La principal razón de integrar la electrónica

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1 Redes de sensores inteligentes Hacia la convergencia de las redes inalámbricas de sensores con IEEE 1451 COMPONENTES. El mercado mundial de sensores es muy diverso y se extiende ampliamente, con diversos dispositivos que incluyen la detección de variables mecánicas, eléctricas, térmicas, magnéticas, químicas y radiantes. Los avances en sistemas microelectromecánicos (MEMS) han permitido desarrollar sensores embebidos con capacidades de procesamiento y comunicación que reemplazan a los sensores analógicos tradicionales reduciendo los costos de fabricación y con tendencia hacia el desarrollo totalmente digital. JORGE HIGUERA higuera@eel.upc.edu JOSÉ POLO jose.polo@upc.edu GRUPO DE INSTRUMENTACIÓN, SENSORES E INTERFACES ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE CASTELLDEFELS, UPC La principal razón de integrar la electrónica en el sensor es convertirlo en un dispositivo inteligente controlando características muy importantes como son el acondicionamiento de la señal, la conversión A/D, el procesamiento digital de la señal y las capacidades de comunicación. Sumado a esto, en los últimos años se ha registrado un creciente interés por desarrollar aplicaciones con redes de sensores inteligentes para monitorización ambiental, biomédica, automatización industrial, domótica y electrónica de consumo entre otras. Este fenómeno creó las condiciones necesarias para el surgimiento de una gran variedad de sensores inteligentes que interactúan en redes inalámbricas y han adoptado estándares universales ampliando la compatibilidad y el soporte a las tecnologías de redes actuales y futuras. SENSORES INTELIGENTES Los sensores inteligentes presentan características adicionales a los sensores analógicos convencionales y se diferencian de éstos porque integran las funciones de medición, acondicionamiento de señal, procesamiento digital y comunicaciones en redes permitiendo su programación según las exigencias específicas de una aplicación. Estas mejoras tanto en la miniaturización como en la incorporación de inteligencia por medio de microprocesadores embebidos traen consigo otras ventajas como la reducción de costos de producción, la incorporación de opciones para diagnóstico remoto, autocalibración de sus parámetros, medición de múltiples variables, mejora en la fiabilidad y en la relación señal a ruido, ajuste de la linealidad y offset, filtrado digital, entre otras. Además, el hardware del sensor inteligente utiliza un interface digital usando un único chip y de esta forma se denomina sistema en un chip (SoC). En los últimos años han aparecido múltiples soluciones de diversos fabricantes, la mayoría incompatibles entre sí. Esto hizo necesaria la aparición de un estándar que permitiera la interoperatividad entre diferentes dispositivos. Con este objetivo apareció el estándar IEEE 1451 que permite la interconexión de sensores inteligentes en diferentes tipos de redes, tanto cableadas como inalámbricas. Este estándar realmente es una familia de estándares que contempla diferentes formas de conectar los sensores inteligentes: con interface digital (IEEE ), redes distribuidas (IEEE ), de modo mixto (analógico-digital IEEE ), redes inalámbricas (IEEE ), con bus CAN (IEEE ) y con nodos RFID (IEEE ), y otros que puedan aparecer en un futuro. De esta forma, actualmente es posible desarrollar el interface del sensor inteligente independiente del fabricante del sensor, definiendo formatos estandarizados de datos, para ser instalados, actualizados, reemplazados y movidos los dispositivos sensores con mínimo esfuerzo de forma plug-and-play eliminando errores de configuración del sistema en la red. 40 Mundo Electrónico Junio 2008 /398

2 Sensor inteligente según el estándar IEEE 1451 La familia de estándares IEEE 1451 [1] es un grupo de normas de carácter universal y abierto para estandarizar sensores inteligentes teniendo en cuenta tres características fundamentales: integración de la inteligencia cercana al punto de medición, capacidad de cómputo e interface digital estándar para transferencia de datos. Los componentes fundamentales de un sensor inteligente bajo el estándar IEEE 1451 incluyen dos módulos principales: el módulo de interface de sensor inteligente (Smart Transducer Interface Module, STIM) que contiene internamente un submódulo denominado hoja de datos electrónica del sensor (Transducer Electronic Data Sheet, TEDS). El segundo módulo incluye un procesador de aplicaciones con funciones de red (Network Capable Processor Application NCAP) que permite el acceso a los dispositivos desde una red exterior. La figura 1 muestra el modelo de sensor inteligente según el estándar IEEE Estos módulos se comunican por medio de un interface de sensor independiente (Transducer Interface Independent, TII). En la figura 1 se muestra el bloque STIM donde se realiza el acondicionamiento de señal y la conversión A/D. También se incluye el módulo NCAP en el que se desarrolla el algoritmo de aplicación y el soporte hacia la red de comunicaciones. Este concepto permite la interacción de los módulos STIM y NCAP de diferentes fabricantes con total transparencia al usuario final. En la práctica, los módulos STIM y NCAP se pueden integrar en un mismo sensor inteligente dependiendo de la aplicación y del tipo de red. En una red inalámbrica el módulo STIM se incluye en el nodo sensor, mientras que el NCAP se implementa en el nodo coordinador de la red. Arquitectura de un sensor inteligente según el estándar IEEE En octubre de 2007 se aprobó el estándar IEEE [2], que tiene su nicho de aplicación en el diseño de sensores inteligentes que interactúan en redes inalámbricas. En este caso, el sensor inteligente está compuesto por un módulo interface de sensor inteligente inalámbrico (WTIM) que posee internamente el acondicionamiento de la señal, la conversión A/D, el submódulo TEDS y otro módulo que dirige las comunicaciones de radio para su operación en una red inalámbrica. El NCAP, según el estándar IEEE posee también un módulo de comunicaciones que puede encaminar los datos desde una red externa hacia uno o varios módulos WTIM. La figura 2 muestra la arquitectura base del diseño de un sensor inteligente en una red inalámbrica según el estándar IEEE En la figura 2 se observa la conexión de un NCAP a varios WTIM según los protocolos de redes inalámbricas soportados por el estándar IEEE que incluye los protocolos IEEE , Bluetooth, ZigBee y 6LoWPAN. Sin embargo sólo nos concentraremos en redes inalámbricas de área personal (Wíreless Personal Area Network, WPAN) de baja potencia que cumplen con el protocolo ZigBee. Protocolo ZigBee Las especificaciones ZigBee [3] dan soporte a desarrollos de sensores inteligentes según el estándar IEEE En este protocolo se definen perfiles de aplicación, características de seguridad y calidad del servicio. La arquitectura del protocolo ZigBee se organiza según el modelo de interconexión de sistemas abiertos (Open System Interconnection, OSI), en este caso, la capa física (PHY) y la capa de control Figura 1. Modelo de sensor inteligente según el estándar IEEE Figura 2. Arquitectura de un sensor inteligente en una red inalámbrica según el estándar IEEE Mundo Electrónico Junio 2008 /398 41

3 Figura 3. Capas del protocolo ZigBee. Figura 4. Topologías comunes en redes WSN. de acceso al medio (MAC) están definidas en el estándar IEEE , mientras que el protocolo ZigBee se encarga de crear la capa de red (NWK), la capa de seguridad, la subcapa de interface de aplicación APL y la capa de aplicaciones (figura 3). Para organizar una red WSN con ZigBee se utiliza generalmente un dispositivo coordinador PAN que es el encargado de asociar los nodos sensores a la red. Las especificaciones ZigBee utilizan además perfiles y grupos denominados clusters para definir las funcionalidades de cada sensor o grupo de sensores. Por ejemplo, si se organiza una red ZigBee compuesta por un NCAP y diversos WTIM se pueden aplicar perfiles específicos que incluyan grupos de sensores en agrupaciones ( clusters ) para utilizarlos en conjunto y permitir la posterior inclusión de nuevos miembros a la red que posean el mismo perfil en áreas donde puedan interactuar diversos sensores con diferentes funcionalidades y perfiles. REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES INTELIGENTES WSN Las redes WSN se componen de nodos sensores desplegados en un área de cobertura específica donde se busca la monitorización de fenómenos concretos. El objetivo de las redes inalámbricas bajo las especificaciones ZigBee es asegurar comunicaciones eficientes en cortas distancias menores a 100 metros, con velocidades de transferencia de 250 Kbps manteniendo una autonomía de vida media alta y empleando baja potencia en cada nodo sensor. Este tipo de redes inalámbricas de sensores tiene su nicho de desarrollo en las áreas de control industrial, domótica, monitorización ambiental, entre otras, que trabaja en la banda libre de radiofrecuencia industrial, científica y médica (Industrial Scientific and Medical, ISM) de 868 MHz, 