Sistema de telemetría global integrado
Mario R. Modesti(1), Dimas A. Benasulin(2), Darío O. Tanburi(3) (1)Laboratorio de Sensores e Instrumentación ( LabSen ), Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Córdoba, [email protected]
(2)
Maestría en Ingeniería en Control Automático, Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Córdoba,[email protected]
(3)
Tesista de Maestria en Redes de datos, Universidad Nacional de La Plata [email protected]
RESUMEN: Con el objeto de proporcionar capacidad de adquisición descentrada e inalámbrica, las redes Wireless han avanzado vertiginosa-mente en aplicaciones de todo tipo, pero fundamentalvertiginosa-mente donde se requiere un colector de datos móvil como se puede dar en procesos que involucran relevamiento de variables ambiéntales o en aplicaciones agro-pecuarias como así también para asistir al relevamiento de flota en el transporte publico de pasajeros.
PALABRAS CLAVES: redes de sensores inalámbricos, WSN, protocolos de
comunicación eficientes, Protocolo de ruteo adaptable.
INTRODUCCION
Las redes de sensores aparecen en el marco de los sistemas distribuidos inteligentes, tal es así que las mismas están referenciadas como Polvo Inteligente (Smart Dust).
Admitiendo un gran número de nodos, estas redes permiten el estudio, control y monitoreo de parámetros físicos en una gran variedad de aplicaciones.
Debido a la disponibilidad de microcon-troladores de extremadamente bajo consumo (típicamente debajo del uA en estado de reposo) con gran capacidad de memoria de programa, encapsulados de muy pequeño tamaño y por ultimo transceivers on-chip (Transceptores Monochip), se hace posible concebir sistemas de adquisición de datos con posibilidad de procesamiento en funcionamiento (on-the-fly) o post procesamiento (pos-processing) mediante la organización de un red de trabajo inalámbrica.
Cada nodo posee una unidad de procesa-miento mas un equipo transmisor de datos en la banda de frecuencias de las microondas.
La capacidad de memoria de los nodos permite implementar el protocolo de una red tipo malla cooperativa completa.
El Sistema operativo Tiny OS desarrollado en la Universidad de Berkeley es usado para la administración completa del sistema.
Se presenta aquí una aplicación de un sistema integrado de sensores capaz de pro-veer información de temperatura humedad, nivel de iluminación, movimiento y
posiciona-miento global por medio de un modulo WSN (Wireless Sensor Network ).
El sistema es capaz de proveer el mapeo de la unidad de adquisición por medio de un GPS incorporado.
La experiencia se lleva a cabo por medio de recursos estándar instalados en el nodo, no obstante se puede relevar cualquier variable por medio de un módulo A/D de 12 bits de resolución.
La plataforma es una red Crossbow®. La unidad de adquisición de datos es un MTS 420 Y la unidad de comunicaciones es un MICA 2 a 433 MHz.
La Figura 1 muestra las características del módulo de comunicaciones.
Figura 1 MPR 410 Crossbow®
El mote conteniendo la unidad de senso-res es un MTS 420, conteniendo sensor de
temperatura, humedad, presión, luz ambiente, un acelerómetro de dos ejes y GPS con una memoria EPROM de 64 KBytes.
Otra de las unidades utilizadas es un mote MTS 310 con capacidad instalada de un acelerómetro de dos ejes, magnetómetro de dos ejes, temperatura, iluminación ambiente y resonador piezoeléctrico (buzzer).
Ambos módulos se interconectan por medio de un bus y además incluye un pack de baterías para la alimentación, con un alcance aproximado de 350 m.
Dispone de una capacidad de transmisión de 38.4 KBaudios codificado en Manchester FSK.
Figura 2 Plataforma de red
PLATAFORMA
La red está constituida por tres nodos con los diferentes recursos instalados y distri-buidos en modo aleatorio, conectados a un bridge con conectividad Ethernet a la red local MIB 600, vale decir que permite el intercambio entre una red cableada y una inalámbrica.
El bridge será conectado en cualquier boca de red local disponible y se le adjudica IP
por medio del servidor de DHCP del sistema, se dispone de una unidad de programación via TCP/IP y además alojará la aplicación HMI de la red.
