Implementación de Redes Inalámbricas de Sensores WSN (Wireless Sensor Networks) para el Monitoreo Estructural

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1 Implementación de Redes Inalámbricas de Sensores WSN (Wireless Sensor Networks) para el Monitoreo Estructural Daniel Omar Buelvas Contreras*, Roberto Carlos Hincapié Reyes* *Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín, Colombia. Abstract This project consists on the development of a functional prototype based on Zigbee technology. This model will facilitate the implementation of a wireless sensor network interacting in mesh configuration and applied on structural monitoring. This network has routing characteristic that allow a real time sensing of the acceleration produced in specific sections of a structure. Resumen Este trabajo consiste en el desarrollo de un prototipo funcional basado en la tecnología Zigbee, que permite implementar una red inalámbrica de sensores distribuidos en configuración malla, para el monitoreo estructural. Esta red tiene características de enrutamiento, que permiten un sensado en tiempo real de la aceleración producida, en puntos estratégicos de una estructura. Palabras claves Aceleración, enrutamiento, mesh, monitoreo estructural, sensores, WSN, Zigbee. I. INTRODUCCIÓN El surgimiento de nuevas tecnologías como Zigbee, ha dado pie al desarrollo de aplicaciones innovadoras en campos como el industrial, médico, agrícola, civil, entre otros. Anteriormente, las investigaciones y aplicaciones desarrolladas en el campo de WSN, se basaban en topologías puntopunto y/o punto multipunto. Esto representaba limitaciones para los alcances de los estudios hechos sobre esta tecnología. En los últimos años se han desarrollado investigaciones orientadas hacia el monitoreo estructural. De allí surge el término SHM (Structural Health Monitoring). Éste implica la implementación de sensores distribuidos sobre la estructura, mediante redes enmalladas o WSN, generando alto impacto en los análisis realizados a las estructuras y reduciendo los costos de investigación. Adicionalmente, se han realizado estudios sobre WSN. Estos han arrojado resultados satisfactorios, relacionados con el mejoramiento en el transporte de datos, en este tipo de redes. Gracias a esto se han generado técnicas y protocolos de enrutamiento que optimizan la eficiencia en las comunicaciones entre enlaces y reducen la tasa de error en la recolección de datos. El desarrollo de este proyecto tiene como base la creación e implementación de una red de sensores inalámbricos distribuidos en configuración malla, para el monitoreo de estructuras civiles. El despliegue de esta red se realizará en un ambiente real, con el fin analizar su comportamiento, mediante el uso de técnicas de enrutamiento. Estas técnicas permitirán lograr mayor cobertura de la estructura y evitar desvanecimiento de enlaces o pérdida de nodos en la red. Con lo anterior se pretende lograr un aporte en el campo de la investigación y aplicación de las WSN en configuración malla. El montaje de esta red inalámbrica de sensores se realizará con dispositivos totalmente aptos para su despliegue dentro de la estructura, que permitan la reconfiguración de sus parámetros básicos y faciliten la

2 Voltaje [=] Voltios adquisición y transmisión de variables físicas deseadas en puntos estratégicos de ésta. El número máximo de dispositivos en la red es de seis. Éstos tendrán adaptado un sensor de aceleración para el monitoreo de las vibraciones en la estructura. Esta medición puede verse afectada por factores externos que no serán de relevancia para el desarrollo de este trabajo. Además, se contará con una interfaz gráfica de visualización ubicada en el nodo principal, que permitirá conocer y/o almacenar las variables de interés de la red y realizará labores de administración. II. DESARROLLO DEL PROTOTIPO A. Selección del módulo La selección del módulo a utilizar en este proyecto depende, en gran manera, de las necesidades de la aplicación a desarrollar. Después de realizar una completa investigación sobre los módulos disponibles en el mercado, se determinó que el módulo más adecuado para el desarrollo del prototipo era el XBee ZB serie 2. Este tiene la capacidad de gestionar una red en configuración mesh y cumple con características de hardware necesarias para la integración de todos los elementos que componen la aplicación. C. Caracterización y adecuación del sensor Para la caracterización del sensor de aceleración fue necesario recurrir a un modelo matemático básico del movimiento periódico. La obtención de la ecuación del comportamiento del sensor se realizó mediante un sistema masaresorte, basado a su vez, en la siguiente ecuación teórica: 2 2 a A (1) T La digitalización de la señal