Nodo sensor - Sensor node

La arquitectura típica del nodo sensor.

Un nodo sensor , también conocido como mota (principalmente en Norteamérica ), es un nodo en una red de sensores que es capaz de realizar algún procesamiento, recopilar información sensorial y comunicarse con otros nodos conectados en la red. Una mota es un nodo, pero un nodo no siempre es una mota.

Historia

Aunque los nodos de sensores inalámbricos han existido durante décadas y se han utilizado para aplicaciones tan diversas como la medición de terremotos y la guerra, el desarrollo moderno de los nodos de sensores pequeños se remonta al proyecto Smartdust de 1998 y la red de sensores de la NASA. Uno de los objetivos del proyecto Smartdust era crear detección y comunicación autónomas dentro de un milímetro cúbico de espacio. Aunque este proyecto terminó temprano, dio lugar a muchos más proyectos de investigación. Incluyen los principales centros de investigación en Berkeley NEST y CENS. Los investigadores involucrados en estos proyectos acuñaron el término mote para referirse a un nodo sensor. El término equivalente en el Proyecto de redes de sensores de la NASA para un nodo de sensor físico es pod , aunque el nodo de sensor en una red de sensores puede ser otra red de sensores en sí. Los nodos de sensores físicos han podido aumentar su capacidad junto con la Ley de Moore . La huella del chip contiene microcontroladores más complejos y de menor potencia . Por lo tanto, para la misma huella de nodo, se puede incluir más capacidad de silicio. Hoy en día, las motas se centran en proporcionar el mayor alcance inalámbrico (decenas de km), el menor consumo de energía (unos pocos uA) y el proceso de desarrollo más sencillo para el usuario.

Componentes

Los componentes principales de un nodo sensor son un microcontrolador , transceptor , memoria externa , fuente de alimentación y uno o más sensores .

Controlador

El controlador realiza tareas, procesa datos y controla la funcionalidad de otros componentes en el nodo del sensor. Si bien el controlador más común es un microcontrolador , otras alternativas que se pueden utilizar como controlador son: un microprocesador de escritorio de uso general , procesadores de señales digitales , FPGA y ASIC . Un microcontrolador se utiliza a menudo en muchos sistemas integrados , como los nodos de sensores, debido a su bajo costo, flexibilidad para conectarse a otros dispositivos, facilidad de programación y bajo consumo de energía. Un microprocesador de propósito general generalmente tiene un mayor consumo de energía que un microcontrolador, por lo tanto, a menudo no se considera una opción adecuada para un nodo sensor. Se pueden elegir procesadores de señales digitales para aplicaciones de comunicación inalámbrica de banda ancha , pero en las redes de sensores inalámbricos la comunicación inalámbrica es a menudo modesta: es decir, más simple, más fácil de procesar la modulación y las tareas de procesamiento de señales de detección real de datos son menos complicadas. Por lo tanto, las ventajas de los DSP no suelen ser de mucha importancia para los nodos de sensores inalámbricos. Los FPGA se pueden reprogramar y reconfigurar según los requisitos, pero esto requiere más tiempo y energía de lo deseado.

Transceptor

Los nodos de sensores a menudo utilizan la banda ISM , que ofrece radio , asignación de espectro y disponibilidad global gratuitas. Las posibles opciones de medios de transmisión inalámbrica son radiofrecuencia (RF), comunicación óptica (láser) e infrarrojos . Los láseres requieren menos energía, pero necesitan una línea de visión para comunicarse y son sensibles a las condiciones atmosféricas. Los infrarrojos, como los láseres, no necesitan antena, pero su capacidad de transmisión es limitada . La comunicación basada en radiofrecuencia es la más relevante que se adapta a la mayoría de las aplicaciones WSN. Las WSN tienden a utilizar frecuencias de comunicación sin licencia: 173, 433, 868 y 915 MHz ; y 2,4 GHz . La funcionalidad del transmisor y el receptor se combinan en un solo dispositivo conocido como transceptor . Los transceptores a menudo carecen de identificadores únicos. Los estados operativos son transmitir, recibir, inactivo y dormir. Los transceptores de la generación actual tienen máquinas de estado integradas que realizan algunas operaciones automáticamente.

La mayoría de los transceptores que funcionan en modo inactivo tienen un consumo de energía casi igual a la energía consumida en el modo de recepción. Por lo tanto, es mejor apagar completamente el transceptor en lugar de dejarlo en modo inactivo cuando no está transmitiendo ni recibiendo. Se consume una cantidad significativa de energía cuando se cambia del modo de suspensión al modo de transmisión para transmitir un paquete.

