09 junio 2011

La siguiente evolución de las redes inalámbricas: Aplicaciones para control del movimiento (I)


En la evolución continua de las redes de control de movimiento, el mundo ha evolucionado desde las instalaciones de movimiento basadas en cableado analógico a soluciones de fieldbus más avanzadas tales como CANopen y DeviceNet a redes de movimiento basadas en ethernet de alto rendimiento. Conforme mejora la tecnología del procesador y la infraestructura de red crece las soluciones empiezan a dar problemas de configuración y las aplicaciones de cableado se encarecen.
Esto ha producido el desarrollo de varias redes poderosas basadas en Ethernet capaces de cumplir las necesidades de movimiento de alto rendimiento necesarias para cada aplicación. Sin duda cada una de estas redes ofrece sus propias ventajas. Sin embargo, ninguna ofrece una solución completa al problema del cableado que continua suponiendo un porcentaje significativo del coste de la máquina.

El control de movimiento inalámbrico ofrece una alternativa segura, robusta y efectiva en costes para controlar aplicaciones de movimiento multi-eje sin la necesidad de cables de control. Asimismo, el control inalámbrico resuelve una gran mayoría de aplicaciones donde una red de ethernet es demasiado cara para trabajar.
  
La estructura inalámbrica

Cuando se considera el núcleo de una tecnología basada en control de movimiento inalámbrico, es obvio que muchas opciones están disponibles. La lita principal incluye: Wi-Fi 802.11.x, Bluetooth, Wireless USB, ZigBee, ANT y soluciones de propietario. Veamos cuales son las más interesantes según diferentes criterios:
  • Aceptación: Las tecnologías con mayor aceptación son 802.11.x, Bluetooth y ZigBee.
  • Consumo de energía: Las tecnologías de menor consumo son ZigBee (.5 a 50 mW) y Bluetooth (50-100 mW).
  • Coste del nodo: Los costes más bajos son los de ZigBee.
  • Fiabilidad y seguridad: Una de las mayores preocupaciones en cualquier red inalámbrica es su fiabilidad. Un nodo caído puede no sólo ser molesto, sino que puede ser peligroso para los operadores de las máquinas o carga útil y por lo tanto debe eludirse a toda costa. Una red auto-reparada es una peculiaridad deseable en una red inalámbrica. ZigBee ofrece esta característica de auto-reparación en forma de una red de malla.
La figura con la que encabezamos este artículo ilustra la flexibilidad de una red que permite ZigBee. Los nodos finales pueden configurarse como dispositivos de función reducida (RFD) para disminuir el consumo o dispositivos de funcionalidad total (FFD) capaces de enrutar mensajes. vía otro FFD en la implementación mesh y por lo tanto mimizar el riesgo de un nodo caído. Esta funcionalidad se prueba extremadamente útil en aplicaciones de movimiento donde obstáculos (etapas, etc) pueden moverse y obstaculizar la trayectoria existente de un nodo final a un coordinador. Mediante enrutado, se encuentra una nueva trayectoria y se minimizan las pérdidas de paquetes.

Otra consideración importante cuando se elige topología wireless es la integridad y seguridad de los datos. ZigBee es perfectamente conveniente para tal tarea empleando seguridad en capa de control de acceso al medio (MAC) para seguridad de capa de  red y encriptado de un solo salto para encriptado multi salto. La siguiente figura muestra esta tipología.

Otra preocupación en la adopción de tecnología inalámbrica es la capacidad para controlar redes. Las redes Ad hoc permiten a los nodos unirse y dejar las redes si es necesario. Claramente, esto no es aceptable en aplicaciones de control del movimiento donde debe mantenerse un control estricto sobre la estructura de red. El protocolo ZigBee proporciona control a nivel MAC y NWK sobre el que el nodo puede unirse a una red de forma que dos o más redes independientes puedan operar en proximidad sin contención.


La integridad de datos se garantiza vía cálculos de capa de MAC a un CRC.
 
Aceptación y adopción

Con la excepción de ANT y protocolos de propietario la mayoría de las topologías inalámbricas candidadto tienen una buena aceptación. ZigBee no es diferente. Como un estandar abierto y redes inalámbricas disponibles comercialmente, soportado por múltiples componentes y vendedores, su arquitectura inherente de bajo coste y facilidad de implementación ha ganado una rápida adopción en aplicaciones de sensores y controles, particularmente en automatización de edificios. ZigBee soporta la banda de 868 MHz en europa, la banda de 915 MHz en Norteamérica, Australia, etc., y la banda de 2,4 Ghz, que es ahora reconocida y aceptada en casi todos los países. IEEE desarrolló la capa física y estandares de capa MAC. ZigBee alliance, un grupo multi-tecnología, multi-miembro, define la aplicación y capas de red mientras que los usuarios desarrollan los perfiles de la aplicación.

Tasa de datos

Con mucho enfoque estos días sobre el rendimiento de red, uno puede maravillarse con ZigBee, una red de baja tasa de datos, se considera la mejor elección para el control del movimiento inalámbrico.

La respuesta se encuentra se encuentra reconociendo los tipos de aplicaciones más convenientes para el control del movimiento inalámbrico.

Las redes de movimiento basadas en ethernet compiten en rendimiento para resolver  aplicaciones complejas, requiriendo que el movimiento esté estrechamente acoplado y el ancho de banda sea el mas alto. Fallan al satisfacer las necesidades de aplicaciones menos rigurosas. En tales casos una red de movimiento basada en Ethernet puede ser excesivamente costoso y no dirige las necesidades más básicas para eliminar completamente los asuntos de gestión de cables.

Como ejemplo, muchas aplicaciones hidráulicas tienen requerimientos de movimiento simple para control de bombas y posicionamiento de muestras.

En muchos casos estas aplicaciones acopladas laxamente pueden resolverse con redes cableadas CANopen o serie con bajas tasas de datos. En estos casos ZigBee es el acoplamiento perfecto. a 2,4 GHz, las tasas de datos son tan altas que pueden alcanzarse 250 kbps.

Fácil implementación

La tecnología ZigBee se caracteriza tembién por una fácil implementación para aplicaciones de control del movimiento si la comparamos con otras tecnologías. Cuando evaluamos una tecnología para ser usada en control del movimiento, uno debe considerar la facilidad con la que la tecnología puede incluirse en un diseño. ZigBee es soportado por varias terceras partes en software y hardware con soluciones, radio y CPU, y a menudo en un único chip. El paquete de código de protocolo ZigBee se estima que es 1/4th del de Bluetooth o 802.11. Antenas (ej. basadas en SMA y chip) y diseños de antenas (ej., PCB) están disponibles para su uso en muchas variedades para adaptarse a aplicaciones individuales.Todo esto permite a las compañías implementar ZigBee descargando el diseño wireless y enfocándose en el desarrollo de su aplicación.

Continua en 2ª PARTE

Palabras clave: Reduced Function Devices (RFD), Full Function Devices (FFD), Media Access Control (MAC).
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