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Redes de sensores
inalámbricos
Nuevas soluciones de interconexión para la automatización industrial
Niels Aakvaag, Jan-Erik Frey
La visión de sistemas informáticos,
presentes en todas partes, exige un
cambio de modelo para integrar en
nuestro entorno la potencia de cálculo, en lugar de tenerla concentrada en
ordenadores de sobremesa o portátiles. Esta amplia visión del futuro ha
impulsado varios campos de investigación poco definidos, entre ellos las
redes de sensores inalámbricos.
U
n sistema WSN (Wireless Sensor
Network) de sensores inalámbricos
es una red con numerosos dispositivos
distribuidos espacialmente, que utilizan
sensores para controlar diversas condiciones en distintos puntos, entre ellas
la temperatura, el sonido, la vibración,
la presión y movimiento o los contaminantes. Los dispositivos son unidades
autónomas que constan de un microcontrolador, una fuente de energía (casi
siempre una batería), un radiotransceptor y un elemento sensor 1 .
Debido a las limitaciones de la vida
de la batería, los nodos se construyen
teniendo presente la conservación de
la energía, y generalmente pasan
mucho tiempo en modo ‘durmiente’
(sleep) de bajo consumo de potencia.
Los nodos autoorganizan sus redes en
una forma ad hoc, en lugar de tener
una topología de red previamente
programada. Además, WSN tiene capacidad de autorrestauración, es decir,
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si se avería un nodo, la red encontrará
nuevas vías para encaminar los paquetes de datos. De esta forma, la red
sobrevivirá en su conjunto, aunque
haya nodos individuales que pierdan
potencia o se destruyan.
Aunque es un tema de investigación
controvertido, este punto de vista,
más bien clásico, de WSN tiene pocas
aplicaciones interesantes. Por ejemplo,
algunos autores especializados en este
campo señalan la detección de incendios forestales como una de las aplicaciones de WSN. Para que la definición de WSN tenga más aplicaciones
en la industria ha de ser más amplia y
menos estricta.
WSN en el mundo de la automatización
industrial
Las aplicaciones industriales divergen
de la definición anterior en varios aspectos. En primer lugar, y esto quizás
sea lo más importante, todos los sen-
sores son vitales para la operación de
la planta. Esto significa que no se
puede admitir la pérdida de un nodo
aunque la red global siga siendo operativa. Un nodo averiado tendrá que
ser sustituido.
En segundo lugar, el tiempo es esencial. Mientras que un paquete de datos en una WSN estándar puede emplear un tiempo indeterminado desde
su origen hasta su destino, una aplicación industrial requerirá frecuentemente límites rigurosos de la máxima
demora permitida.
1
Dispositivo autónomo de una red de
sensores inalámbricos
Sensor
Transmisor/
receptor
de radio
Fuente de
energía
CPU/Memoria
39
Redes de sensores inalámbricos
Tecnologías de sistemas integrados
ción ya de por sí congestionada.
Aunque la definición formal no sea
aplicable directamente en marcos industriales, WSN introduce nuevas técnicas de interconexión que ayudan a
reducir más el coste de instalación de
los sensores inalámbricos. La naturaleza ad hoc de WSN permite un sencillo
ajuste y configuración, tarea que no
debe subestimarse cuando la red es
de considerable tamaño. Para apoyar
la cobertura de sensores inalámbricos
a nivel de planta se ha de minimizar
el trabajo manual de configuración de
la red. Además, la configuración de
tipo ‘plug and produce’ (enchufar y
producir) de la red permite desplegar
redes temporales de sensores para
garantizar el mantenimiento o la localización y corrección de fallos.
Finalmente, y a diferencia de una red
WSN estándar, las soluciones inalámbricas en la industria suelen tener una infraestructura cableada. Los datos emanarán desde los sensores y se propagarán
por la red hasta algún punto de unión
cableado, desde donde generalmente
serán transportados hasta un controlador a través de un bus de alta velocidad.