Los motes se pueden distribuir en cual-quier modo, inclusive como retransmisor de señal para los motes más lejanos.
GPS
Las placas de sensores MTS420 incorporan el módulo receptor GPS Antaris– 4 desarrollado por la firma uBlox.;
Dentro de las características más importantes se destaca su correlador de 16 canales.
De acuerdo con las especificaciones la intensidad de señal recibida por el receptor de GPS a cielo abierto es de -160dBW(-130dBm). La máxima densidad de potencia espec-tral de la señal recibida es de -190dBm/Hz como se muestra en la figura 6 y la densidad de potencia espectral del ruido térmico de fondo es de -174dBm/Hz (a 290ºK) de modo que la intensidad máxima señal recibida es de aproximadamente 16dB debajo del ruido térmico de fondo.
InterNET 2 Switch
TrendNET 24 10/100BaseT
Figura 3
Densidad de Potencia Espectral de la señal recibida y ruido térmico.
La demodulación y desensanchado de la señal de GPS recibida produce una ganancia de 43dB, luego la densidad de potencia usable es mayor que la del ruido térmico de fondo como se puede apreciar en la figura 4.
Figura 4
Densidad de Potencia Espectral de la señal correlada con el ruido térmico.
De esta manera, aumentando el tiempo de correlado (Dwell Time) se mejora la sensibilidad del receptor GPS. Es decir, mien-tras más tiempo el correlador permanezca en un punto específico del dominio frecuencia – código, menor será la intensidad de señal requerida en antena [11].
La resolución de posicionamiento del GPS se encuentra en el orden de los 5 a 10 m luego del correspondiente tiempo de inicialización (warm-up time.)
TinyOS y nesC
Un Sistema Operativo tradicional controla y protege el acceso a los recursos, incluyendo el soporte para entrada y salida, además de
administrar usuarios, como así también provee soporte para la ejecución concurrente de diversos procesos y comunicación entre los mismos. Teniendo en cuenta los recursos disponibles en los nodos de una Red de Sen-sores claramente se observa que un Sistema Operativo como el descripto anteriormente penaliza altamente el uso de recursos en los nodos de una WSN.
De lo expuesto anteriormente surge más apropiado el término entorno de ejecución más que Sistema Operativo en el ámbito de las Redes de Sensores.
Capacidad de administrar eficientemente el uso de energía, por ejemplo mediante la posibilidad de habilitar individualmente peri-féricos de hardware, además de controlar de manera sencilla y eficiente componentes externos como sensores, radio módems o timers, en especial aquellos que devuelven información en forma asincrónica, son re-querimientos específicos de un entorno de ejecución diseñado para WSNs.
El paradigma de programación empleado responde a eventos permitiendo el nivel de concurrencia requerido por la Red de Senso-res mientras que mantiene al mínimo el uso de recursos de cada nodo, en particular el con-sumo energético, además el enfoque de mo-dularidad es tenido en cuenta ya que permite el intercambio de máquinas de estado en la ejecución normal de la aplicación.
TinyOS soporta el modelo de progra-mación orientado al evento y la modularidad de acuerdo a los criterios de diseño tratados anteriormente [8]. La figura 6 muestra en forma gráfica el concepto expuesto.
Figura 6
Programación Orientada al evento
Mediante el concepto de componente TinyOS permite desarrollar piezas de software a modo de controladores que administran los recursos de hardware como: conversores A/D, conversores D/A, temporizadores, memoria EEPROM; sensores de luz, sonido, presión, inclinación, posición, temperatura, campo magnético, etc.
La Figura 7 muestra el componente Timer bajo TinyOS, el cual provee y usa una inter-face.
Figura 7 Componente Timer
Mediante el concepto de interfaz TinyOS permite cablear componentes para constituir la aplicación.
En TinyOS cada aplicación está cons-tituida por un modulo y una configuración [9].
La razón de la distinción entre módulos y configuraciones es permitir a los desarro-ladores construir aplicaciones fuera de imple-mentaciones existentes.
NesC define tareas que se ejecutan hasta su finalización a menos que un arbitro (handler) provo-que su interrupción.
HMI MOTE MONITOR
MOTE MONITOR es una aplicación de tipo HMI desarrollada en Laboratorio de Sensores, perteneciente al CIII.
