Validación de una red de sensores inalámbricos basada en el estándar IEEE 802.15.4

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(1)VALIDACIÓN DE UNA RED DE SENSORES INALÁMBRICOS BASADA EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4. ANDRÉS FELIPE GONZÁLEZ FOLIACO. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C. 2006 – II.

(2) VALIDACIÓN DE UNA RED DE SENSORES INALÁMBRICOS BASADA EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4. ANDRÉS FELIPE GONZÁLEZ FOLIACO. Proyecto de grado para optar al título de : Ingeniero Electrónico. Director: Mauricio Guerrero Hurtado Ingeniero Electrónico. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C. DICIEMBRE DE 2006.

(3) IEL2-II-06. AGRADECIMIENTOS. El autor expresa de forma sincera, su agradecimiento a las siguientes personas: Mauricio Guerrero Hurtado, Ingeniero Electrónico, profesor del departamento de ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Los Andes, quien con su valiosa orientación profesional y sobre todo personal como director de este proyecto, permitieron la consecución de los objetivos del mismo.. A mi familia, por su apoyo incondicional durante toda mi formación académica y personal y en especial a mis amigos Rossi Johanna Lara y Fredy Alexander Puentes, quienes de manera desinteresada, me colaboraron activamente en el desarrollo de este proyecto.. I.

(4) IEL2-II-06. CONTENIDO INTRODUCCIÓN .................................................................................................................1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..............................................................................................4 1. MARCO TEÓRICO ......................................................................................................5 1.1. REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS (WSN) ............................................5 1.1.1. Definición...............................................................................................................5 1.1.2. Características......................................................................................................6 1.1.3. Aplicaciones....................................................................................................... 10 1.2. EL ESTÁND AR IEEE 802.15.4........................................................................... 11 1.2.1. IEEE 802.15.4 y Zigbee ................................................................................... 11 1.2.2. Tipos de nodo.................................................................................................... 15 1.2.3. Topologías de red............................................................................................. 15 1.2.4. Estructura de tramas........................................................................................ 17 1.2.5. Posibilidades de acceso al medio .................................................................. 19 1.2.5.1. Mecanismo de Beacons............................................................................... 19 1.2.5.2. Mecanismo CSMA-C A para P2P................................................................ 19 1.2.5.3. Mecanismo de contención (GTS)............................................................... 20 1.2.6. Tipos de tramas................................................................................................. 21 1.2.6.1. Trama de Beacon. ........................................................................................ 21 1.2.6.2. Trama de Datos............................................................................................. 22 1.2.6.3. Trama de Reconocimiento ACK................................................................. 23 1.2.6.4. Trama de comandos MAC........................................................................... 23 1.2.6.5. Campos comunes a todas las tramas....................................................... 23 1.2.6.6. Campos comunes referentes a la trama PHY.......................................... 24 1.3. EL KIT DE DESARROLLO CHIPCON CC2430............................................... 25 1.3.1. Introducción. ...................................................................................................... 25 1.3.2. Características generales................................................................................ 26 1.3.3. Contenido del paquete..................................................................................... 27 2. DESCRIPCION DE PRUEBAS EFECTUAD AS................................................... 28 2.1. PRUEBA DE CALIBR ACIÓN. ............................................................................. 28 2.1.1. Descripción de la prueba................................................................................. 28 2.1.2. Justificación. ...................................................................................................... 28 2.1.3. Equipo a utilizar................................................................................................. 28 2.1.4. Procedimiento.................................................................................................... 29 2.1.5. Posibles resultados........................................................................................... 33 2.2. PRUEBA DE RADIACIÓN DE ANTENA........................................................... 34 2.2.1. Descripción de la prueba................................................................................. 34 2.2.2. Justificación. ...................................................................................................... 34 2.2.3. Equipo a utilizar................................................................................................. 34 2.2.4. Procedimiento.................................................................................................... 35 2.2.5. Posibles resultados........................................................................................... 35 2.3. PRUEBA DE BANDAS DE TRANSMISIÓN. .................................................... 36 II.

(5) IEL2-II-06. 2.3.1. Descripción de la prueba................................................................................. 36 2.3.2. Justificación........................................................................................................ 36 2.3.3. Equipo a utilizar................................................................................................. 36 2.3.4. Procedimiento.................................................................................................... 37 2.3.5. Posibles resultados........................................................................................... 41 2.4. PRUEBA DE NÚMERO DE PAQUETES TR ANSMITIDOS .......................... 42 2.4.1. Descripción de la prueba................................................................................. 42 2.4.2. Justificación........................................................................................................ 42 2.4.3. Equipo a utilizar:................................................................................................ 42 2.4.4. Procedimiento.................................................................................................... 43 2.4.5. Posibles resultados........................................................................................... 47 2.5. PRUEBA DE TAMAÑO DE PAQUETES. ......................................................... 48 2.5.1. Descripción de la prueba................................................................................. 48 2.5.2. Justificación........................................................................................................ 48 2.5.3. Equipo a utilizar:................................................................................................ 48 2.5.4. Procedimiento.................................................................................................... 49 2.5.5. Posibles resultados........................................................................................... 53 2.6. PRUEBA DE POTENCIA TRANSMITID A. ....................................................... 54 2.6.1. Descripción de la prueba................................................................................. 54 2.6.2. Justificación........................................................................................................ 54 2.6.3. Equipo a utilizar:................................................................................................ 54 2.6.4. Procedimiento.................................................................................................... 55 2.6.5. Posibles resultados........................................................................................... 59 2.7. PRUEBA DE ALCANCE EN CAMPO ABIERTO. ............................................ 60 2.7.1. Descripción de la prueba................................................................................. 60 2.7.2. Justificación........................................................................................................ 60 2.7.3. Equipo a utilizar................................................................................................. 60 2.7.4. Procedimiento.................................................................................................... 61 2.7.5. Posibles resultados........................................................................................... 65 2.8. PRUEBA DE ALCANCE EN RECINTO CERRADO. ...................................... 66 2.8.1. Descripción de la prueba................................................................................. 66 2.8.2. Justificación........................................................................................................ 66 2.8.3. Equipo a utilizar................................................................................................. 67 2.8.4. Procedimiento.................................................................................................... 67 2.8.5. Posibles resultados........................................................................................... 71 3. IMPLEMENTACIÓN DE PRUEBAS. ..................................................................... 72 3.1. PRUEBA DE CALIBR ACIÓN. ............................................................................. 72 3.1.1. Resultados obtenidos....................................................................................... 72 3.1.2. Evaluación de resultados................................................................................. 72 3.2. PRUEBA DE RADIACIÓN DE ANTENA........................................................... 73 3.2.1. Resultados obtenidos....................................................................................... 73 3.2.2. Evaluación de resultados................................................................................. 84 3.3. PRUEBA DE BANDAS DE TRANSMISIÓN. .................................................... 92 3.3.1. Resultados obtenidos....................................................................................... 92 3.3.2. Evaluación de resultados...............................................................................102 III.

(6) IEL2-II-06. 3.4. PRUEBA DE NÚMERO DE PAQUETES TR ANSMITIDOS. .......................105 3.4.1. Resultados obtenidos.....................................................................................105 3.4.2. Evaluación de resultados...............................................................................111 3.5. PRUEBA DE TAMAÑO DE PAQUETES. .......................................................112 3.5.1. Resultados obtenidos.....................................................................................112 3.5.2. Evaluación de resultados...............................................................................117 3.6. PRUEBA DE POTENCIA TRANSMITID A. .....................................................120 3.6.1. Resultados obtenidos.....................................................................................120 3.6.2. Evaluación de resultados...............................................................................132 3.7. PRUEBA DE ALCANCE EN CAMPO ABIERTO ...........................................135 3.7.1. Resultados obtenidos.....................................................................................135 3.7.2. Evaluación de resultados...............................................................................140 3.8. PRUEBA DE ALCANCE EN RECINTO CERRADO. ....................................142 3.8.1. Resultados obtenidos.....................................................................................142 3.8.2. Evaluación de resultados...............................................................................150 4. CONCLUSIONES...................................................................................................151 5. REFERENCIAS.......................................................................................................153. IV.