Además de la clásica topología de red
mallada de WSN, existen dos topologías
comunes en la industria 2 . En la topología de redes en estrella, predominante
hoy en día, los nodos inalámbricos se
comunican con un dispositivo de pasarela (gateway) que hace de puente de
comunicación con una red cableada.
Una solución intermedia emergente y
común de WSN es tener dispositivos encaminadores (routers, con frecuencia alimentados por cables desde la red eléctrica) que comunican con la pasarela.
Los sensores sólo necesitan establecer la
comunicación punto a punto con los
routers y por consiguiente, pueden seguir siendo sencillos y de baja potencia,
al tiempo que se mejora el rango y la
redundancia de la propia red.
Aplicaciones y requisitos
Los requisitos de cualquier solución
WSN siempre dependerán estrechamente de la aplicación concreta. A
continuación se consideran dos casos
específicos de uso: fabricación discreta y monitorización de activos.
Estos dos casos implican requisitos
bajos de potencia, aunque la fuente
de energía real puede variar (almacenamiento de energía en baterías, obtención de energía desde fuentes ambientales, transferencia inalámbrica de
energía como, por ejemplo, por acoplamiento inductivo, etc.). En ambos
casos, la unidad no puede disipar más
que unos pocos milivatios (mW) como
máximo de potencia media.
En la fabricación discreta, el tiempo de
latencia del sistema es vital. Existe un
límite estricto del tiempo máximo de
latencia, por encima del cual el sistema funcionará mal. Este tiempo suele
Ventajas de WSN
La comunicación inalámbrica en aplicaciones industriales tiene muchas ventajas. Además de una mayor fiabilidad, la
ventaja más reconocida es el bajo coste
de instalación. Los emplazamientos industriales suelen ser entornos severos,
con requisitos muy exigentes en cuanto
al tipo y calidad del cableado. Prescindir de los cables significa que las instalaciones son más baratas, sobre todo
cuando se trata de modernizar o actualizar versiones antiguas, un caso en que
puede ser difícil proyectar los cables
adicionales necesarios en una instala2
Topologías comunes de redes de sensores inalámbricos
Retos del desarrollo de sistemas
integrados
S
S
S
S
S
S
S
R
S
R
S
G
S
R
S
S
40
S Sensor
S
S
S
Puerta
S
S
R
S
G
S
G
G
S
S
S
R
R Router
S
ser de algunas decenas de milisegundos. Para la monitorización de activos,
en cambio, el tiempo de latencia es
mucho menos crítico. Esto depende,
como es lógico, del activo que se esté
supervisando, pero es habitual que los
tiempos de actualización sean del orden de minutos o incluso de horas.
La fiabilidad es un tercer parámetro de
interés. Dependiendo de la aplicación
concreta hay varias formas de aumentar
la probabilidad de que un mensaje llegue a su destino. Una forma posible es
aumentar la redundancia, lo que puede
hacerse de varias maneras. El mensaje
se puede transmitir por diferentes caminos (diversidad de espacio), en diferentes frecuencias (diversidad de frecuencias), varias veces en la misma frecuencia (diversidad de tiempos) o, incluso,
se puede enviar utilizando diferentes esquemas de modulación (diversidad de
esquemas de modulación). Este último
es un método complejo que sólo se empleará cuando los requisitos sean extremadamente estrictos y el coste no sea
ningún problema.
El sector de productos para oficina y de
consumo es hoy en día el principal impulsor de las tecnologías inalámbricas,
con aplicaciones de gran volumen en
las que se requiere un tiempo de vida
relativamente corto de los dispositivos.
En cambio, la vida útil de los dispositivos industriales ha de ser mucho más
larga que la de los productos de consumo. Esto significa que hay que prestar
atención muy especial a la integración
de componentes inalámbricos en los
dispositivos industriales. El diseño modular (del hardware y el software) es
esencial, pues permite un mantenimiento eficaz de los dispositivos –hechos con
componentes estándar disponibles en el
mercado– durante toda su vida útil.
