Los sensores se utilizan para la medición y adquisición de datos. Sin embargo, se requieren mecanismos efectivos de transferencia de datos para habilitar aplicaciones completas que hagan uso de los datos recopilados. Un método común de transferencia de datos es por radio.
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Los sensores se utilizan para la medición y adquisición de datos. Sin embargo, se requieren mecanismos efectivos de transferencia de datos para habilitar aplicaciones completas que hagan uso de los datos recopilados. Un método común de transferencia de datos es por radio. Entre los mecanismos inalámbricos, el Wi-Fi 802.11 destaca por varias razones. El documento informativo de Redpine sobre el uso de Wi-Fi en aplicaciones de sensores analiza estos beneficios. También describe la implementación de dichos escenarios de aplicación.
Arquitectura de red de sensores inalámbricos
Un conjunto de sensores monitoreados en una instalación central se denomina comúnmente “red de sensores”, como se muestra en la Figura 1. Esto se debe a que están organizados como una malla de nodos interconectados. Los sensores se implementan en una variedad de entornos y para una variedad de propósitos, incluida la automatización de edificios, el control de instalaciones, el monitoreo ambiental, la automatización industrial, las áreas militares y la gestión de activos. Las redes de sensores tradicionales utilizan mecanismos de transporte inalámbrico patentados y, más recientemente, transportes inalámbricos basados en estándares como Zigbee y Bluetooth.
Estos mecanismos inalámbricos cuentan con baja potencia operativa, bajo costo, bajo alcance y protocolos de transferencia de datos y red en gran parte patentados, incluida la red de malla. Los sensores pueden actuar como relés y pueden adaptarse a escenarios cambiantes.
Más recientemente, sin embargo, las redes inalámbricas basadas en 802.11 “Wi-Fi” se han vuelto predominantes, especialmente en entornos empresariales e industriales donde los sensores se implementan con frecuencia. La existencia de redes inalámbricas bien establecidas y estandarizadas ha abierto nuevas posibilidades para el despliegue de sensores. Es el uso de Wi-Fi como mecanismo de transporte. Por supuesto, 802.11 no se diseñó teniendo en cuenta las aplicaciones de sensores, pero las innovaciones de implementación han hecho posible usar 802.11 y cumplir con todos los requisitos de sensores y más.
Una implementación típica de Wi-Fi despliega una serie de puntos de acceso para cubrir un área operativa, como una fábrica grande, varias oficinas, un hospital o un campus. En la mayoría de los casos, la red tiene una configuración en estrella, lo que puede proporcionar roaming o traspasos de clientes. Los puntos de acceso se conectan a la red corporativa a través de conexiones cableadas o parcialmente a través de sistemas de distribución inalámbricos. Una ventaja de este escenario es la ubicación del controlador o coordinador central. Se puede ubicar en cualquier lugar de su red, potencialmente en cualquier parte del mundo con una conexión a Internet. El transporte estandarizado basado en IP elimina la necesidad de agregar una infraestructura de red adicional para transportar la información del sensor a cualquier parte de su red.
Wi-Fi también se puede usar para ubicar y proporcionar la ubicación del dispositivo del cliente. Por lo general, las transmisiones de un dispositivo son recibidas por múltiples puntos de acceso o receptores, o un dispositivo recibe balizas de múltiples puntos de acceso. La intensidad de la señal relativa medida, o el tiempo de llegada relativo medido, proporciona un medio para localizar un dispositivo cliente. Los puntos de acceso en estos escenarios se colocan cuidadosamente para proporcionar las mejores mediciones de alcance y se realizan mediciones exhaustivas antes de los matices de la propagación de la señal en el entorno de implementación.
Requisitos del nodo sensor
Por supuesto, un “sensor” en sí mismo es un dispositivo que recopila datos, un transductor utilizado para medir cosas como temperatura, humedad, presión, proximidad, flujo posicional, sonido, presencia, líquidos o gases. Puede colocar fácilmente el sensor en cualquier lugar que desee. El “nodo sensor” resultante es un dispositivo autónomo que recopila, procesa y comunica datos de forma inalámbrica a una unidad de control. La implementación exitosa de redes de sensores inalámbricas rentables puede beneficiarse de las siguientes características de los nodos de sensores:
- Muy bajo consumo de energía y años de duración de la batería
- Transferencia inalámbrica estandarizada
- Excelente alcance inalámbrico para una fácil implementación
- Capacidad de coexistir con otros dispositivos inalámbricos cercanos
- Ajuste fácil
- Precio bajo
Aquí vemos cómo una solución de sensor basada en Wi-Fi cumple con todos estos requisitos. Nodo sensor wifi.
La figura 2 muestra una configuración típica de un nodo sensor. Un microcontrolador es el elemento de programación principal en su diseño. Configurar sensores y subsistemas inalámbricos. También maneja la gestión de la batería o la energía y la reconciliación de los datos del sensor según sea necesario. También puede ser un dispositivo o bloque funcional que proporciona un modo de suspensión temporizado de energía ultra baja. El subsistema Wi-Fi se puede dividir de diferentes maneras según el conjunto de chips utilizado, pero generalmente consta de MAC, procesador de banda base, transceptor de RF y interfaz de RF.