(7) IEL2-II-06. LISTA DE TABLAS Tabla 1: Parámetros de operación en función de la banda. Tomado de [4]........... 18 Tabla 2: Formato muestra de toma de datos............................................................... 40 Tabla 3: Formato muestra de toma de datos............................................................... 46 Tabla 4: Formato muestra de toma de datos............................................................... 52 Tabla 5: Formato muestra de toma de datos............................................................... 59 Tabla 6: Formato muestra de toma de datos............................................................... 64 Tabla 7: Formato muestra de toma de datos............................................................... 70 Tabla 8: Valores promedios de potencia recibida, para diferentes canales............ 74 Tabla 9: Valores promedio de porcentajes de error para diferentes canales de transmisión......................................................................................................................... 74 Tabla 10: Potencia de transmisión, respecto a potencia transmitida....................... 75 Tabla 11: Potencia de transmisión respecto a tasa de error..................................... 76 Tabla 12: Ángulo de antena respecto a potencia recibida......................................... 80 Tabla 13: Potencia recibida respecto a porcentaje de error...................................... 83 Tabla 14: Número de ocurrencias en que cada ángulo obtiene el mayor valor de potencia recibida............................................................................................................... 86 Tabla 15: Número de ocurrencias en que cada ángulo obtiene menor porcentaje de error............................................................................................................................... 89 Tabla 16: Potencia promedio respecto al canal utilizado y la distancia................... 92 Tabla 17: Porcentaje de error por canal respecto a la distancia............................... 98 Tabla 18: Relación teórica entre canal, distancia y potencia recibida...................103 Tabla 19: Relación de número de paquetes, respecto a potencia recibida y porcentaje de error. ........................................................................................................106 Tabla 20: Relación entre tamaño de paquete, potencia recibida y porcentaje de error...................................................................................................................................113 Tabla 21: Valores máximos y mínimos de potencia transmitida en la que los equipos registran operación..........................................................................................121 Tabla 22: Diferencia entre potencias recibidas y diferencia porcentual. ...............133 Tabla 23: Relación entre distancia y potencia recibida para diferentes tamaños de paquetes...........................................................................................................................135 Tabla 24: Relación canal respecto a potencia recibida............................................143 Tabla 25: Relación número de paquetes respecto a potencia recibida y porcentaje de error.............................................................................................................................145 Tabla 26: Relación entre tamaño de paquete, potencia recibida y porcentaje de error...................................................................................................................................146 Tabla 27: Relación entre potencia transmitida, recibida y porcentaje de error. ...148. V.

(8) IEL2-II-06. LISTA DE FIGURAS Figura 1: Red de sensores inalámbricos. Tomado de [1]..............................................6 Figura 2: Diagrama de bloques general de un nodo sensor. Tomado de [1].............8 Figura 3: Distribución en bloques protocolo Zigbee.................................................... 12 Figura 4: Capas que conforman el protocolo Zigbee Stack....................................... 13 Figura 5: Topología de red tipo estrella......................................................................... 16 Figura 6: Topología de red tipo P2P.............................................................................. 16 Figura 7: Topología Cluster Tree. .................................................................................. 17 Figura 8: Mecanismo de Beacons. Tomado de [5]...................................................... 19 Figura 9: Mecanismo de contención con Beacons. Tomado de [5].......................... 20 Figura 10: Mecanismo de contención con beacons. Tomado de [2]........................ 21 Figura 11: Trama de Beacon. Tomada de [5]. ............................................................. 21 Figura 12: Trama de datos. Tomada de [5].................................................................. 22 Figura 13: Trama de reconocimiento. Tomada de [5]................................................. 23 Figura 14: Trama de comandos MAC. Tomada de [5]. .............................................. 23 Figura 15: Campos comunes a todas las tramas........................................................ 24 Figura 16: Campos comunes a la trama PHY. Tomada de [5].................................. 25 Figura 17: Vista frontal de la antena en posición vertical, con orientación de 0°... 30 Figura 18: Vista superior de la orientación de la antena del radio transmisor........ 30 Figura 19: Vista superior de la orientación de la antena del radio receptor............ 31 Figura 20: Vista superior de la antena en posición vertical, en ángulos de 0°, 90°, 180° y 240° respectivamente.......................................................................................... 31 Figura 21: Vista frontal de la posición de la antena de forma horizontal con un ángulo de 0°....................................................................................................................... 32 Figura 22: Vista superior de la antena en posición horizontal con ángulos de 0°, 90°, 180° y 240° sucesivamente. ................................................................................... 32 Figura 23: Vista superior de la orientación de la antena del radio transmisor........ 38 Figura 24: Vista superior de la orientación de la antena del radio receptor............ 38 Figura 25: Vista superior de la orientación de la antena del radio transmisor........ 44 Figura 26: Vista superior de la orientación de la antena del radio receptor............ 44 Figura 27: Vista superior de la orientación de la antena del radio transmisor........ 50 Figura 28: Vista superior de la orientación de la antena del radio receptor............ 50 Figura 29: Vista superior de la orientación de la antena del radio transmisor........ 56 Figura 30: Vista superior de la orientación de la antena del radio receptor............ 56 Figura 31: Vista superior de la orientación de la antena del radio transmisor........ 62 Figura 32: Vista superior de la orientación de la antena del radio receptor............ 62 Figura 33: Vista superior de la orientación de la antena del radio transmisor........ 68 Figura 34: Vista superior de la orientación de la antena del radio receptor............ 68 Figura 35: Posición antena emisora (180°).................................................................. 87 Figura 36: Posición antena receptora (90°).................................................................. 87 Figura 37: Posición antena transmisora (240°)............................................................ 88 VI.