Sensor con router
S
S
Un sistema integrado se puede definir
de varias formas. Un buen ejemplo es
[1]: ‘...un sistema informático especializado que forma parte de un sistema o
máquina mayor’. El término definidor
aquí es ‘especializado’. Un sistema integrado tiene un solo propósito y ejecuta
una tarea única. Por consiguiente, la
creación de sistemas dedicados, como
un WSN, tiene sus propios requisitos,
específicos del problema en cuestión.
El diseño del sistema integrado considera tanto los aspectos de hardware como
Revista ABB 2/2006
Redes de sensores inalámbricos
Tecnologías de sistemas integrados
de software. Los dos sistemas
están entrelazados y la solución óptima, si realmente se
puede hallar una, implica la
interacción
entre ellos.
En el protocolo de comunicación se determinan los límites
inferiores del consumo. Algunos protocolos de comunicaEVENT_timer_wake
ción son poco eficientes y ninACTION_power_up_CPU
guna programación integrada
ACTION_power_up_sensor
inteligente ayudará a reducir el
SLEEP
WAIT_FOR_VALUE
Elección de los bloques
consumo hasta un nivel aceptaEVENT_difference_small
funcionales
ble. Otros protocolos se diseACTION_power_down_CPU
Una importante característica
ñan para conseguir un bajo
ACTION_power_down_sensor
de WSN es reducir al mínimo
consumo sin comprometer inel consumo de energía de los
debidamente el rendimiento de
WAIT_FOR_
nodos, proporcionando al
la comunicación. Uno de estos
ACKNOWLEDGE
EVENT_acknowledge_OK
EVENT_difference_large
mismo tiempo el mayor rendiprotocolos de baja potencia es
ACTION_power_down_radio
ACTION_power_down_sensor
miento posible a los usuarios
la plataforma tecnológica de inACTION_power_down_CPU
ACTION_power_up_radio
ACTION_send_value
del sistema.
terconexión inalámbrica para
Diseñar los nodos para un
sensores y actuadores (WISA,
bajo consumo supone elegir
Wireless Interface to Sensors
componentes de baja potencia, algo
and Actuators)1) [2] [3]. El alto renditos necesarios. Ésta es la unidad maesmiento se puede atribuir a dos factores:
que a primera vista puede parecer tritra del sistema y necesita controlar
salto simple y multiplexación por divivial, pero que suele ser más complejo
por completo todos los bloques funciosión en el tiempo (TDM). El primer facde lo que parece. El primer parámetro
nales.
tor evita demoras en los nodos intermea considerar es el consumo de energía
Aspectos del sistema
dios, el segundo garantiza que sólo hade la CPU, el sensor, el radiotranscepCon frecuencia se proporciona el protobrá un nodo en el canal, es decir, que
tor y, posiblemente, de otros elemencolo de comunicación con objeto de utino habrá colisiones. La especificación
tos, como la memoria externa y los
lizar los recursos disponibles dentro de
ZigBee [4], recientemente desarrollada
periféricos durante el modo normal de
los límites especificados y que ningún
con el protocolo subyacente 802.15.4, es
operación. La elección de elementos
elemento esté energizado, si no es imde tipo más general, pero su rendimiende baja potencia implica normalmente
prescindible. El trabajo se reduce a actito de comunicación será menor. Incluye
aceptar compromisos sobre el rendivar y desactivar unidades, como el senmultisalto, lo que implica que un menmiento medio. Por regla general, una
sor, la CPU y el transceptor, con la temsaje puede utilizar varios saltos en las
CPU de baja potencia opera en un ciporización apropiada. Supongamos que
ondas de radio para llegar a su destino.
clo reducido de reloj, con menos caun nodo necesita despertar del modo
Los nodos no tienen asignados intervaracterísticas en el chip que otras unidurmiente a intervalos regulares para
los específicos de tiempo, sino que han
dades homólogas que consumen más
transmitir el valor de su sensor, pero sóde competir para acceder al canal. Esto
energía. La solución está en elegir elelo si el nuevo valor tiene una diferencia
permite el acceso de más usuarios al
mentos con el rendimiento justo para
mínima dada con el último valor. Una
medio inalámbrico, pero introduce inpoder hacer el trabajo.
