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Redes inalámbricas de sensores

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“Una red inalámbrica de sensores está compuesta por una cantidad de pequeños dispositivos, autónomos, distribuidos físicamente, llamados nodos de sensores, instalados alrededor de un fenómeno para ser monitoreado, con la capacidad de almacenar y comunicar datos en una red en forma inalámbrica.” (Vásconez, 2013).

Según (Antonio Ruiz, José Molina, 2010) una WSN se lo define como un sistema distribuido de censado, constituido por dispositivos de bajo consumo de energía con la capacidad de adquirir datos de sensores y enviar de forma inalámbrica a una estación base para el tratamiento de información.

Características

Las redes de sensores inalámbricas tienen características que las hacen cada vez más atractivas desde el punto de vista industrial: bajo coste, bajo consumo, fácil despliegue, escalabilidad, etc., es por eso que se detalla a continuación las siguientes características.

  • Gestión de recursos y energía: Los sensores son dispositivos miniaturizados con limitaciones, tanto de procesamiento como de energía. El entorno de despliegue puede a su vez llevarlos a sitios inaccesibles, donde en la mayoría de los casos dependen únicamente de su capacidad de comunicación. En base a estas restricciones, las tres operaciones básicas de este tipo de dispositivos son: la sensorización, el procesamiento de los datos y la comunicación, deben realizarse y planificarse con la intención de no malgastar recursos innecesariamente, ya que ello puede repercutir negativamente en la vida y operación de la red.
  • Escalabilidad, movilidad y topología de red dinámica: El entorno altamente dinámico donde operan las redes de sensores necesita de mecanismos robustos de funcionamiento tolerantes a fallos. A su vez, los propios sensores necesitarán autoconfigurarse y automantenerse para adaptarse a los cambios en la red.
  • Heterogeneidad: La multitud de dispositivos diferentes obliga a unificar de alguna manera las operaciones más utilizadas, como son la configuración, la ejecución y sobre todo la comunicación. Las aplicaciones o plataformas tienen que ser capaces de abstraer las particularidades del hardware en funciones abstractas de alto nivel.
  • Organización dinámica de la red: Muchos de los recursos con los que se cuenta en las redes de sensores son dinámicos (la energía, el ancho de banda, capacidad de procesamiento, número de nodos). La organización de dichos elementos es una parte esencial de la propia red. Con este objetivo tiene que existir un mecanismo de descubrimiento que permita saber en todo momento cómo está la red y quiénes están accesibles.
  • Integración en el mundo físico: Gran parte de los sistemas que se despliegan con redes de sensores están basados en escenarios donde el tiempo y el espacio (la localización) son fundamentales para el sistema. Es por ello que los servicios que proporcionen las plataformas tienen que soportar las características de tiempo real que demandan las aplicaciones.
  • Conocimiento de las aplicaciones: Otro de los aspectos a considerar es el grado en que las aplicaciones van a conocer las características de la red de sensores inalámbricas. En el mejor de los casos, la abstracción total, serán necesarios mecanismos de mapeo, las necesidades de comunicación de las aplicaciones y los parámetros de red necesarios para conseguirlas.
  • Agregación de datos: El despliegue de multitud de sensores con características similares puede provocar la existencia de datos redundantes en ciertas localizaciones. La gestión y agregación de estos datos puede ahorrar energía y recursos, por lo que pueden ser necesarios nuevos enfoques de comunicación centrados en los datos.
  • Calidad de servicio: La calidad de servicio es un término muy amplio que puede tener diferentes interpretaciones. En lo referente a las redes de sensores inalámbricas, son importantes dos ámbitos, el de aplicación y el de red. El de aplicación tendrá en cuenta las necesidades de la aplicación en cuanto a medidas de los nodos, el despliegue o los nodos activos, entre otros. El ámbito de red se centrará en cómo cumplir las necesidades de las aplicaciones, gestionando el ancho de banda y la energía.
  • Seguridad: En muchas ocasiones la información con la que tratan los sensores puede ser sensible para el usuario. Así mismo, las condiciones de despliegue y el uso de tecnologías inalámbricas para las comunicaciones los hacen más vulnerables a los ataques malintencionados.