(9) IEL2-II-06. Figura 38: Posición antena receptora (Vertical 90°)................................................... 88 Figura 39: Posición antena emisora (0°)....................................................................... 90 Figura 40: Posición antena receptora (90°).................................................................. 90 Figura 41: Posición antena transmisora (240°)............................................................ 91 Figura 42: Posición antena receptora (Vertical 90°)................................................... 91 Figura 43: Potencia promedio respecto al canal utilizado y la distancia................. 93 Figura 44: Potencia promedio del canal 0B respecto a la distancia......................... 93 Figura 45: Potencia promedio del canal 10 respecto a la distancia......................... 94 Figura 46: Potencia promedio del canal 15 respecto a la distancia......................... 94 Figura 47: Potencia promedio del canal 1A respecto a la distancia......................... 95 Figura 48: Potencia promedio de cada canal a 25 metros. ....................................... 95 Figura 49: Potencia promedio de cada canal a 50 metros. ....................................... 96 Figura 50: Potencia promedio de cada canal a 75 metros. ....................................... 96 Figura 51: Potencia promedio de cada canal a 100 metros...................................... 97 Figura 52: Porcentaje de error por canal respecto a la distancia............................. 98 Figura 53: Porcentaje de error del canal 0B respecto a la distancia........................ 98 Figura 54: Porcentaje de error del canal 10 respecto a la distancia........................ 99 Figura 55: Porcentaje de error del canal 15 respecto a la distancia........................ 99 Figura 56: Porcentaje de error del canal 1A respecto a la distancia........................ 99 Figura 57: Porcentaje de error de todas las bandas a 25 metros...........................100 Figura 58: Porcentaje de error de todas las bandas a 50 metros...........................100 Figura 59: Porcentaje de error de todas las bandas a 75 metros...........................101 Figura 60: Porcentaje de error para todas las bandas a 100 metros.....................101 Figura 61: Relación de número de paquetes, respecto a potencia recibida a 25 metros...............................................................................................................................106 Figura 62: Relación de número de paquetes, respecto a potencia recibida a 50 metros...............................................................................................................................107 Figura 63: Relación de número de paquetes, respecto a potencia recibida a 75 metros...............................................................................................................................107 Figura 64: Relación de número de paquetes respecto a potencia recibida a 100 metros...............................................................................................................................108 Figura 65: Relación de número de paquetes respecto a porcentaje de error a 25 metros...............................................................................................................................108 Figura 66: Relación de número de paquetes respecto a porcentaje de error a 50 metros...............................................................................................................................109 Figura 67: Relación de número de paquetes respecto a porcentaje de error a 75 metros...............................................................................................................................109 Figura 68: Relación de número de paquetes respecto a porcentaje de error a 100 metros...............................................................................................................................110 Figura 69: Relación tamaño de paquete respecto a potencia recibida a 25 metros. ...........................................................................................................................................113 Figura 70: Relación tamaño de paquete respecto a potencia recibida a 50 metros. ...........................................................................................................................................114 Figura 71: Relación tamaño de paquete respecto a potencia recibida a 75 metros. ...........................................................................................................................................114 VII.

(10) IEL2-II-06. Figura 72: Relación tamaño de paquete respecto a potencia recibida a 100 metros. ...........................................................................................................................................115 Figura 73: Relación tamaño de paquete respecto a porcentaje de error a 25 metros...............................................................................................................................115 Figura 74: Relación tamaño de paquete respecto a porcentaje de error a 50 metros...............................................................................................................................116 Figura 75: Relación tamaño de paquete respecto a porcentaje de error a 75 metros...............................................................................................................................116 Figura 76: Relación tamaño de paquete respecto a porcentaje de error a 100 metros...............................................................................................................................117 Figura 77: Relación entre tamaño del paquete y porcentaje de error....................118 Figura 78: Relación entre potencia transmitida y potencia recibida a distancia de 25 metros. ........................................................................................................................124 Figura 79: Relación entre potencia transmitida y potencia recibida a distancia de 50 metros. ........................................................................................................................125 Figura 80: Relación entre potencia transmitida y potencia recibida a distancia de 75 metros. ........................................................................................................................126 Figura 81: Relación entre potencia transmitida y potencia recibida a distancia de 100 metros.......................................................................................................................127 Figura 82: Relación entre potencia transmitida y porcentaje de error a una distancia de 25 metros...................................................................................................128 Figura 83: Relación entre potencia transmitida y porcentaje de error a una distancia de 50 metros...................................................................................................129 Figura 84: Relación entre potencia transmitida y porcentaje de error a una distancia de 75 metros...................................................................................................130 Figura 85: Relación entre potencia transmitida y porcentaje de error a una distancia de 100 metros.................................................................................................131 Figura 86: Relación distancia contra potencia recibida para tamaño de paquete de 40.......................................................................................................................................136 Figura 87: Relación distancia contra potencia recibida para tamaño de paquete de 80.......................................................................................................................................137 Figura 88: Relación distancia contra potencia recibida para tamaño de paquete de 100.....................................................................................................................................137 Figura 89: Relación distancia contra porcentaje de error para tamaño de paquete de 40.................................................................................................................................138 Figura 90: Relación distancia contra potencia recibida para tamaño de paquete de 80.......................................................................................................................................138 Figura 91: Relación distancia contra potencia recibida para tamaño de paquete de 100.....................................................................................................................................139 Figura 92: Comparación entre distancia y potencia recibida, para tamaños de paquete de 40, 80 y 100................................................................................................140 Figura 93: Comparación entre distancia y porcentaje de error, para tamaños de paquete de 40, 80 y 100................................................................................................141 Figura 94: Recinto utilizado para el desarrollo de la prueba...................................142 Figura 95: Potencia recibida, respecto a canal de transmisión...............................144 VIII.

(11) IEL2-II-06. Figura 96: Porcentaje de error respecto al canal de transmisión...........................144 Figura 97: Relación número de paquetes respecto a potencia recibida................145 Figura 98: Número de paquetes respecto a porcentaje de error............................146 Figura 99: Relación tamaño de paquete, respecto a potencia recibida.................147 Figura 100: Relación tamaño de paquete respecto a tasa de error.......................147 Figura 101: Relación entre potencia transmitida y potencia recibida.....................148 Figura 102: Relación potencia transmitida, respecto a porcentaje de error..........149 Figura 103: Foto satelital de las instalaciones del Club Campestre Cafam en la ciudad de Bogotá.................................................................................................................1 Figura 104: Foto satelital del lugar donde se realizaron mediciones a 100 metros..2 Figura 105: Foto satelital del lugar donde se realizaron mediciones a 75 metros....2 Figura 106: Foto satelital de donde se realizaron mediciones a 50 metros...............3 Figura 107: Fotografía satelital de donde se realizaron mediciones a 25 metros.....3. IX.

(12) IEL2-II-06. ANEXOS. Anexo 1. Fotografías satelitales del lugar donde se realizaron las mediciones….A1 Anexo 2. Tablas de recolección de datos ……………………………………………A2. X.

(13) IEL2-II-06. INTRODUCCIÓN. En la actualidad se ha hecho necesaria la implementación de nuevas tecnologías en redes de comunicaciones, recientemente ha surgido un nuevo recurso llamado redes de sensores inalámbricos WSN (Wireless Sensors Network), los cuales tienen la función de establecer la comunicación entre los dispositivos integrantes de la red a un bajo costo, con fácil operación, instalación y gran versatilidad, donde las características principales se fundan en el bajo consumo de energía, baja cantidad de información a transmitir, tamaño reducido y por supuesto bajo costo. Una red de este tipo, permite la colocación de un gran número de dispositivos de comunicación (nodos), los cuales pueden estar en posiciones fijas o en movimiento, donde estos pueden establecer comunicación entre ellos mismos, con los enrutadores o coordinadores de red quienes tienen la capacidad de comunicarse con cualquiera de los nodos que conforman la red. El protocolo 802.15.4 establece todos los parámetros referentes a la capa física PHY y a la capa MAC (Medium Access Control) necesarios para que esta red cumpla con las características antes mencionadas. Entre las aplicaciones principales de las WSN, se encuentran: militares, medicina, monitoreo de estructuras, agricultura, domótica e industrial. El objetivo principal del proyecto está centrado en la validación de una red de sensores inalámbricos bajo el protocolo 802.15.4, lo cual se pretende lograr mediante diferentes pruebas, utilizando el kit de desarrollo de la casa Chipcon CC2431DK.. 1.

(14) IEL2-II-06. La consecución del objetivo principal, parte del hecho de diseñar e implementar pruebas en las que se pueda verificar el desempeño de los equipos.. 2.

(15) IEL2-II-06. OBJ ETIVO GENERAL El objetivo general de este proyecto, está fundado principalmente en el montaje y validación de una red de sensores inalámbricos basada en el estándar IEEE 802.15.4, mediante el diseño y ejecución de pruebas que permitan observar el funcionamiento de los nodos Chipcon CC2431DK.. 3.