vez enviado el valor por el canal de
certidumbre en el sistema, ya que la deEs importante que el consumo de
radio, la unidad espera recibir un menmora y el consumo de energía aumenenergía en modo durmiente sea bajo.
saje de confirmación que indica que el
tan cuando un nodo está esperando su
A menudo se puede incluso desconecpaquete ha sido recibido correctamente.
turno. Además, los nodos intermedios
tar por completo la alimentación del
El comportamiento requerido del softdesconocen el momento en que pueden
sensor y del transceptor. Sin embargo,
ware se explica mejor con un diagrama
ser solicitados para encaminar paquetes
la CPU necesitará alguna alimentación
de estados: una representación esquepara otros. Por consiguiente, es aconseen modo durmiente para poder reactimática del estado en que se encuentra
jable disponer de nodos intermedios,
varse. Para el presupuesto de la poel software, de los sucesos que lo llevan
también conocidos como routers, alitencia total es esencial que el consude un estado a otro y de las acciones
mentados desde la red eléctrica (véase
mo en modo durmiente sea bajo.
asociadas a cada transición de estado 3
figura 2 , la topología de la red).
Otro aspecto que también se suele pa.Obsérvese que, en el sistema descrito,
En resumen, el protocolo WISA se adapsar por alto es el tiempo de activación
las unidades se energizan sólo cuando
ta bien a los requisitos de la fabricación
y desactivación de los elementos. Por
es necesario, minimizando así la pérdida
discreta, siempre que se cumpla la conejemplo, el transceptor necesitará un
de energía.
dición de salto simple. Por el contrario,
cierto tiempo mínimo hasta que se
ZigBee resulta ideal para aplicaciones
estabilicen sus osciladores. Durante la
Aspectos del protocolo
de monitorización de activos, suponienespera, tanto el transceptor como la
Además de utilizar componentes electródo que los nodos routers están conectaCPU consumen energía, consumo que
nicos de baja potencia y un programa
dos por cable a la red eléctrica.
es necesario minimizar. Lo mismo
inteligente de durmiente/reactivación, el
Los diferentes métodos de hardware y softocurre, como es lógico, al energizar la
protocolo de comunicación tiene una
ware influyen directamente en el consumo
CPU y el sensor.
gran influencia sobre el consumo final
de energía de los dispositivos 4 . Hasta
Finalmente, es preciso garantizar el
ahora no se han cuantificado los diversos
de energía del sistema.
control por la CPU de todos los elemenRevista ABB 2/2006
3
Sucesos y acciones que provocan la transición del software de un
estado a otro
41
Redes de sensores inalámbricos
Tecnologías de sistemas integrados
efectos, pero esto dependerá de que
se desarrolle la red WSN específica.
Modularidad
El diseño modular es necesario con
objeto de poder reutilizar los elementos. Sin embargo, la modularidad conlleva limitaciones de diseño y se ha
de tener cuidado para garantizar que
las interfaces entre módulos, hardware
y software sean suficientemente generales para permitir la portabilidad.
Un ejemplo clásico de la separación de
módulos es la división entre el protocolo de comunicación y el software de
aplicación. Este último es escrito invariablemente por ABB, mientras que el
protocolo se suele adquirir a otra empresa. Integrar estos dos componentes
en el mismo microcontrolador puede
ser difícil. Aún más complejo es manejar versiones nuevas, tratamientos de
errores y documentación cuando el
software que se ejecuta en el mismo
procesador tiene varias fuentes. También es alto el riesgo de suboptimización, es decir, los dos módulos de software están optimizados individualmente (con respecto a potencia, rendimiento, tamaño de código, etc.), pero esto
no proporciona necesariamente una solución globalmente óptima.
La modularidad se puede conseguir
también a un nivel inferior. El protocolo de comunicación puede considerarse formado por varios bloques, conocidos como capas OSI (Open Stan-
dards Interface). Dado un procedimiento correcto de diseño, cabe la
posibilidad de cambiar una capa individual por otra de una fuente diferente. Como es obvio, cuanto más dividido esté el código tanto más modular
resulta. Al mismo tiempo aumenta la
‘suboptimización’, de modo que la solución dista de ser perfecta.