análoga se realizó utilizando una tarjeta de desarrollo de la empresa Freescale MCF51JM128, que brinda un mejor desempeño en los diferentes módulos empleados. De este proceso se obtuvo la gráfica que caracteriza los sensores de aceleración. Curva de Voltaje vs. Aceleración sensor MMA7260Q y = 0,078x + 2,427 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Aceleración [=] m/s^2 Fig. 2. Gráfica de comportamiento de los sensores B. Selección del sensor Fig. 1. XBee ZB serie 2. [1]. El tipo de dispositivo requerido para la aplicación a desarrollar es un sensor de aceleración. Éste se seleccionó debido a los requerimientos exigidos por la aplicación a desarrollar y a las características de hardware del módulo elegido. El acelerómetro comercial más adecuado para los requerimientos de la aplicación es el MA7260Q de la empresa Freescale. Esto se debe a que no es necesario el monitoreo de grandes aceleraciones y por tanto, se requerirá un sensor de lowg o baja aceleración. Adicionalmente, este dispositivo presenta grades ventajas como la detección de los tres ejes x, y, z en un solo encapsulado, alta sensibilidad y la posibilidad de ajustar la escala de medición a ±1.5g, ±2g, ±4g ó ±6g [2]. D. Composición de cada nodo El módulo XBee estará integrado en una tarjeta electrónica que a su vez contendrá otros elementos que componen el prototipo elaborado. El sistema completo se conoce como nodo. Éste está compuesto por los siguientes circuitos: circuito de selección de sistema de alimentación, comunicación RS232, sensor de aceleración con circuitería adaptada y módulo XBee ZB serie 2.

3 B. Tipos de dispositivo En la creación de redes mesh, existen tres tipos de dispositivos, que ofrecen características únicas de desempeño. Estos son Coordinador, Router y End Device. Coordinador: es el encargado de la creación y administración de la red implementada. Emplea además, características de enrutamiento en la red mesh. Fig. 3. Nodo. E. Conceptos sobre WSN Una red inalámbrica de sensores o WSN, es aquella conformada por dispositivos de bajo consumo y costo moderado, conocidos como nodos. Estos tienen la capacidad de obtener información del entorno, procesarla a nivel local y comunicarla de manera inalámbrica a un nodo central que cumple la función de coordinación o administración de la red. Los nodos se encuentran distribuidos espacialmente y llevan información desde puntos lejanos al centro de coordinación. En ellos se encuentran instalados sensores que pueden ser fijos o móviles y controlan condiciones como temperatura, sonido, vibración, presión, movimiento, aceleración, entre otras. Una de las cualidades más sobresalientes de este tipo de red es su capacidad para autorestaurarse. Si un nodo sufre algún daño y deja de funcionar de forma repentina, la red encontrará nuevas rutas para continuar con el envío de los paquetes. Las WSN también se caracterizan por requerir poca intervención humana constante, realizando de forma casi autónoma funciones como el diagnóstico, la configuración y la organización, basadas en una preconfiguración inicial [3]. Router: posee características de enrutamiento de datos en la red. Además, tiene la capacidad de realizar un muestreo periódico de sus pines de propósito general. End Device: este tipo de dispositivo no posee la característica de enrutar datos en la red. Su característica principal se basa en la capacidad de ahorro de energía mediante un proceso de hibernación y muestreo de su pines de propósito general, durante un periodo de tiempo establecido. C. Configuración mesh Cuando un dispositivo que se desempeña como Router, se une a la red, éste envía información a sus vecinos mediante un mensaje en modo Broadcast. El mensaje enviado por cada dispositivo, incluye la información de configuración y direcciones de éste. La siguiente figura muestra el envío de este tipo de mensajes a la red. COORDINADOR ROUTER1 ROUTER2 ROUTER3 START START FRAMES ENVIADOS POR LA UART DEL DISPOTIVO 7E A A A B7 02 7A B A A F FF FE C E 15 7E A A 30 BD 71 1C C A A 30 BD F FF FE C E EF III. CONSTRUCCIÓN DE LA RED CON CARÁCTERÍSTICAS DE ENRUTAMIENTO 7E A A 30 BD 71 1C C A A 30 BD F FF FE C E EF A. Comandos de configuración AT y API El desarrollo de habilidades sobre el manejo de comandos AT y Frames API, permitió lograr una total comprensión del funcionamiento de cada dispositivo y su interacción con la red. START 7E A A 30 B4 53 4E E A A 30 B F FF FE C E D7 7E A A 30 B4 53 4E E A A 30 B F FF FE C E D7 Durante la elaboración de este proyecto se trabajo en su totalidad, en el entendimiento y creación de Frames API con el fin de aprovechar al máximo las características ofrecidas por el dispositivo. 7E A A 30 B4 53 4E E A A 30 B F FF FE C E D7 Fig. 4. Evento de reporte a la red de cada dispositivo.