(16) IEL2-II-06. OBJ ETIVOS ESPECÍFICOS. Como objetivos específicos para el desarrollo de este proyecto, se definen los siguientes:. •. Validación de una red de sensores inalámbricos, basado en el protocolo IEEE 802.15.4 – ZigBee.. •. Seleccionar conjunto de elementos. y herramientas para validar el. funcionamiento de los nodos de comunicación utilizados en el estándar IEEE 802.15.4. •. Diseñar e implementar pruebas (aplicaciones básicas) para validar los elementos de la red.. 4.

(17) IEL2-II-06. 1. MARCO TEÓRICO. 1.1.. REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS (WSN). 1.1.1.. Definición.. Las redes de sensores inalámbricos (WSN) – WPAN Wireless Personal Area Network, son formadas a través de un grupo de sensores, con diferentes capacidades de sensado y comunicación, utilizadas para transmitir información a través de distancias muy cortas, en las cuales se utiliza muy poca o ninguna infraestructura, así como tampoco se requiere una administración principal. En cuanto a estas, se espera una gran eficiencia de potencia, economía, reducción de tamaño, facilidad de despliegue y autoconfiguración. Estas redes permiten la asociación de gran cantidad de nodos e incluso con otras redes del mismo tipo, permitiendo cubrir distancias significativamente altas aún sin tener línea de vista entre cada nodo. Por otra parte, cada uno de los nodos puede actuar o cambiar fácilmente su configuración como nodo transmisor o receptor según sea la necesidad. Cada nodo de una WSN es un pequeño computador, el cual está compuesto por un microcontrolador, un módulo de comunicaciones y por supuesto un sensor. Entre las aplicaciones más comunes de este tipo de redes se encuentran principalmente en los campos ambientales, industriales, domótica y militares. El protocolo IEEE 802.15.4 define un estándar para un LR-WPAN Low Rate Personal Area Network.. 5.

(18) IEL2-II-06. 1.1.2.. Características.. Una red de sensores inalámbricos, se compone de diferentes dispositivos (nodos), los cuales permiten sensar una determinada información del medio en el que se encuentran, por ejemplo temperatura, presión, agentes químicos, nivel de iluminación etc, y transmitirla para posteriormente ser analizada. Estos dispositivos están divididos en 3 tipos Nodos sensores: Encargados de recoger la información, se conectan con otros nodos sensores a través de una conexión punto a punto o formando redes de tipo estrella o malla. Estos a su vez envían información a los nodos enrutadores. Nodos enrutadores: Además de tener funciones de nodo sensor, estos se encargan de recoger información de los nodos sensores y enviarlas bien sea a otros enrutadores o al coordinador de red.. Nodo coordinador de red: Tiene funciones de sensado y es el encargado de administrar la red, puede comunicarse con cualquiera de los nodos que se encuentren allí presentes.. Clie nte Nodos senso res. Enru tador. Co ordinador Cliente/ Gateway. Otras Otras redes redes. Red estrella Cliente Red malla Cliente. Figura 1: Red de sensores inalámbricos. Tomado de [1].. 6.

(19) IEL2-II-06. Cada uno de los nodos pertenecientes a la red, está compuesto por diferentes bloques, los cuales se comentan a continuación: Sensor: Es el encargado de tomar la señal física del entorno (Temperatura, presión, luminosidad etc) y convertirla a una señal eléctrica (ej. voltaje), también llamada transducción. Procesamiento: Bloque en el cual se toma la señal eléctrica proveniente del sensor y la procesa, almacena y la prepara para ser transmitida en el momento en que sea solicitada. Por otra parte es también el bloque encargado de administrar el nodo en sí. Comunicaciones: Su función es procesar, enviar y recibir la información requerida (transceptor) de modo inalámbrico.. Antena: Interfaz de comunicación entre el nodo y los demás que se encuentran en la red.. Fuente de Alimentación: Encargada de suministrar la potencia requerida a cada uno de los bloques, generalmente la alimentación es generada por baterías, y se espera que el manejo de este recurso sea lo más optimo posible con el fin de que la duración de estas pueda prolongarse.. 7.

(20) IEL2-II-06. Figura 2: Diagrama de bloques general de un nodo sensor. Tomado de [1].. Los factores más sobresalientes de las redes de sensores inalámbricos, están determinados por los siguientes aspectos: •. Bajo costo: Las RSI son utilizadas en diversas aplicaciones en las cuales se pueda observar una reducción significativa de costos en comparación con una red alámbrica.. •. Bajo consumo de potencia: Es indispensable que la administración de potencia sea eficaz, ya que generalmente los nodos no se encuentran conectados a la red eléctrica y se debe entender que el usuario final no debe estar cambiando las baterías de forma constante.. •. Ubicación: La ubicación de los sensores debe ser muy flexible y de gran facilidad, tratando de reducir al máximo cualquier limitante.. •. Tamaño: El número de nodos puede estar en el orden de los cientos a miles dependiendo de la necesidad del usuario y del tipo de problema a resolver.. •. Intervención humana: La intervención humana debe ser mínima, esta debe limitarse a la obtención de la información recogida por la red, más no a la. 8.

(21) IEL2-II-06. configuración de esta, como ocurre en otros sistemas, los cuales necesitan supervisión constante de un operario. La red debe tener la autonomía necesaria y debe poderse sobreponer ante diversas fallas de forma automática sin perder información. •. Autoconfiguración: La red debe autoconfigurarse sin ayuda humana en caso de presentarse alguna eventualidad, debido a que con el número elevado de puntos de red, no resulta práctico que sea una persona quien se encargue de esto.. •. Mo vilidad: La red debe tener en cuenta las consecuencias del movimiento de alguno de los nodos y debe reorganizarse en caso de que esto suceda.. •. Volumen de datos: En este tipo de redes se espera que el volumen de transmisión sea bajo, que las transmisiones sean esporádicas, cortas y seguras, que estas sean realizadas a través de un camino optimo y que se prevenga. la. perdida. de información por. agentes. externos. como. interferencia o por la falla de algún nodo etc. •. Costo de implementación: Dado el número de nodos, es necesario que el costo por unidad sea bajo, para que el producto sea asequible y que la relación costo – beneficio sea óptima para el propietario. En la actualidad es posible producir dispositivos electrónicos cada vez de menor tamaño, mayor velocidad de operación y por supuesto a un menor costo.. Las características específicas de una LR – WPAN son: •. Rata de transmisión en el aire entre 250, 40 y 20 kbps.. •. Asignación de direcciones de 16 o 64 bits. 9.

(22) IEL2-II-06. •. Asignación de GTS Guaranteed Time Slots.. •. Canal de acceso CSMA – CA Carrier Sense Multiple Access with Colission Avoidance.. •. Bajo consumo de energía.. •. Detección de energía (ED).. •. Indicador de calidad del enlace (LQI).. •. Operación como red estrella, malla o P2P Peer to Peer.. •. 16 canales en la banda de 2450 MHz (Internacional), 10 canales en la banda de 915 MHz (Europa) y un canal en la banda de 868 MHz (EEUU).. 1.1.3.. Aplicaciones. Algunas de las aplicaciones para las redes de sensores inalámbricas están dadas en los siguientes campos: •. Militares: Desplegamiento de sensores en campo, con el fin de determinar movimientos y posición del enemigo, así como otros eventos como explosiones, minas terrestres, agentes químicos y biológicos, radicación, etc, generación de alertas para la prevención de la tropa.. •. Biomedicina: Rastreo de pacientes y doctores dentro de un hospital, administración de medicamentos, sensado de señales del cuerpo para fines de. electrocardiografía,. electroencefalografía. entre. otras,. así. como. temperatura, niveles de oxigeno presión arterial etc. •. Monitoreo de estructuras: Es una aplicación en la que se utilizan RSI para monitorear estructuras como edificios, puentes y demás, con el fin de conocer si se presentan o se han presentado daños estructurales después. 10.

