo que permite proporcionar seguridad contra incendios mediante la detección de humo en el ambiente. Existen dos tipos de tecnologías de detección:

a)        Detector de tipo óptico (fotoeléctrico):

La detección óptica de humos puede darse a través de dos formas, mediante la absorción o difusión de la luz.

• De rayo infrarrojo: Están compuestos por un diodo semiconductor que emite luz y otro fototransistor que la recibe en todo momento. Cuando se oscurece el espacio entre ellos debido al humo, sólo una fracción de la luz emitida alcanza al receptor, provocando que la señal eléctrica producida por éste sea más débil y por tanto se activa la alarma.
• De tipo puntual: Están compuestos por un emisor y receptor que se encuentran ubicados en la misma cámara separados por una pantalla, de manera que el rayo emitido no alcanza el receptor.

El haz de luz emitido se refracta cuando el humo entra en la cámara y puede alcanzar al receptor, lo cual activa la alarma.

b)        Detector de tipo Iónico:

Este tipo de detector es más económico y es sensible a los humos no visibles. Las partículas de combustión que ascienden al techo penetran en la cámara de aire del detector, variando la conductividad del aire ionizado, lo cual genera que la corriente eléctrica disminuya o se interrumpa.

Para su mantenimiento, es necesario considerar su alimentación, si trabajan a batería o conectados a la red eléctrica, en el caso de las baterías estas se consumen cada cierto tiempo, por ello se debe revisar el estado de las baterías cada 6 meses.

Detector de inundación:

Es aquel dispositivo que está destinado a detectar posibles escapes de agua con el fin de evitar inundaciones en lugares como cocinas, baños, bodegas, sótanos y otros lugares donde existan canalizaciones y tomas de agua. El sensor puede estar compuesto por dos elementos: la sonda que detecta la presencia de agua y acciona el contacto, y el detector que analiza la señal procedente de la sonda y que permite activar la alarma.

Detector de movimiento:

Es un equipo electrónico que detecta el movimiento físico en un área determinada y lo transforma en una señal eléctrica que puede activar equipos de seguridad, luces, alarmas sonoras entre otros. Existen tres tipos:

a)        Sensor inductivo:

Este tipo de sensores detecta el cambio de inductancia que provoca un objeto metálico dentro de un campo magnético. Constan de una bobina y un imán. Cuando un objeto ferromagnético penetra o abandona el campo magnético del imán, el cambio que se produce en él induce una corriente en la bobina. Si se detecta una corriente en la bobina, significa que algún objeto ferromagnético ha entrado en el campo del imán. La desventaja de este tipo de sensores es la limitación a objetos ferromagnéticos; sin embargo, suelen ser utilizadas en aplicaciones industriales.

b)        Sensor infrarrojo:

• Activo: Esta tecnología detecta un cambio en el ambiente mediante la inyección de luz, microondas o sonido. Incluye una fuente de radiación y un sensor infrarrojo sensible a la variación de radiación sensada. Se activa si el intruso interrumpe el camino de luz infrarroja.
• Pasivo (PIR): Esta tecnología permite detectar un cambio de la energía calorífica (temperatura) emitida por un objeto o cuerpo que se mueve a través del campo de vista del sensor. Generalmente, utiliza sistemas ópticos y múltiples elementos de sensado de polaridad alternante para crear un patrón de detección en el ambiente de interés.

c)         Sensor ultrasónico:

Es un sensor volumétrico que usa el principio Doppler para registrar dicho movimiento. Los sensores basados en esta tecnología trabajan con la emisión de ondas ultrasónicas, a partir de ello se espera a que se reflejen estas ondas en algún objeto, si las ondas retornan  implica la intrusión de un objeto dentro del área.

Permiten la detección de intrusos a distancias mayores.

Contacto magnético:

Es un dispositivo cuya función es detectar la apertura de una puerta o ventana. Consiste en un imán que permite abrir o cerrar el contacto eléctrico, de tal manera que se genera una reacción en señal de alerta. Consta de dos partes: una se coloca en la puerta o ventana (transmisor), ya sea con tornillos o con adhesivos, y la otra (receptor) en el marco de la puerta o ventana.

Detector de gas:

Este dispositivo se utiliza para la detección de posibles fugas de gas, lo cual evita que los usuarios de algún hogar o edificio se intoxiquen y reduce la posibilidad de explosiones.

Frente a una determinada concentración, los del tipo B emiten una señal luminosa – acústica de aviso, y los del Tipo A, además, activan el corte automático de gas.

Este último es un sistema que permite el corte del suministro de gas al recibir una determinada señal procedente de un detector de gas, de una central de alarmas o de cualquier otro dispositivo previsto como elemento de seguridad receptor; es posible la reapertura del suministro mediante un rearme manual.

B.        Actuadores Son los elementos que tras recibir la información procedente del sistema de control central, modifican el estado de ciertos equipos. Los más usados son: los contactores, relés, las electroválvulas de corte de suministro (gas y aguas), motores y sirenas o elementos zumbadores para el aviso de alarmas.

C.        Unidad de control

Son los que llevan el control del sistema, recibiendo las señales procedentes de los sensores para luego gestionarlas e interpretarlas y decidir, a través del software que lleva incorporado, a qué salida debe activar, transmitiendo los comandos a los actuadores para que actúen en consecuencia.

D.        Estación base y remota

La estación base se constituye por un servidor que almacena y procesa todos los datos provenientes de la red. La estación remota, o mote, recibe los datos que el sensor le envía, recopila y procesa esta información, se comunican con los otros nodos de la red y con la estación base.

Aplicaciones de las redes de sensores inalámbricos

(Cianca, 2012) especifica que las redes de sensores inalámbricas pueden aplicar en diferentes áreas como:

• Eficiencia energética: redes de sensores que se utiliza para controlar el uso eficaz de la energía.

• Seguridad: existen lugares que requieren altos niveles de seguridad para evitar ataques terroristas, centrales nucleares, aeropuertos, edificios del gobierno de paso restringido, las cuales pueden detectar situaciones que con una cámara sería imposible.

• Sensores ambientales: el monitoreo de temperatura, humedad, fuego, actividad sísmica así como otras, pueden ayudan a expertos a diagnosticar o prevenir desastres naturales.

• Automoción: son el complemento ideal a las cámaras de tráfico, ya que pueden informar de la situación del tráfico en ángulos muertos que no cubren las cámaras y también pueden informar a conductores de la situación.

• Medicina: mejorar la calidad de vida de pacientes que tengan que tener controlada sus constantes vitales (pulsaciones, presión, nivel de azúcar en sangre, etc.), podrá mejorar sustancialmente.
• Domótica: ideal para monitorear y control el hogar ofreciendo comodidad.