03 enero 2010

Eficiencia energética en redes wireless de sensores para aplicaciones de vigilancia

En muchas aplicaciones inalámbricas de sensores, por ejemplo la vigilancia ambiental, fronteriza o militar, requiere el despliegue de redes de sensores sin vigilancia. Debido a las limitaciones energéticas de estos dispositivos sensores, tales sistemas necesitan un diseño cuidadoso en consumo energético que asegure la longevidad en tales misiones de vigilancia. En este artículo describimos algunos conceptos esenciales para la implementación de redes inalámbricas de sensores eficientes en consumo energético. Al sistema que nos referimos es a un grupo de dispositivos sensores que detectan la posición de vehículos móviles de una forma eficiente en consumo energético.

. Descripción de una red wireless de sensores .

El ejemplo que evaluamos son nodos de una red 70 MICA2 equipados con magnetómetros de dos ejes. MICA es una plataforma wireless desarrollada hace unos años por investigadores de U.C. Berkeley. Se trata de una plataforma de software y hardware en código abierto que combina capacidad sensora, comunicaciones, y computación en una arquitectura completa. El despliegue de la plataforma y exponencial crecimiento se basa en la magia del código abierto, que ha llegado a ser conocido con el sistema operativo Linux. Como ocurre con Linux, la mayoría del desarrollo es de dominio público, incluyendo el diseño del hardware y el código fuente del software. Los usuarios de la tecnología contribuyen a su despliegue y al crecimiento de la comunidad que es la base del diseño del hardware y el código y el crecimiento es rápido. El hardware básico de MICA ahora usa una fracción de un vatio de potencia y consiste en la comercialización de componentes que caben en una pulgada cuadrada. El diseño del hardware consiste en una pequeña tarjeta conocida como mote procesador/radio, o tarjeta MPR y una tarjeta de sensores, conocida como mote sensor. La combinación de ambas tarjetas forman un sensor inalámbrico integrable en una red. El microprocesador básico trabaja con 128 kB de memoria flash y 4 kb de SRAM. En una red dada miles de sensores pueden estar continuamente transmitiendo datos, creando un tráfico de datos profundo. El microprocesador tiene tres funciones de estado dormido para conseguir ahorrar energía. De esta forma con una sola batería puede hacerse funcionar un nodo durante mucho tiempo, ya que hay aplicaciones que requieren autonomía de hasta cinco años. Los procesadores, radio, y una carga de sensores típica consumen alrededor de 100 mW. Cuando todos los componentes duermen, modo sleep, el consumo total del sistema es de 30 µW
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Software y TinyOS .

Otra de las características de los dispositivos MICA es el software embebido de los sensores. El software hace funcionar el hardware y la red – realiza las medidas de los sensores, enruta los datos de la medición, y controla la disipación de energía. El ambiente que soporta estos sensores es un sistema operativo muy pequeño llamado TiyOS, que permite el trabajo de la red, gestionar los detalles de la medición del sensor y abstraerse del desarrollo de la aplicación.
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Ejemplo .

El objetivo de este ejemplo es detectar vehículos, registrar con precisión y confianza la posición del vehículo, y por último informar a una estación base remota con un retardo aceptable. Para ello se usaron magnetómetros de dos ejes HMC1002, que detectan el movimiento de vehículos y objetos magnéticos. Tienen un campo de vista omni-direccional y por lo tanto son menos sensibles a la orientación. Tienen una resolución de 27 µGauss y su rango sensor varía con el tamaño del objeto magnético que se está sintiendo. Estos sensores pueden detectar pequeños objetos magnéticos a distancias aproximadas de 30 cm y vehículos de pasajeros moviéndose lentos a distancias aproximadas de 2,4 – 3 m.
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Las características de esta aplicación son las siguientes:
  • Ajuste de la sensibilidad: En este tipo de redes los principios articulados para crear redes eficientes son los mecanismos de control dinámico, que permiten compensar entre la eficiencia energética y el rendimiento del sistema ajustando la sensibilidad del sistema. Puede ser deseable disminuir la sensibilidad del sistema, para mantener baja la probabilidad de falsas alarmas en orden de evitar acciones inapropiadas y disipación de energía innecesaria.
  • Sigilo: Los sensores utilizados son miniaturizados, con muy baja posibilidad de ser detectados e interceptados. La miniaturización hace que los dispositivos sean difíciles de detectar, pero pueden interceptarse la señal de radiofrecuencia. Para evitar que estos sensores puedan ser interceptados se busca la comunicación cero en ausencia de eventos significativos.
  • Efectividad: La precisión en la estimación de la localización, y la latencia en la información del evento son las métricas que determinan la efectividad de un sistema de vigilancia. Exactitud y latencia son consideradas métricas importantes del rendimiento en el rastreo.
Forma de gestionar la energía
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Los componentes clave del sistema establecen rutas a través de las cuales los nodos intercambian información entre sí y una estación base. La gestión de energía y la detección colaborativa son dos servicios de alto nivel claves que proporcionan el sistema. El componente de servicio denominado centinela o sentry es el responsable para la gestión de la energía, a la vez que los componentes de gestión de grupo son responsables de la detección colaborativa y rastreo de eventos. El servicio centinela conserva energía en la redes de sensores seleccionando subgrupos de nodos, que se definen como sentries, para controlar eventos. El resto de los nodos permanecen en estado de baja energía hasta que ocurre un evento. Cuando un evento ocurre, los sentries despiertan a los otros nodos en la región y el grupo gestiona componentes dinámicamente y organiza los nodos en grupo para permitir un tracking colaborativo. Todos los nodos están programados para funcionar según este esquema de aplicación distribuida. El sistema soporta también la capacidad para reprogramar los nodos dinámicamente con nuevos parámetros tales como la sensibilidad. De esta forma se ajusta el sistema de detección para que se minimicen falsas alarmas y se optimice la capacidad sensora.