Permite visualizar en forma simultánea toda la información proveniente de un nodo que dispone la placa MTS420. Además posibilita el direccionamiento directo con Google Maps® mostrando en tiempo real la ubicación del nodo sobre el mapa.
La figura 8 presenta la interfaz de usua-rio.
Las coordenadas devueltas por el nodo a la base conectada a la PC son cargadas en la página de Google Maps para su ubicación en el mapa. La figura 9 presenta la ubicación del punto de coordenadas -31.44159, -64.19307 adquiridas en las instalaciones del Laboratorio.
Figura 8
Interfaz de Usuario HMI MOTE MONITOR
Figura 9
Localización en Google Maps® CONFIGURACIÓN HARDWARE
HMI MOTE MONITOR se comunica mediante un puerto de comunicación serial a 9600 baudios NRZ e incorpora el traductor (parser) necesario para la decodificación del string enviado desde la estación MIB510. Esta placa oficia de host de un nodo de red donde se ejecuta la aplicación XMESH propietaria de Crossbow. De esta manera se obtiene el vinculo entre la red de sensores y la aplicación de monitoreo en el ordenador. HMI MOTE MONITOR ha sido concebido como una aplicación de testeo de los sensores a bordo de los motes y su alcance está restringido a comunicación serial asíncrona.
Actualmente se encuentra en fase de desarrollo una aplicación compatible con la estación MIB600 con capacidad de conexión directa Ethernet, esta configuración elevaría la versatilidad de la WSN, permitiendo su moni-toreo desde cualquier punto dentro de la red local, pudiéndose extender a Internet.
En la figura 10 se presenta esquemáticamente la configuración empleada para operar HMI MOTE MONITOR.
Figura 10
Configuración HMI MOTE MONITOR
El nodo ancla equipado con una tarjeta de sensores MTS420 ejecuta la aplicación de prueba XMTS420CC, en la figura 11 se muestra el conexionado del mismo.
Figura 11
Nodo de Red equipado con MTS420 ACELEROMETRO DE 2 EJES
El acelerómetro ADXL202JE con un rango de +/-2g y una resolución de 2mg a 60Hz presenta un excelente rendimiento y dota de una funcionalidad interesante al operar como inclinómetro. HMI MOTE MONITOR toma la información de inclinación del nodo de red para mostrar en pantalla la posición relativa del mote en tiempo real, la misma se visualiza en un sistema de ejes cartesianos de 3 dimensiones.
Mediante la librería de gráficos 3D, se visualiza una superficie plana paralela al plano de referencia del Mote, permitiendo por simple inspección visual determinar la inclinación
relativa del mismo. En la figura 12 se presenta una captura de la medición:
Figura 12
Visualización del MOTE en un eje de coordenadas 3D.
AGRADECIMIENTOS
Mediante el apoyo brindado por el Centro de Investigaciones en Informática para la Ingeniería CIII mediante la provisión de recursos para la realización de las experiencias, en particular la plataforma de red Crossbow con nodos equipados con GPS y acelerómetros, y los fondos provistos para la puesta en marcha del Proyecto de Investigación y Desarrollo se pudieron concretar satisfactoriamente las fases operativas del presente trabajo.
REFERENCIAS
[1] Kullik, W. Rabiner, H Balakrishman,
Adaptive Protocols for Information Dissemination in Wireless Sensor Networks
[2] C. Intanagonwiwat, R. Govidan, D. Estrin,
Directed diffsion: A scalable and robust communication paradigm for sensor networks
[3] W. B. Heinzelman, A Chandrakasan, H
Balakrishman, Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks
[4] Jamal N. Al-Karaki, Ahmed E. Kamal
Routing Techniques in Wireless Sensor Networks: A Surve
[5] OLSR Routing Protocol RFC 3626
[6] Ad hoc On-Demand Distance Vector
Routing RFC 3561
[7] Dynamic Source Routing RFC 4728
[8] Holger Karl, Andreas Willing, Protocols and
Architectures for Wireless Sensor Networks. Wiley.
[9] David Gay, Philip Levis, David Culler, Eric
Brewer, nesC 1.1 Language Reference Manual.
[11] uBlox, GPS Essentials of Satellite