4 Cuando la red está implementada, es preciso conocer la totalidad de los nodos que la componen. Para lograr su identificación, se utilizó un comando AT contenido en un Frame API, denominado Node Discovery. Éste proporciona información relevante de cada nodo. D. Enrutamiento y transporte de datos en una WSN nodo hacia un destino. Posterior a este procedimiento, se crea un Frame de datos que se desean enviar. Si se quiere enviar información constante hacia el nodo destino, basta con enviar la ruta una sola vez. La siguiente figura ilustra el proceso descrito anteriormente. COORDINADOR Durante la creación del enrutamiento, es indispensable llevar a cabo dos procesos. El primero de ellos es el establecimiento de rutas inversas en la tabla de enrutamiento de los dispositivos de la red, guardando la dirección del siguiente salto en su propia tabla. Este tipo de enrutamiento es conocido como ManyToOne y se utiliza en redes que requieran enrutar datos hacia un solo dispositivo. Esto se logra mediante el envío de un requerimiento de ruta denominado Route Request en modo Broadcast.,HOPS DirHops ATP204 MAS,ID,Hops,DirHops ATP204 ROUTER1 ROUTER2 ROUTER3,Hops,DirHops,Hops,DirHops FRAMES 7E A A 30 B4 FF FE C B4 7E A A 30 B4 FF FE F ATP204 Al enviar de nuevo el comando Node Discovery, la información suministrada por cada uno de los nodos adiciona la ruta seguida hacia el coordinador, por los paquetes de datos en modo Unicast. La información de ruta es visualizada posteriormente con el fin de crear la ruta a seguir desde el coordinador a cada dispositivo en modo Unicast. La siguiente figura muestra el comportamiento de la red ante el envío y recepción de datos de este proceso.,hops DirRuta ATP2OK ATP2OK ATP204 ATP2OK 7E 00 0F A A 30 B4 53 4E COORDINADOR ROUTER1 ROUTER2 ROUTER3 FRAMES ENVIADOS POR LA UART DEL DISPOTIVO Fig. 6. Evento de envío de comando ON/OFF hacia Router3. ATND ATND ATND ATND 7E E Con el fin de ilustrar el proceso de envío de datos a un nodo destino se creó un diagrama que resume de forma sencilla el proceso de envío de información en modo Unicast [4]. La siguiente figura resume la información mostrada en esta sección.,hops DirRuta,HOP0 7E 00 0D A A EE Modo espera ATND,HOP1 DirRuta ATND,HOP2,HO P2,DirRuta ATND ATND,HOP1,DirRuta ATND,HOP2,HOP1,DirRuta ATND,HOP0 ATND,TD,NI,HOP1,DirRuta ATND,HOP0 ATND 7E E A A F FF FE C E FF 7E 00 0F A A 30 BD 71 1C E E C A A 30 BD F FF FE C E C5 7E A A 30 B4 53 4E C E E E A A 30 B F FF FE C E B9 Proceso de descubrimiento de la ruta Conoce la Dirección de red Conoce la ruta Transmisión del dato Proceso de descubrimiento De la dirección de red Descubrió la Dirección de red? Dato descartado Fig. 5. Evento envío de comando ND (Node Discovery), con rutas predeterminadas. Tiene la ruta establecida Transmisión exitosa Después de obtener la ruta hacia cada dispositivo, es necesario crear un Frame de ruta denominado Source Routing. Éste establece una ruta única a seguir por cada Fig. 7. Esquema de envío de datos en la red.