Proceso de inicialización
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El proceso de inicialización es el que permite activar el sistema. Este proceso se usa para sincronizar los nodos, establecer las rutas de comunicaciones, y configurar el sistema con los parámetros de control correctos. Es un proceso que normalmente dura unos dos minutos.
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Reconfiguración dinámica .

La puesta a punto de un sistema de detección de este tipo no es inmediata, sobre todo en lo relativo a la optimización del consumo energético. El resto de las variables las podemos conocer con más facilidad, pero el consumo de energía entre los nodos es el punto crítico más importante a tener en cuenta en el diseño. La capacidad de reconfiguración dinámica facilita los cambios en los requerimientos de la red de sensores en futuros cambios que requiera la aplicación. Incluso aunque se hagan pruebas previas para estudiar el consumo, reprogramar cien nodos es un proceso que lleva un cierto tiempo si ya están desplegados. Con la opción de reconfiguración dinámica esto puede hacerse automáticamente en tan solo un minuto. Desde la estación base mandamos a los nodos desplegados los nuevos parámetros en el mensaje de sincronización y los nodos adaptan los nuevos valores cuando aceptan el mensaje de sincronización. Esta estrategia es muy adecuada en términos de eficiencia energética, ya que las señales de sincronización se envían cada cierto tiempo y ello obvia la necesidad de enviar mensajes separados con parámetros de reset a los nodos. Ejemplos de parámetros de control que pueden configurarse son la duración de las etapas de inicialización, la duración del modo sleep, las tasas de muestreo y el grado de agregación de la red.
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Requerimientos de implementación
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El ejemplo tendría los siguientes requerimientos:
  • Eficiencia energética: Opera con un par de baterías de 2.200 mAh a 3 V. Consume 20 mA si la aplicación hace funcionar un sensor magnético que funcionando continuadamente llevaría a una duración de 5 días.
  • Eficiencia en ancho de banda: La radio Chipcon de MICA2 proporciona una transmisión de datos efectiva de 12,4 kbps, o lo que es igual transmisión de paquetes máximos de 43 pkts/sec. Pero un nodo apenas alcanza 20 pkts/sec cuando se expone a la contención del canal.
  • Simplicidad: El sistema requiere muchas funciones esenciales para conseguir el rastreo eficiente, aunque todo el sistema debe ajustarse en una memoria de datos de 4k y una memoria de código de 128 k. Ello requiere un diseño para la plataforma simple pero efectivo.
Arquitectura del software
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La arquitectura del software se escribe en NescC, y la programación se divide en cuatro grupos principales: inicialización, tracking, gestión de energía y utilidades generales.
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Evaluación de la capacidad de radio: .

El rango de comunicación del nodo depende de varios factores, tales como la longitud de la antena, la potencia de transmisión, la elevación sobre el suelo, y los efectos no-línea-de-vista de objetos y alrededores (hierba, árboles, etc.)
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Bibliografía: Energy-Efficient Surveillance System Using Wireless Sensor Networks. Tian He et al. Department of Computer Science. University of Virginia.
Palabras clave: Dual-axis magnetometers
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