915 MHz y 2,4 GHz. Las topologías más comunes incluyen redes tipo estrella, malla, y árbol que pueden estar compuestas de diferentes subredes interconectadas según una jerarquía específica. La figura 4 resume algunos tipos de redes inalámbricas WSN según las necesidades de monitorización y control. Una topología común es en estrella como se observa en la figura 4a, en la que los nodos sensores están asociados a un nodo coordinador, que posee mayor capacidad de cómputo y dirige el enrutamiento de tráfico hacia los otros nodos. Si un enlace se interrumpe, el nodo coordinador encamina el tráfico de la red hacia otro nodo sensor, pero si en algún caso falla el nodo coordinador, la red se destruye por completo. Otro esquema más robusto es la red tipo malla, como se observa en la figura 4c. En este caso se distribuyen regularmente los nodos sensores y sólo se permite la transmisión a los nodos vecinos más cercanos para maximizar el ahorro de 42 Mundo Electrónico Junio 2008 /398

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5 energía. Este esquema de red se implementa cuando se distribuyen muchos nodos en un área específica, debido a las múltiples rutas de envío entre los nodos vecinos se puede modificar el enrutamiento cuando falla un nodo sensor incrementando la disponibilidad de la red ante fallos de los nodos individuales. Además, en esta topología se pueden crear nodos principales que permitan funciones adicionales como control de enrutamiento y manejo de la potencia de trans- Diseño práctico de nodos WSN con interoperatividad IEEE 1451 El diseño práctico de nodos sensores inteligentes trabajando en redes inalámbricas que cumplan el estándar IEEE1451 y ZigBee presenta las siguientes características: - Recursos de alimentación limitados - Bajas velocidades de transferencia de datos - Dispositivos sensores de tamaño reducido Un diseño básico del WSTIM con estas características incluye los sensores; un interface de acondicionamiento de señal o un interface directo, dependiendo del tipo de sensores; un microcontrolador, que proporciona la inteligencia al módulo y permite la conversión A/D de la señal de los sensores; una memoria no volátil, que puede ser interna al microcontrolador o externa, para almacenar la hoja de datos electrónica del nodo sensor (TEDS); un transceptor, que puede ser integrado con el microcontrolador o no, para las comunicaciones inalámbricas. Entre los microcontroladores que pueden utilizarse destacan el MSP430 de Texas Instruments y el Atmel AVR Atmega 128L entre otros. Respecto a los transceptores, entre los más utilizados se encuentran el CC2420 y el CC2520 de Texas Instruments, el EM250 de Ember y el MC13203 de Freescale, que operan en la banda ISM de 2,4 GHz. En cuanto a soluciones ZigBee de segunda generación con microcontrolador y transceptor incluido en un solo chip destacan el CC2431 de Texas Instruments, el JN5121 de Jennic y el MC13214 de Freescale. Respecto al módulo NCAP, su implementación práctica incluye un microcontrolador, que puede ser equivalente al del WSTIM, que dirige las comunicaciones del transceptor ZigBee, controlando el acceso a los WSTIM de la red y permitiendo una conexión a una red cableada por medio de un interface USB, Ethernet, RS232, RS485, u otra, dependiendo de los recursos del microcontrolador y del hardware del controlador de red. Por último, en la red cableada generalmente se conecta un ordenador con un servidor Web, que almacena la información obtenida de los diversos sensores en una base de datos y permite un interface de fácil utilización para un usuario humano. La figura 5 muestra la arquitectura básica de una red de sensores WSN con monitorización vía Web donde los módulos WSTIM envían los datos al modulo coordinador NCAP, que se conecta a la red cableada, y luego se envían a través de Internet al servidor web. Existen varias alternativas que describiremos en futuras entregas donde se abordarán temas como la implementación de aplicaciones con sensores inteligentes en redes WSN mediante plataformas de desarrollo de hardware comerciales como las de Crossbow, la inclusión de sistemas operativos abiertos en tiempo real como TinyOS para manejo de tareas, eventos y colas en comparación con los diseños tradicionales que manejan rutinas mediante encuestas e interrupciones de periféricos. Figura 5. Red de sensores WSN con comunicación a una red cableada y monitorización vía Internet. 44 Mundo Electrónico Junio 2008 /398