(23) IEL2-II-06. de algún tipo de incidente o con el simple transcurrir del tiempo, esto permite minimizar costos de mantenimiento y reparaciones. En caso de algún tipo de desastre ayuda a la detección de victimas y a conocer la condición en la que se encuentra la persona en ese momento. •. Agricultura: Permite conocer el estado y las condiciones físicas de cierta área, como humedad, luminosidad, temperatura etc. Permitiendo así conocer el desarrollo de determinados productos con un mayor factor de calidad.. •. Domótica: Permite economizar dinero en hogares y edificios, ya que a través de la red se puede optimizar el consumo energético al controlar la luminosidad, temperatura, apertura de puertas y ventanas etc.. •. Monitoreo y control industrial: Permite conocer el estado de funcionamiento de una máquina, evitando la necesidad de tener la supervisión continua de un operario.. 1.2.. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4. 1.2.1.. IEEE 802.15.4 y Zigbee. La característica principal del estándar 802.15.4 es la flexibilidad y el bajo consumo de energía para una red inalámbrica. Se destaca entre otras cosas por tener una tasa de transmisión de datos baja y porque el uso de la red es por intervalos muy cortos de tiempo y el 99% del tiempo cada uno de los dispositivos se encuentra en modo de suspensión, teniendo así un consumo mínimo de potencia y aumentando así la longevidad de las baterías. Se prevé que estas. 11.

(24) IEL2-II-06. redes tengan un buen desempeño, debido a su ancho de banda, facilidad de instalación, seguridad y disminución de costos de operatividad. Zigbee es el nombre de una especificación para una serie de protocolos de comunicación de alto nivel utilizando pequeños radios, con bajo consumo de potencia, basados en el estándar 802.15.4 para una WPAN. La diferencia entre Zigbee y el 802.15.4 radica en que este último define únicamente la capa física PHY y la capa MAC, mientras que el otro, también se encarga de las capas superiores.. CAPAS SUPERIORES. ZIGBEE: Provee configuración y manipulación de la red, enrutamiento de mensajes y la capa de aplicacio nes. CAPA DE RED. El primer blo que es común para todos los estándar IEEE 802.2 tipo 1 LLC (Logical Link Control), el cual accede la capa MAC a través del SSCS (Service Specific Convergence Sublayer). 802.2 SSCS CAPA MAC (MAC). CAPA FÍSICA (PHY). 802.15.4 : Contiene la capa física, la cual se conforma por un transceptor RF con su mecanismo de control de bajo nivel y la capa MAC, la cual provee el acceso al canal físico para todos lo s tipos de transmisión. Figura 3: Distribución en bloques protocolo Zigbee. Zigbee provee la configuración y manipulación de la red, enrutamiento de mensajes y la capa de aplicaciones y el 802.15.4 es conformado por un transceptor RF con un mecanismo de control de bajo nivel y la capa MAC, la cual provee acceso al canal físico para todos los tipos de transmisión.. 12.

(25) IEL2-II-06. La Unión de las capas descritas (APL, NWK, MAC y PHY), es lo que comúnmente se llama Zigbee Stack, y determina todo el funcionamie nto de la red.. Figura 4: Capas que conforman el protocolo Zigbee Stack.. •. Capa de Red NWK. Dado que la pila del protocolo Zigbee es relativamente simple, comparado con otras pilas de otros protocolos de comunicaciones, lo que se llama capa de red, a menudo también se refiere a la capa de aplicación (APL) •. Network Scan: Capacidad de detectar los canales activos dentro de su rango de comunicaciones. También llamado (POS) Personal Operating Space.. •. Creating/Joining: Capacidad de crear una red sobre canales sin usar el POS. Capacidad de asociarse a una red dentro del POS.. •. Device Discovery: Capacidad de identificar los dispositivos sobre canales activos en la PAN.. •. Service Discovery: Capacidad de determinar que características o servicios son soportados sobre los dispositivos dentro de una red.. •. Binding: Capacidad de comunicarse a nivel de la aplicación con otros dispositivos.. 13.

(26) IEL2-II-06. Suposiciones de conexión: •. Dispositivos End Point siempre tratarán de asociarse a una red existente.. •. Los coordinadores siempre tratarán de encontrar un canal sin ocupar de la red.. •. Los dispositivos descubren otros dispositivos y se asocian a la red para proveer servicios complementarios.. •. Los dispositivos solo pueden comunicarse a dispositivos de una red complementaria.. A comparación con otras tecnologías, el 802.15.4 se destaca por ejemplo en comparación con Bluetooth y Wi-Fi, ya que esta consume muchísima menos energía que las anteriores, aunque no permite la transmisión de voz y la velocidad es mucho menor.. El término ZigBee describe un protocolo inalámbrico normalizado para la conexión de una Red de Área Personal o WPAN. El protocolo es el trabajo de más de 70 compañías que se han asociado juntos para crear y promocionar el nuevo estándar Zigbee, propiedad de un consorcio que han formado la Alianza ZigBee. ZigBee es diferente de los otros estándares inalámbricos, ha sido diseñado para soportar un diverso mercado de aplicaciones que requieren bajo coste y bajo consumo, con una conectividad más sofisticada que los anteriores sistemas inalámbricos. El estándar Zigbee enfoca a un segmento del mercado no atendido por los estándares existentes, con baja transmisión de datos, bajo ciclo de servicio de conectividad. La razón de promover un nuevo protocolo como un estándar, es para permitir la interoperabilidad entre dispositivos fabricados por compañías diferentes.[2]. 14.

(27) IEL2-II-06. ZigBee es un estándar de hardware y software basado en el recientemente ratificado estándar IEEE 802.15.4. Este importante estándar define el hardware y el software, el cual ha sido descrito en los términos de conexión de redes, como la capa físicas (PHY), y la capa de control de acceso al medio (Mac). [2].. 1.2.2.. Tipos de nodo. Para el 802.15.4 se reconocen 2 tipos de nodo: FFD Full Function Device, el cual puede funcionar en tres modos distintos: como coordinador PAN, como coordinador, o como una unidad terminal. Un FFD puede comunicarse con un RFD Reduced Function Device o con otros FFD, mientras que un RFD únicamente puede comunicarse con un FFD.. RFD Reduced Function Device, es utilizado para aplicaciones simples o nodos terminales que operan como actuadores o sensores, no requiere transmitir grandes cantidades de información y se puede asociar con sólo un FFD a la vez.. 1.2.3.. Topologías de red. Para las WPAN se reconocen dos topologías de red: Estrella y P2P. En la topología estrella la comunicación se realiza únicamente entre el nodo y un coordinador central llamado coordinador de red. Los nodos pueden ser FFD o RFD.. 15.

(28) IEL2-II-06. En la topología P2P Peer to Peer, también existe un coordinador central de la red, pero en este caso cada nodo puede comunicarse con cualquier otro nodo de la red, mientras se encuentre en el rango de alcance. Este tipo de topologías, permite configuraciones más complejas y aumentar el alcance significativamente, permitiendo establecer diferentes rutas de comunicación, añadir o quitar nodos entre otras. Topología Tipo Estrella Nodo FFD o RFD. Coordinador de Red. Figura 5: Topología de red tipo estrella. Topología Tipo P2P Nodo RFD. Coordinador de Red. Nodo FFD. Figura 6: Topología de red tipo P2P.. 16.