5 IV. CREACIÓN DE LA INTERFAZ DE VISUALIZACIÓN A. Desarrollo y características La estructura elegida fue un corredor con 14 vigas que dan soporte a un conjunto de salones. Ésta se mostrará a continuación. Durante el proceso de implementación de una red de sensores distribuidos es indispensable el almacenamiento y visualización de datos adquiridos, con el fin de comprender de manera más amplia el comportamiento de ésta. La necesidad de crear una interfaz de visualización, surgió a raíz de la dificultad para proporcionarle al usuario una comprensión rápida de los resultados obtenidos, durante la implementación y monitoreo de la red. Esto llevó a la creación de una interfaz gráfica amigable, que permite al usuario comprender y analizar, durante o después del monitoreo, los datos de su interés. Esta interfaz fue diseñada bajo la plataforma de Visual Studio 20 e incluye características de almacenamiento de datos y visualización en tiempo real, del comportamiento de la red y la aceleración. Fig. 9. Estructura seleccionada. El despliegue de los dispositivos que conforman la red se hizo de forma espaciada, con el fin de abarcar la estructura completamente. Para esta aplicación se emplearon en su totalidad dispositivos enrutadores ya que estos permiten extender la red y aprovechar la mayor cantidad de rutas posibles. A continuación, se ilustra la distribución de la red sobre la estructura. R5 R4 R1 R2 R3 C Fig. 8. Interfaz de visualización V. DESPLIEGUE DE LA RED SOBRE LA ESTRUCTURA A. Selección de la estructura y despliegue de la red WSN en ésta. La selección de la estructura se hizo de acuerdo a dos criterios principales: Fig. 10. Distribución de la WSN sobre la estructura. Después de haber desplegado la red y posteriormente realizar el establecimiento del enrutamiento ManyTo One, se procedió a conocer la información de cada nodo que conforma la red y la ruta seguida por cada uno de ellos hacia el dispositivo que realizó la petición de Route Request. En este caso, la petición fue hecha por el Coordinador. En la siguiente figura se observa la información recolectada por este proceso. Disponibilidad de espacios amplios con presencias de obstáculos, que permitan realizar un enrutamiento adecuado. Selección de puntos clave dentro de la estructura, que faciliten la generación de movimientos vibratorios.

6 El mismo procedimiento se realizó para ROUTER3 arrojando los mismos resultados. Posteriormente, se realizó una prueba que implicó la recolección de datos de aceleración provenientes desde la red hacia el nodo central. Para lograr implementar este procedimiento, se estableció una tasa de muestreo de 500mSeg y se recibió un Frame de respuesta de cambio exitoso, de cada dispositivo que compone la red. La siguiente figura ilustra la respuesta recibida de cada dispositivo en la red. Fig. 11. Información recolectada B. Resultados del monitoreo En el proceso de monitoreo se realizó enrutamiento hacia la red (downstream) y desde la red (upstream). Una de las pruebas se basó en la creación de ruta y envío de un comando ON/OFF para la activación de una salida digital. En este caso, la salida digital se encargó del encendido o apagado de un led. Los dispositivos finales seleccionados para realizar esta prueba fueron ROUTER3 y ROUTER5 y se requirió el establecimiento de una ruta con dos saltos, para lograr la entrega del comando. A continuación se mostrarán los Frames de ruta y comando empleados para ROUTER5.. Fig. 13. Selección de la tasa de muestreo y confirmación de cambio de comando exitoso. C. Gráficas de aceleración Del proceso de monitoreo realizado se obtuvo el valor de aceleración en tiempo real, para el eje Z de cada nodo. La siguiente figura muestra el valor obtenido para Router3. Frame de ruta: 7E A A 31 7E E DA 16 7F 1A 2A Frame de encendido de led: 7E A A 31 7E E En la siguiente figura se ilustra el Frame de confirmación de cambio exitoso, enviado desde el dispositivo remoto con valor en la carga útil de El valor de 0 representa el cambio exitoso. Fig. 14. Gráfica de aceleración de Router3. VI. CONCLUONES Fig. 12. Confirmación de modificación exitosa en ROUTER5. El empleo de la tecnología Zigbee en el desarrollo de este proyecto permitió conocer y entender las ventajas de conformar una red mesh y lograr, finalmente, un aprovechamiento máximo del conjunto de protocolos abarcados por esta tecnología.