El consumo de batería del sistema depende de varios factores. Esto incluye el consumo de energía del sensor, el microcontrolador y el consumo de energía en modo activo del subsistema inalámbrico, y el consumo de energía en modo de suspensión. En un ciclo de trabajo típico de milisegundos encendido y minutos apagado, la energía del modo de suspensión puede dominar el consumo total de energía y otros factores influyentes alcanzan el punto de funcionamiento al despertar. Pico de consumo en modo activo. Los sensores utilizados para el monitoreo crítico también suelen mantenerse activos en todo momento, en cuyo caso el consumo de energía del sensor se vuelve importante. Una ventaja fundamental de las redes de sensores basadas en Wi-Fi es que los nodos sensores no necesitan transmitir datos de otros nodos. Por lo tanto, el tiempo de encendido o activo está altamente regulado y es predecible.
La transmisión de datos a través del canal inalámbrico puede realizarse en uno de dos modos. En el primer modo, el nodo se activa, se ajusta completamente al protocolo de la red Wi-Fi y se asocia con un punto de acceso o BSS antes de enviar datos. En el segundo modo, los nodos sensores se inician y envían datos sin pasar por el procedimiento de asociación con el BSS. En este caso, deberá personalizar sus sistemas de infraestructura o controladores para recibir estos datos. Los puntos de acceso regulares o comerciales no procesarán ni responderán a los paquetes enviados por clientes no asociados, a menos que sean una clase especial de paquetes, como solicitudes de sondeo. Sin embargo, la ventaja de este modo es que los nodos sensores están activos durante menos tiempo, lo que aumenta la duración de la batería. La gran ventaja de cualquiera de los dos modos es que todas las transmisiones cumplen totalmente con los mecanismos para evitar colisiones del protocolo 802.11. Además, en una banda ISM congestionada, es ventajoso que todos los dispositivos de transmisión sigan el mismo protocolo, lo que maximiza la evitación general de colisiones.
La ventaja de potencia de 802.11 proviene del uso de altas velocidades de transmisión de datos para minimizar el tiempo activo. Con esquemas de modulación de hasta 64-QAM, Wi-Fi también es más eficiente desde el punto de vista espectral que la mayoría de los demás protocolos. Por ejemplo, se puede enviar 1kbyte de información del sensor en formato 802.11g o 802.11n en solo 160 ms. Alternativamente, se puede enviar una cantidad más normal de bytes de datos en aproximadamente 30 μs. Como tal, el tiempo que tarda el subsistema de radio en preparar los datos para la transmisión a menudo desperdicia una cantidad considerable de energía. Por lo tanto, el subsistema está optimizado para estas aplicaciones y se enciende lo más rápido posible.
La facilidad de configuración antes de la implementación, así como después de la implementación en algunos casos, también es un requisito importante. La configuración de fábrica de un dispositivo generalmente incluye la calibración de RF, la dirección MAC y cierta información específica de la configuración. Otros parámetros, como la configuración de la red inalámbrica, la dirección IP, el intervalo de informes y otros parámetros operativos, se configuran normalmente a través de la interfaz serial. En algunos casos, incluso se puede configurar a través de la propia interfaz inalámbrica, a través de un modo especial. Estas interfaces de configuración también se pueden utilizar para ofrecer actualizaciones de firmware.
Beneficios de 802.11n
El estándar IEEE 802.11n proporciona principalmente alto rendimiento, alta eficiencia y conectividad de datos de largo alcance e incluye el uso de múltiples antenas y cadenas de transmisión/recepción. Sin embargo, el estándar también incluye un modo de flujo único destinado a brindar los beneficios de 11n a dispositivos de factor de forma pequeño de baja potencia, incluidos los nodos de sensores. El uso de WLAN 802.11n de flujo único con estos dispositivos cliente tiene las siguientes ventajas:
- Mayor rendimiento y menor tiempo de transmisión: gracias a la mejora de la eficiencia de PHY y MAC
- Mayor alcance: mediante el uso de múltiples antenas en el punto de acceso
- Mantenimiento de la capacidad de la red 802.11n: la presencia de clientes 802.11a/b/g heredados obliga a los nodos 11n a utilizar mecanismos de protección, lo que reduce la capacidad general de la red. 802.11n ayuda a evitar esto.
Nodo sensor RS10002-NBZ-S0M
El dispositivo Redpine Signals RS10002 WiSeMCUTM es el primer MCU inalámbrico de la industria con un subsistema inalámbrico multiprotocolo (Wi-Fi+Bluetooth+Zigbee). Cuenta con un microcontrolador ARM Cortex M4F de potencia ultrabaja como procesador de aplicaciones, subsistema inalámbrico integrado, seguridad avanzada, administración de energía, referencia de frecuencia, amplificador de potencia de RF, interfaz de RF de diversidad y pasivos. Debido a que los dispositivos RS10002 pueden recopilar datos de múltiples sensores usando varios protocolos inalámbricos (Wi-Fi, BT, BT LE, ZigBee, BT) y transferir datos a través de la red usando Wi-Fi, ideal para aplicaciones de sensores. El control de energía granular basado en perfiles y a nivel del sistema permite una vida útil de la batería de más de 5 años. Esto aumenta el rendimiento y acorta el período de “activación”, lo que reduce significativamente el consumo de energía. RS10002-NBZ-S0M admite TCP/UDP sobre IPv6/IPv4, lo que facilita la integración en su WLAN existente. Es compatible con el aprovisionamiento inalámbrico y proporciona múltiples interfaces digitales y analógicas para trabajar con varios sensores.