(29) IEL2-II-06. Entre otras topologías se encuentra la Cluster Tree, en la cual pueden unirse dos o más redes, con diferentes tipos de topologías entre ellas, al igual que en las anteriores se establecen un coordinador de red, nodos enrutadores FFD y nodos RFD en el caso de que la subred sea de tipo estrella.. Topología Tipo Cluster Tree Coordinador de Red Nodo Enrutador FFD. Nodo RFD. Figura 7: Topología Cluster Tree.. 1.2.4.. Estructura de tramas.. Para el 802.15.4 se distinguen dos tipos de tramas diferentes: las referentes a la capa MAC y las referentes a la capa PHY. La capa MAC es la encargada del control de acceso al medio, es decir, de la transmisión de paquetes, la validación de las tramas recibidas, comprobación de errores de transmisión y confirmación de recepción de tramas al emisor. Entre sus principales funciones se encuentran: 17.

(30) IEL2-II-06. •. Generación de beacons, para el caso de ser un PAN coordinador.. •. Mecanismo de acceso al medio CSMA – C A.. •. Asociación o desasociación a una PAN.. •. Seguridad (Encriptación).. •. Quality of service, mediante GTS (Guaranteed Time Slot).. •. Mecanismos de fiabilidad entre nodos (ACK’S).. La capa PHY se encarga de la transmisión de datos a través del aire, y permite que los datos se transmitan, lleguen y sean recibidos entre los nodos. Esta se encuentra dividida en dos subcapas: el PHY data service y el PHY management. La capa física controla los siguientes parámetros: detección de energía (ED), calidad del enlace (LQI), detección de portadora (CCA) y en sí el manejo del radio. Para el 802.15.4 se puede transmitir en las siguientes bandas de operación:. Tabla 1: Parámetros de operación en función de la banda. Tomado de [4].. En la banda de 2.4 GHz, utilizada en Colombia, se dispone de un total de 16 canales, con una separación de 5 MHz entre cada uno de ellos, lo que permite obtener una mayor eficiencia, ya que con esta separación se evitan las interferencias y se transmite a una velocidad de 250 Kbps.. 18.

(31) IEL2-II-06. 1.2.5.. Posibilidades de acceso al medio. Para acceder al medio, se encuentran tres mecanismos diferentes denominados como mecanismo de señalización (beacons) para topologías estrella, mecanismo CSMA-CA para las topologías punto a punto y mecanismo de contención, el cual asegura un determinado periodo de tiempo para la transmisión de datos provenientes de ciertos nodos específicos.. 1.2.5.1.. Mecanismo de Beacons. El nodo envía señales balizas de manera periódica, hay una serie de divisiones de tiempo entre dos beacons, llamados Slots y se establecen 16 ranuras de este tipo. El nodo que desea transmitir puede hacerlo a través de CSMA-C A en alguno de los slots. La señal indica a un nodo que puede transmitir. Si no lo desea, se puede apagar y reducir el consumo de energía.. Figura 8: Mecanismo de Beacons. Tomado de [5].. 1.2.5.2.. Mecanismo CSMA-CA para P2P. A tra vés de este, se evita el mecanismo de señalización, facilitando la incorporación de nodos y cubriendo un espacio más amplio. Se utiliza el algoritmo. 19.

(32) IEL2-II-06. CSMA-CA. Dado que no hay que esperar señalización, si el nodo desea transmitir, escucha el canal para ver si este se encuentra libre, y si lo está, espera un tiempo aleatorio de contención para evitar colisiones e inmediatamente transmite la información.. 1.2.5.3.. Mecanismo de contención (GTS).. Es similar al mecanismo de beacons, pero en este caso algunos nodos tienen garantizado el envío de datos dentro de una supertrama, asignando cierta parte de los slots a ciertos nodos. A este periodo de tiempo se le llama período de libre contención.. Figura 9: Mecanismo de contención con Beacons. Tomado de [5].. 20.

(33) IEL2-II-06. Figura 10: Mecanismo de contención con beacons. Tomado de [2].. 1.2.6.. Tipos de tramas.. Se definen cuatro tipos diferentes de tramas:. 1.2.6.1.. Trama de Beacon.. Utilizada por el coordinador para transmitir beacons (balizas). Los campos principales de esta trama son:. Figura 11: Trama de Beacon. Tomada de [5].. 21.

(34) IEL2-II-06. Superframe Specification: Especifica parámetros como tiempo de supertrama, indica quien transmite el beacon, o si se permite la asociación de nuevos nodos. En general brinda la información para que los demás nodos sepan cuando pueden transmitir.. GTS Fields: Indica el nodo que quiere latencia mínima el slot que ocupará dentro de la trama CFP Contention Free Period.. Pending Address Fields: Indica desde que direcciones se va a transmitir o recibir tramas.. Beacon Payload: Lleva información de capas superiores o información encriptada en caso de usar el algoritmo de encripción AES establecido en el estándar.. 1.2.6.2.. Trama de Datos.. Utilizada para todas las transferencias de datos.. Figura 12: Trama de datos. Tomada de [5].. Data Payload: Contiene únicamente la información recibida de las capas superiores.. 22.

(35) IEL2-II-06. 1.2.6.3.. Trama de Reconocimiento ACK.. Utilizada para confirmar la recepción de una trama.. Figura 13: Trama de reconocimiento. Tomada de [5].. No lleva ningún campo específico, simplemente quien envía una trama de datos o de comandos MAC, espera recibir desde la dirección emisora una trama ACK para confirmar la llegada.. 1.2.6.4.. Trama de comandos MAC.. Permite llevar a cabo las funcionalidades primitivas del 802.15.4 como asociación, resincronización, solicitudes de latencia entre otras. En general es el tipo de trama utilizada para hacer la configuración de la red.. Figura 14: Trama de comandos MAC. Tomada de [5].. Command Type: Indica que tipo de comando necesita entre un total de nueve diferentes. Command Payload: La longitud de este campo es variable, dependiendo del comando utilizado. 1.2.6.5.. Campos comunes a todas las tramas.. 23.

(36) IEL2-II-06. Figura 15: Campos comunes a todas las tramas.. Frame Control: Permite escoger entre las cuatro clases de tramas disponibles. Sequence Number: Este campo va en función del paquete de origen y se incrementará para cada clase de trama que sea enviada. Addressing Fields: Va en función de si se utilizan direcciones cortas de 16 bits o largas de 48 bits de origen y destino.. 1.2.6.6.. Campos comunes referentes a la trama PHY.. La trama MAC, luego de ser establecida entra a ser parte de la trama PHY, tal como se observa en el gráfico, ejemplificado para la trama Beacon. Para todos los demás casos sucede exactamente lo mismo, por lo que los campos de la trama PHY son los mismos para cualquiera de los tipos de trama MAC.. 24.

(37) IEL2-II-06. Figura 16: Campos comunes a la trama PHY. Tomada de [5].. Preamb le Sequence: Secuencia de unos y ceros que ayuda a determinar el inicio de una trama. Frame Delimiter: Secuencia de unos y ceros que ayuda a diferenciar entre tramas. Frame Length: Determina el tamaño en bytes de la trama MPDU que en realidad es el tamaño de la trama MAC.. 1.3.. EL KIT DE DESARROLLO CHIPCON CC2430.. 1.3.1. El CC2431. Introducción.. es un sistema (SOC) System-On-Chip, para redes de sensores. inalámbricas Zigbee bajo el estándar 802.15.4, el cual incluye también un sistema de detección de posición. El 2431 está formado por un transceptor RF cc2420 y un microcontrolador de arquitectura 8051 con 128 Kb de memoria flash, 8 Kb de RAM y muchas otras características. El CC2431 está diseñado para sistemas donde un muy bajo consumo de potencia es requerido a través de diferentes modos de operación, con tiempos de transición entre estos muy cortos.. 25.