Memoria externa

Desde una perspectiva energética, los tipos de memoria más relevantes son la memoria en chip de un microcontrolador y la memoria Flash ; la RAM fuera del chip rara vez, si es que alguna vez, se usa. Se utilizan memorias flash por su coste y capacidad de almacenamiento. Los requisitos de memoria dependen en gran medida de la aplicación. Dos categorías de memoria basadas en el propósito del almacenamiento son: la memoria del usuario que se usa para almacenar datos personales o relacionados con la aplicación, y la memoria del programa que se usa para programar el dispositivo. La memoria del programa también contiene datos de identificación del dispositivo, si está presente.

Fuente de alimentación

Un nodo de sensor inalámbrico es una solución popular cuando es difícil o imposible conectar una fuente de alimentación al nodo de sensor. Sin embargo, dado que el nodo del sensor inalámbrico a menudo se coloca en una ubicación de difícil acceso, cambiar la batería con regularidad puede ser costoso e inconveniente. Un aspecto importante en el desarrollo de un nodo sensor inalámbrico es garantizar que siempre haya suficiente energía disponible para alimentar el sistema. El nodo sensor consume energía para detectar, comunicarse y procesar datos. Se requiere más energía para la comunicación de datos que cualquier otro proceso. El costo de energía de transmitir 1 Kb a una distancia de 100 metros (330 pies) es aproximadamente el mismo que el utilizado para la ejecución de 3 millones de instrucciones por un procesador de 100 millones de instrucciones por segundo / W. La energía se almacena en baterías o condensadores. Las baterías, tanto recargables como no recargables, son la principal fuente de alimentación para los nodos sensores. También se clasifican según el material electroquímico utilizado para los electrodos, como NiCd (níquel-cadmio), NiZn (níquel-zinc), NiMH (níquel-hidruro metálico) e iones de litio . Los sensores de corriente pueden renovar su energía a partir de fuentes solares , radiofrecuencia (RF), diferencias de temperatura o vibraciones . Dos políticas de ahorro de energía utilizadas son la administración dinámica de energía (DPM) y la escala dinámica de voltaje (DVS). DPM conserva energía apagando partes del nodo del sensor que no se utilizan actualmente o no están activas. Un esquema DVS varía los niveles de potencia dentro del nodo sensor según la carga de trabajo no determinista. Variando el voltaje junto con la frecuencia, es posible obtener una reducción cuadrática en el consumo de energía.

Sensores

Los nodos de sensores inalámbricos utilizan sensores para capturar datos de su entorno. Son dispositivos de hardware que producen una respuesta medible a un cambio en una condición física como temperatura o presión. Los sensores miden datos físicos del parámetro a monitorear y tienen características específicas como precisión, sensibilidad, etc. La señal analógica continua producida por los sensores es digitalizada por un convertidor de analógico a digital y enviada a los controladores para su posterior procesamiento. Algunos sensores contienen la electrónica necesaria para convertir las señales sin procesar en lecturas que se pueden recuperar a través de un enlace digital (por ejemplo, I2C, SPI) y muchos se convierten a unidades como ° C. La mayoría de los nodos de sensores son de tamaño pequeño, consumen poca energía, operan en densidades volumétricas altas, son autónomos y operan sin supervisión, y se adaptan al medio ambiente. Como los nodos de sensores inalámbricos suelen ser dispositivos electrónicos muy pequeños, solo pueden equiparse con una fuente de alimentación limitada de menos de 0,5-2 amperios-hora y 1,2-3,7 voltios.

Los sensores se clasifican en tres categorías: sensores pasivos omnidireccionales; sensores pasivos de haz estrecho; y sensores activos. Los sensores pasivos detectan los datos sin realmente manipular el entorno mediante sondeo activo. Son autoalimentados; es decir, solo se necesita energía para amplificar su señal analógica. Los sensores activos sondean activamente el entorno, por ejemplo, una sonda o un sensor de radar, y requieren energía continua de una fuente de alimentación. Los sensores de haz estrecho tienen una noción bien definida de dirección de medición, similar a una cámara. Los sensores omnidireccionales no tienen noción de dirección involucrada en sus mediciones.

La mayor parte del trabajo teórico sobre WSN supone el uso de sensores omnidireccionales pasivos. Cada nodo sensor tiene un área determinada de cobertura para la cual puede informar de manera confiable y precisa la cantidad particular que está observando. Varias fuentes de consumo de energía en los sensores son: muestreo de señales y conversión de señales físicas a eléctricas, acondicionamiento de señales y conversión de analógico a digital. La densidad espacial de los nodos sensores en el campo puede ser de hasta 20 nodos por metro cúbico.

Ver también

Referencias