Normalización
Actualmente hay varias iniciativas en
curso que buscan normalizar WSN para el uso industrial. Una de las más
conocidas es la norma ZigBee, que es
una especificación inalámbrica de baja
potencia, bajo coste y baja velocidad
de transferencia de datos, destinada a
electrodomésticos, juguetes, aplicaciones industriales y otras similares. ZigBee Alliance ha empezado a trabajar
hace poco en un perfil para la monitorización de plantas industriales.
Otra importante iniciativa, la especificación inalámbrica HART [6], tiene como
objetivo extender este famoso estándar
al dominio inalámbrico y abrir el mercado al gran número de usuarios HART.
Esta iniciativa especificará perfiles y casos prácticos en los que se podrá aplicar
directamente el control inalámbrico.
La tercera iniciativa en marcha es la norma ISA-SP100 [6]. En vez de normalizar
todos los elementos del sistema, ISASP100 especifica sólo los niveles superiores de la pila, con varias implementaciones posibles a nivel inferior.
Estando en los comienzos del proceso
es difícil predecir cuál de estas iniciativas prevalecerá. Los clientes finales serán los que decidan en su día basándose
en el rendimiento y la disponibilidad de
los productos. El reto actual es adoptar
óptimamente la norma dominante, es
decir, utilizar la norma en la mayor medida posible, satisfaciendo al mismo
tiempo los requisitos críticos de la misión y manteniendo/actualizando eficazmente la implementación.
La llegada de las redes de sensores inalámbricos conlleva la introducción de
muchas y apasionantes tecnologías nuevas en el mundo de la automatización
industrial. El desafío tecnológico fundamental es mantener en un mínimo el
consumo de energía de los nodos sensores, proporcionando al mismo tiempo
el mayor rendimiento posible a los
usuarios del sistema. El segundo reto es
crear un diseño modular del sistema
que permita el mantenimiento de los
dispositivos durante toda su vida útil,
satisfaciendo asimismo todos los requisitos de aplicación críticos de la misión.
Niels Aakvaag
ABB Corporate Research
Noruega
[email protected]
Jan-Erik Frey
ABB Automation Technologies
Västerås, Sweden
4
Métodos de hardware y software que influyen directamente en el consumo de energía de los dispositivos
Arquitectura de software
[email protected]
Bibliografia
Protocolo de comunicación
[1] Webopedia, http://www.webopedia.com/TERME/
Mecanismo de sincronización (registrado, ranuras de tiempo fijo), esquema
de modulación, transmisión técnica RF, etc.
embedded_system.html
[2] Jan-Erik Frey, Andreas Kreitz, Guntram Scheible;
“Desenchufado pero conectado, Parte 1: Redefi-
Tamaño de empaquetamiento de datos (dimensión
de carga útil, tamaño de colector, CRC, etc)
Acceso a medios sin
limitaciones (p.ej. TDMA)
nición de lo inalámbrico”, Revista ABB 3/2005.
[3] Jan-Erik Frey, Jan Endresen, Andreas Kreitz, Guntram Scheible; “Desenchufado pero conectado,
Acceso a medios basado en limitaciones (p.ej. CDMA)
Parte 2: Sensores y ejecutores inalámbricos en sistemas de control industrial”, Revista ABB 4/2005.
[4] ZigBee Alliance, http://www.zigbee.org
Monosalto
Multisalto
[5] HART Communication Foundation,
http://www.hartcomm.org
[6] ISA-SP100, http://www.isa.org
Parada de componentes durante el funcionamiento en vacío
Tiempo de parada / arranque
Consumo de energía en funcionamiento normal
Consumo de energía
en estado durmiente
Controlable
por medio
de la CPU
Nota:
1)
WISA es un protocolo de ABB basado en hardware
estándar de bajo coste (transmisores de radio de 2,4
GHz), pero mejorado por medio de un protocolo que
Componentes de Hardware
dirige específicamente la automatización de planta,
en tiempo real, en el nivel de dispositivo de campo.
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Revista ABB 2/2006