(38) IEL2-II-06. 1.3.2. •. Características generales.. La herramienta Location Engine, permite calcular la posición de un nodo con gran exactitud.. •. Alto rendimiento y bajo consumo de potencia del microcontrolador 8051. •. Cumple con el estándar IEEE 802.15.4 para frecuencia de 2.4 GHz.. •. Robustez a interferencias y alta sensitividad del receptor.. •. Flash programable de 128 Kb.. •. RAM de 8 KB con 4 Kb de retención de datos en todos los modos de potencia.. •. Alta funcionalidad de DMA (Direct Memory Access).. •. Mu y pocos componentes externos.. •. Solo requiere de un cristal para redes en malla.. •. Bajo consumo de corriente (Recepción: 27 mA, Transmisión 25mA a 32 MH z).. •. Consumo de unicamente 0.9 uA en modo de bajo consumo, donde interrupciones externas del RTC pueden despertarlo de este estado.. •. Consumo de menos de 0.6 uA en modo de bajo consumo, donde interrupciones externas pueden despertarlo de este estado.. •. Tiempos de transición rápidos para cambios entre modo activo y modo de bajo consumo.. •. Modulación CSMA – CA. •. Voltaje de operación entre 2.0 y 3.6 voltios.. •. Soporta RSSI (Received Signal Strength Indicator) y LQI (Link Quality Indicator).. •. Monitor de batería y sensor de temperatura.. •. Conversor análogo digital (ADC) de 8 – 14 bits de hasta 8 entradas.. •. Coprocesador de seguridad (AES) Advanced Encription System de 128 bits.. 26.

(39) IEL2-II-06. •. Dos USARTs, que soportan varios protocolos de transmisión serial.. •. Watchdog Timer.. •. Posee un Timer IEEE 802.15.4 MAC, un timer general de 16 bits y dos timers de 8 bits.. •. Cumple con norma RoHS.. •. Posee 21 pines de entrada – salida para uso general con 20mA de capacidad de corriente.. •. Cuenta con 16 canales de operación en la banda de 2.4 GHz. •. Recepción máxima de hasta -96 dBm.. •. Posee 8 potencias de transmisión diferentes.. •. Velocidad de transmisión de 250 Kbps para 2.4 GHz.. •. Puede transmitir paquetes de hasta 123 bytes.. 1.3.3.. Contenido del paquete.. El paquete de desarrollo para el CC2431 está compuesto de los siguientes elementos: •. 2 Tarjetas de evaluación SmartRF.. •. 2 módulos de evaluación CC2430.. •. 10 tarjetas de batería SOC.. •. 10 módulos de evaluación CC2431.. •. 12 antenas de 2.4 GHz.. •. 2 cables USB.. •. 1 cable plano de 10 hilos para programación de módulos.. •. Manual del usuario.. •. Guia rápida de instalación.. 27.

(40) IEL2-II-06. 2. DESCRIPCION DE PRUEBAS EFECTUADAS. 2.1.. PRUEBA DE CALIBRACIÓN.. 2.1.1.. Descripción de la prueba.. A partir de esta prueba, se pretende establecer la intensidad de la señal transmitida a un metro del radio transceptor, con el fin de comparar la potencia de la señal reportada por los radios, con la reportada por el analizador de espectro.. 2.1.2.. Justificación.. El motivo para realizar esta prueba se deriva de la intención de conocer si la información reportada por los nodos es similar a la reportada por un equipo como el analizador de espectro, estableciendo así cuál es el margen porcentual de diferencia entre ambas mediciones.. 2.1.3.. Equipo a utilizar.. Dos tarjetas de desarrollo CC2431DK. Cable USB Dos Radios Transceptores CC2431 Dos computadores portátiles. Analizador de espectro. Programa Smart RF Studio.. 28.

(41) IEL2-II-06. 2.1.4.. Procedimiento.. A través del software Smart RF Studio, se establecen factores como la potencia de transmisión, dato a transmitir, banda de operación, tamaño del paquete y número de paquetes. Para esta prueba se realizarán mediciones con tres potencias de transmisión diferentes: baja (-25 dB), media (-7 dB) y alta (0 dB). Transmitiendo siempre a la tasa 250 Kbps (valor predeterminado por el equipo). El mensaje a transmitir será de. carácter cíclico, el cual se repetirá 50 veces (número de. paquetes) durante el desarrollo de la prueba con un tamaño de 123 (valor máximo permitido). A su vez, con el fin de dividir el número de canales disponibles, se utilizarán los canales 0B (2405 MHz), 10 (2430 MHz), 15 (2455 MHz) y 1 A (2480 MH z) distribuidos de este modo con el fin de abarcar frecuencias de transmisión mínima, media baja, media alta. y alta. Para esta prueba también se realizan. cuatro rotaciones por prueba de la antena transmisora tanto en la dirección vertical como horizontal.. 1. Configuración del radio: Se configuran el radio seleccionado como transmisor, con potencia de transmisión en el nivel más alto permitido, canal de frecuencia bajo y orientación de la antena transmisora de forma vertical a 0°, a su vez se fijan los valores de número de paquetes y tamaño de paquetes a transmitir, a través de la aplicación y de la manipulación del kit de desarrollo. La orientación del radio receptor será de igual manera, con orientación de la antena de forma vertical en un ángulo de 90°.. 29.

(42) IEL2-II-06. Figura 17: Vista frontal de la antena en posición vertical, con orientación de 0°. Figura 18: Vista superior de la orientación de la antena del radio transmisor.. 30.

(43) IEL2-II-06. Figura 19: Vista superior de la orientación de la antena del radio receptor.. 2. Mediciones: Se realizará la medición de potencia recibida, a través de la tarjeta receptora y posteriormente, mediante el analizador de espectro, ubicados de forma fija a un metro del radio. Para cada caso se toman tres medidas y se registra el valor promedio de estas tres. 3. Rotación de la antena: A partir de este momento, se comenzará a rotar la antena del radio transmisor en intervalos de 90 grados en sentido horario y se irá tomando la medida del nivel de intensidad, repitiendo el procedimiento efectuado en el paso número 2, recopilando la información recolectada en una tabla de datos.. Figura 20: Vista superior de la antena en posición vertical, en ángulos de 0°, 90°, 180° y 240° respectivamente.. 31.

(44) IEL2-II-06. 4. Cambio de potencia de transmisión: Al volver a la posición de 0° de la antena transmisora, se procede a disminuir el nivel de potencia del radio transmisor a -7 dB, y se realizan los pasos 2 y 3. Luego se cambia el valor a -25 dB y se efectúan nuevamente los pasos 2 y 3. 5. Cambio de canal de transmisión: En este caso se cambia al canal 10 y se repiten pasos del 2 al 4, posteriormente se cambia al 15 y luego al 1A hasta completar las. mediciones. requeridas. repitiendo los. procedimientos. anteriores (1 al 4). 6. Cambio de posición de la antena: Para las pruebas siguientes, se cambia la posición de la antena, ahora de forma horizontal y se repiten nuevamente los pasos del 2 al 5.. Figura 21: Vista frontal de la posición de la antena de forma horizontal con un ángulo de 0°. Figura 22: Vista superior de la antena en posición horizontal con ángulos de 0°, 90°, 180° y 240° sucesivamente.. 32.

(45) IEL2-II-06. 2.1.5. Posibles resultados.. Como posibles resultados para la prueba anterior, la conclusión con más probabilidad de hallar y la que se esperaría es que la diferencia entre los valores encontrados por el equipo y la aplicación utilizada sean muy similares en promedio a los suministrados a través del analizador de espectro.. 33.