7 Durante el desarrollo de este proyecto fue posible comprobar que la elección del módulo Xbee ZB serie 2 para la aplicación desarrollada, fue acertada. Estos módulos fueron diseñados específicamente para la creación de redes mesh y pueden desempeñarse como cualquiera de los dispositivos que conforman una red. Se adquirieron conocimientos sobre configuración de módulos locales o remotos, mediante el empleo de comandos AT encapsulados en Frames API, enviados en modo Broadcast o Unicast. Así mismo, se logró determinar la importancia de la interacción de los dispositivos en la red y la eficiencia de transmisión de datos, apoyada en la posibilidad de reconfigurar enlaces evitando la pérdida de dispositivos en la red. El prototipo desarrollado posee características especiales para la aplicación seleccionada. Esto implicó un proceso de conocimiento de manejo de los módulos y adaptación de las diferentes señales implicadas en el monitoreo estructural. Adicionalmente, fue necesario desarrollar habilidades que permitieran realizar una adecuada caracterización de los sensores. En el proceso de investigación e implementación del enrutamiento en este tipo de redes, se asimilaron conceptos como Node Discovery, Route Request, Source Routing y ManyToOne. Así mismo, se identificó la inundación como una falencia presentada por la red, al establecer el envío inicial de comandos de generación de enrutamiento, en modo Broadcast. a digitales y pines multipropósito integrados. La desventaja más relevante es la bajan tasa de conversión del módulo en su modo análogo a digital. Esto hace que se generen errores en la conversión de los datos ante variaciones bruscas de la señal durante el proceso de monitoreo. REFERENCIAS [1] (2011) XBee ZB serie 2. [En línea]. Disponible en: 713_file.jpg?&s=843785a3f38eece3 [2] (2006) FREESCALE SEMICONDUCTOR. Detecting Freefall with LowG Accelerometers. [En línea]. Disponible en: N3151.pdf [3] (2009) Wireless Sensor Network [En línea]. Disponible [4] (2010) DIGI INTERNATIONAL Inc. XBee /XBee PRO Z B RF Modules. [En línea] Disponible en: en: La selección de la aplicación se realizó de acuerdo a la tecnología empleada. El SHM o monitoreo estructural, permite el aprovechamiento de las capacidades ofrecidas por el conjunto de protocolos Zigbee y el completo análisis de la interacción de la WSN desplegada sobre la estructura. La disponibilidad de grandes espacios para realizar el monitoreo, permite observar y estudiar a fondo el comportamiento del entorno en el que la red realiza su trabajo. Se logró transmitir al usuario de forma clara y amigable, la información sobre el comportamiento de la red y el monitoreo que ésta realiza, mediante la creación de una interfaz gráfica de visualización orientada a objetos en el programa Visual Basic 20. Los datos y gráficas sobre aceleración, visualizados en la interfaz, se encuentran en tiempo real. Esto representa una gran ventaja para el estudio de la calidad de las estructuras en Colombia, ayudando a salvaguardar la vida de las personas que habitan o trabajan en ellas. Durante el desarrollo del proyecto se identificaron ventajas y desventajas claras de los módulos utilizados. Una de las ventajas más sobresalientes es la integración de conversores análogos