6 misión según las condiciones de operación de la red. Técnicas para reducir el consumo de potencia en una red WSN Para redes WSN con ZigBee operando en áreas geográficas remotas o de difícil acceso, los enfoques se concentran en aumentar el tiempo de vida de los nodos sensores generando alimentación propia, conservando la energía y utilizando mejor los recursos de alimentación en los nodos sensores. Las técnicas para reducir el consumo incluyen métodos por software, aplicando algoritmos de programación para dormir los nodos sensores durante un tiempo específico y permitiendo su operación cuando sea estrictamente necesario. Por hardware, también se puede reducir la potencia desplegando nodos sensores ZigBee de segunda generación que incluyan en un mismo encapsulado tanto el microcontrolador como el transceptor haciendo más compacto y reducido el nodo sensor. Por otra parte, para alargar la vida media de los nodos sensores, se puede incluir a la arquitectura del nodo sensor un submódulo de alimentación que permita captar la energía del medio circundante, como por ejemplo, luz solar, cambios de temperatura, vibraciones, campos magnéticos, entre otras, que sirva de salvaguarda de alimentación y recargue las baterías principales. Otro enfoque para alargar la vida media de los nodos WSN incluye el control síncrono de transmisión y recepción en la red para evitar la congestión de tráfico, lo que se traduce en el aumento del consumo global de energía, en este caso, es deseable que cada nodo sensor pueda seleccionar el nivel de transmisión óptimo a su nodo vecino para minimizar el tráfico de la red en todo momento. SOLUCIONES DE HARDWARE Y SOFTWARE PARA SENSORES INTELIGENTES Para alcanzar la interoperatividad expresada en el estándar IEEE diversos fabricantes actualmente están desarrollando novedosas soluciones para integrar sensores inteligentes en nodos WSN. Entre los productos destacados se encuentran los sensores inteligentes de Smart Sensor Systems [4]. También existen módulos de desarrollo de propósito general para redes WSN con ZigBee como las soluciones de Cambridge Silicom Radio (CSR), Sensicast, Telegesis, Daintree, Ember y Crossbow [5]. Un nodo sensor WSN Crossbow modelo TelosB con soporte a ZigBee incluye sensores de temperatura, humedad relativa y radiación solar alimentados por baterías y con capacidades de enrutamiento multicanal en la banda ISM de 2.4 GHz. En estos módulos cada nodo tiene un microcontrolador de bajo consumo MSP430 con 10 KB de memoria RAM e interface USB 2.0 usando un sistema operativo en tiempo real para nodos WSN llamado TinyOS [6]. Las aplicaciones en estos módulos son variadas: desde redes inalámbricas genéricas de sensores o como una plataforma de desarrollo para monitorizar variables físicas en redes sin infraestructura previa. Los lenguajes de programación para desarrollar aplicaciones en redes WSN merecen especial atención pues existen en el mercado soluciones con código abierto de uso general como NesC (Network Embedeed System C), similar al lenguaje C, pero optimizado para trabajar con pequeños nodos sensores inalámbricos. También se destaca Java y su plataforma de desarrollo de aplicaciones IDE NetBeans que puede crear código para ser ejecutado en la maquina virtual Squawk J2ME de los módulos WSN SunSPOT [7], que trabajan con un microcontrolador de 32 bits y 180 MHz pretendiendo ocupar un papel destacado muy pronto en las redes de sensores inteligentes. CONCLUSIONES Los sensores inteligentes son dispositivos que integran la inteligencia cercana del punto de medición, brindando capacidades de cómputo y comunicación en un formato digital estándar con tamaño y costo reducido así como bajo consumo de energía. El estándar IEEE 1451 permite la interoperatividad de los sensores inteligentes con diferentes tipos de redes, cableadas e inalámbricas, y dentro de estas últimas bajo los protocolos IEEE , Bluetooth, ZigBee y 6LoWPAN. En ambientes sin infraestructura previa de red se espera que las redes de sensores WSN con Zig- Bee tengan su mayor potencial donde las velocidades de transmisión bajas, el menor consumo y mayor autonomía posible son obligatorios. Agradecimientos Con el apoyo del programa Alban, Programa de Becas de alto nivel de la Unión Europea para América Latina, beca No E07D400433CO. REFERENCIAS [1] Standard IEEE [2] IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators Wireless Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) Formats. IEEE Instrumentation and Measurement Society. ISBN: Publication Date: Oct [3] The Zigbee specification [4] Smart Sensor Systems [5] Crossbow Technology [6] TinyOS [7] SunSPOT ME Mundo Electrónico Junio 2008 /398 45