(46) IEL2-II-06. 2.2.. PRUEBA DE RADIACIÓN DE ANTENA.. 2.2.1. Descripción de la prueba. A partir de esta prueba, se pretende establecer la intensidad de la señal transmitida y la tasa de error a un metro del radio transceptor, con el fin de analizar las diferentes orientaciones y posiciones de la antena transmisora con respecto a la calidad de la señal (intensidad) y al porcentaje de error. Para esta prueba se realizarán variaciones en la posición de la antena, ángulo, potencia de transmisión y frecuencia de operación.. 2.2.2. Justificación. El motivo para realizar esta prueba se deriva de la intención de conocer la mejor posición y orientación de la antena, respecto a la tasa de error y la potencia de la señal, y a su vez establecer que tanto se afecta la transmisión al realizar estos cambios.. 2.2.3. Equipo a utilizar Dos tarjetas de desarrollo CC2431DK. Cable USB Dos Radios Transceptores CC2431 Dos computadores portátiles. Analizador de espectro. Programa Smart RF Studio. 34.

(47) IEL2-II-06. 2.2.4. Procedimiento. El procedimiento utilizado en esta prueba es exactamente igual al utilizado en la PRUEBA DE CALIBRACIÓN, por lo que se solicita hacer referencia a esta prueba para conocer el procedimiento efectuado. En este caso en particular la única diferencia es que además del valor de potencia recibida, también se toma el porcentaje de error de la transmisión.. 2.2.5. Posibles resultados. Como principales resultados de esta prueba, es posible encontrar, que a pesar de que las antenas son omnidireccionales, debido a la distancia de medición, deben haber posibles variaciones, más sin embargo la mayor potencia recibida debería ser obtenida cuando las dos antenas (transmisora y receptora) se encuentren de forma paralela la una entre la otra.. 35.

(48) IEL2-II-06. 2.3.. PRUEBA DE BANDAS DE TRANSMISIÓN.. 2.3.1. Descripción de la prueba. A partir de esta prueba, se pretende establecer la intensidad de la señal transmitida y la tasa de error a diferentes distancias del radio transceptor, con el fin de analizar la calidad de la transmisión y el alcance, en algunas de las diferentes bandas de transmisión en relación a la calidad de la señal (intensidad) y al porcentaje de error. Para esta prueba se realizarán variaciones en la posición de los radios y frecuencia de operación.. 2.3.2. Justificación El motivo para realizar esta prueba se deriva de la intención de conocer el mejor y el peor rango de frecuencias de acuerdo a la posición del radio mediante la medición de la tasa de error y la potencia de la señal recibida, y a su vez establecer que tanto se afecta la transmisión al realizar estos cambios.. 2.3.3. Equipo a utilizar. Dos tarjetas de desarrollo CC2431DK. Cable USB Dos Radios Transceptores CC2431 Dos computadores portátiles. Programa Smart RF Studio.. 36.

(49) IEL2-II-06. 2.3.4. Procedimiento. A través del software Smart RF Studio, se establecen factores como la potencia de transmisión, dato a transmitir, banda de operación, tamaño del paquete y número de paquetes. Para esta prueba se realizarán mediciones con tres potencias de transmisión diferentes: baja (-25 dB), media (-7 dB) y alta (0 dB) en los casos en que sea posible. Transmitiendo siempre a la tasa de 250 Kbps (valor predeterminado por el equipo). El mensaje a transmitir será de carácter cíclico, el cual se repetirá de 10 a 30 veces (número de paquetes) durante el desarrollo de la prueba con un tamaño de 40 a 123 (valor máximo permitido). A su vez, con el fin de dividir el número de canales disponibles, se utilizarán los canales 0B (2405 MH z), 10 (2430 MHz), 15 (2455 MHz) y 1A (2480 MH z) distribuidos de este modo con el fin de abarcar frecuencias de transmisión mínima, media baja, media alta y alta. Esta prueba se realiza con la antena en posición vertical con orientación de 240° en el transmisor y de 90° en el receptor. 1. Configuración del radio: Se configuran el radio seleccionado como transmisor, con potencia de transmisión en el nivel más alto permitido (0 dB), canal de frecuencia bajo (0B) y orientación de la antena transmisora de forma vertical a 240°, a su vez se fijan los valores de número de paquetes en 10 y tamaño de paquetes a transmitir en 40 a través de la aplicación y de la manipulación del kit de desarrollo. La orientación del radio receptor será con orientación de la antena de forma vertical en un ángulo de 90°, manteniendo las antenas de recepción y transmisión de forma paralela.. 37.

(50) IEL2-II-06. Figura 23: Vista superior de la orientación de la antena del radio transmisor.. Figura 24: Vista superior de la orientación de la antena del radio receptor.. 2. Mediciones: Se realizará la medición de potencia recibida y del porcentaje de error del envío de los paquetes, a través de la tarjeta receptora ubicada de forma fija a 25 metros del radio transmisor. Para cada caso se toman tres medidas y se registra el valor promedio de estas tres. Los valores iniciales son: Potencia de transmisión (0 dB), canal 0B, número de paquetes 10, tamaño del paquete 40, distancia 25 metros. 3. Cambio de potencia de transmisión: Ahora se procede a disminuir el nivel de potencia del radio transmisor a -7 dB, y se realizan nuevamente los 38.

(51) IEL2-II-06. pasos 2 y 3. Luego se cambia el valor de potencia transmitida en caso de ser posible a -25 dB y se efectúan nuevamente los pasos 2 y 3. 4. Cambio de canal de transmisión: En este caso se cambia al canal 10 y se repiten pasos del 2 al 3, posteriormente se cambia al canal 15, repitiendo el procedimiento anterior y luego al 1A hasta completar las mediciones requeridas repitiendo los procedimientos anteriores (1 al 4). 5. Cambio de número de paquetes enviados: Luego de haber realizado las operaciones anteriores, se cambia el número de paquetes de 10 a 20 y se procede a repetir los pasos 1 al 4, al concluir se cambia el número de 20 a 30 y se efectúa el mismo procedimiento. 6. Cambio de tamaño de paquetes: Ahora se procede a cambiar el tamaño de los paquetes de 40 a 80, repitiendo los pasos del 1 al 5. Al concluir se variará el valor a 123 (Valor máximo) y se efectúa de nuevo el procedimiento dado por los pasos del 1 al 5. 7. Cambio de posición del radio receptor: Tras concluir el proceso anterior, se cambia la posición del radio a 50 metros y se repite el procedimiento del 1 al 6, luego se realiza la misma operación para las distancias de 50, 75 y 100 metros respectivamente. Los datos encontrados se recopilan en una tabla, siguiendo el procedimiento de recopilación de datos tal como se muestra a continuación:. POTEN CIA. CANAL. 0 -7. PAQUETES. 10. TAMAÑO DE. DISTAN. POTENCIA. PAQUETES. CIA. PROMEDIO. 40. 25. 0B. -25 0 -7. 10. -25. 39. TASA DE ERROR PROMEDIO.

(52) IEL2-II-06. 0 -7. 15. -25 0 -7. 1A. -25 0 -7. 0B. -25 0 -7. 10. -25. 20. 0 -7. 15. -25 0 -7. 1A. -25 0 -7. 0B. -25 0 -7. 10. -25. 30. 0 -7. 15. -25 0 -7. 1A. -25 Tabla 2: Formato muestra de toma de datos.. Posteriormente, se repite el mismo esquema de la tabla anterior, variando el tamaño de paquete a 40, luego a 80. Finalizando así una serie de mediciones,. 40.