Funcionamiento

Las redes de sensores inalámbricos están formadas por un conjunto de pequeños dispositivos denominados nodos sensores, con capacidad limitada de cómputo y comunicación, cuyo tiempo de vida depende de una batería adjunta al dispositivo. El tiempo de vida de la red de sensores inalámbricos dependerá por tanto del tiempo de vida de la batería de sus nodos. Estos dispositivos se encuentran dispersos de manera ad-hoc en una determinada área a monitorizar.

Típicamente, el modelo seguido por las aplicaciones es el siguiente: realizar una serie de mediciones sobre el medio, transformar dicha información en digital en el propio nodo y transmitirla fuera de la red de sensores inalámbricos vía un elemento gateway a una estación base, donde la información pueda ser almacenada y tratada temporalmente para acabar finalmente en un servidor con mayor capacidad que permita componer un histórico o realizar un análisis de datos.

Dispositivos y componentes

En una red de sensores inalámbricos, podemos encontrar:

  • Nodos inalámbricos
  • Puertas de enlace
  • Estaciones base

Nodo inalámbrico

Los nodos inalámbricos son llamados también motas, del inglés “mote”, por su ligereza y reducido tamaño. Son dispositivos electrónicos capaces de captar información proveniente del entorno en el que se encuentran, procesarla y transmitirla inalámbricamente hacia otro destinatario.

Estos nodos o motas son diseñados y programados para formar parte de una red con un objetivo particular, lo que quiere decir que una mota aislada tiene muy poca utilidad.

Los nodos inalámbricos se clasifican en dos tipos, como a continuación se presenta.

  • Nodos intermedios

También conocidos como “routers” son los encargados de extender el alcance de la red, rodear obstáculos a la transmisión sin hilos y proveer rutas alternativas para el tránsito de mensajes que se envían al gateway.

  • Nodos finales

Son considerados dispositivos de funciones reducidas pues tan solo tienen la labor de sensar la información y transmitirla al siguiente nodo de la red. No tienen que encargarse de recibir información vía radio ni de luego retransmitirla.

Puerta de enlace

Las Puertas de Enlace son elementos para la interconexión entre la red de sensores y una red de datos (TCP/IP). Es un nodo especial sin elemento sensor, cuyo objetivo es actuar como puente entre dos redes de diferente tipo.

En este tipo de aplicaciones donde se usan redes de sensores (RSI), éstas no pueden operar completamente aisladas y deben contar con alguna forma de monitoreo y acceso a la información adquirida por los nodos de la red de sensores. De aquí surge la necesidad de conectar las redes de sensores a infraestructuras de redes existentes tales como Internet, redes de área local (LAN) e intranets privadas. Los dispositivos que realizan la función de interconectar dos redes de diferente naturaleza se les llama dispositivo puerta de enlace (Gateway).

Estación base

La estación base es el recolector de datos basado en un ordenador común o sistema empotrado. Los datos van a parar a un equipo servidor dentro de una base de datos, desde donde los usuarios pueden acceder remotamente y poder observar y estudiar los datos almacenados.

Componentes de una red inalámbrica de sensores

(Vásconez, 2013) describe los componentes que forman parte de una red inalámbrica de sensores la cual se basa en:

  • Sensores: de distintos tipos y tecnologías los cuales toman del medio la información y la convierten en señales eléctricas.
  • Nodo sensor: dispositivos con capacidad de procesamiento y almacenamiento que toma los datos del sensor a través de sus puertas de datos, y envían la información de forma inalámbrica a la estación base.
  • Gateway: Elementos para la interconexión entre la red de sensores y una red TCP/IP.
  • Estación base: Recolector de datos de los nodos para tratamiento de información.
  • Red inalámbrica: Típicamente basada en el estándar 802.15.4.