Redes de sensores en sistemas distribuidos

Introducción

La independencia de las variables que componen cualquier sistema hace que sea

necesario establecer algún tipo de sensado para poder conocer el estado del mismo. De

aquí surge la necesidad de sensores, los cuales para este caso consideramos son

dispositivos que traducen magnitudes físicas a variables de naturaleza eléctrica capaces de

ser procesadas.

El resultado de todas estas implicancias, es el surgimiento de sistemas complejos

compuestos por un gran número de componentes, los cuales se comunican entre sí y con

el medio (a través de sensores), brindando soporte para tareas que necesiten ser

dinámicamente reconfigurables y con un rendimiento garantizado.

Nodos Sensores

El avance en la tecnología ha impulsado la implementación de redes de sensores,

compuestas por nodos de bajo costo (llamados comúnmente motes), los cuales están

formados por el sensor propiamente dicho, la interfase para realizar las comunicaciones y

generalmente un microprocesador. Estos nodos están diseñados para adquirir

información del entorno, procesarla y transmitir los datos pertinentes a una estación base

(de mucho mayor poder computacional que los nodos sensores).

El campo de aplicación para esta nueva tecnología es muy amplio.

Algunos usos actuales son:

Control de procesos

Alarmas

Respuesta a emergencias

Redes de transporte

Investigación biológica

Aplicaciones medicinales

Estudios meteorológicos

Existen sensores de todas clases; es posible medir aceleración, temperatura, movimientos

sísmicos, posición global, intensidad de luz, sonido, campos magnéticos, etc.

La interconexión de los sensores se presenta como uno de los mayores problemas a la

hora de implementar el sistema. Las limitaciones físicas y económicas, imponen

restricciones a la forma en la que se llevará a cabo.

Anteriormente, las redes de sensores se interconectaban mediante cables (pares

trenzados) que agregaban costo, complejidad de implementación y dificultad en la

detección de fallas. Con la estandarización de las comunicaciones inalámbricas y la

serialización de fabricación de dichos productos, esta pasó a ser una de las formas

preferenciales para interconectar sensores.

Arquitectura del sistema

El nivel inferior del sistema consiste en los nodos sensores, los cuales realizan tareas de

cómputo básicas e implementan las interfaces de comunicación necesarias, además del

sensado propiamente dicho. Estos sensores pueden estar ubicados a distancias

considerables. Cada sensor transmite sus datos hacia un gateway asignado a la subred de

sensores a la que pertenece. Este gateway es el responsable de retransmitir los datos de

los sensores hacia la estación base mediante una red de paso (transit network), donde los

mismos son registrados y puestos a disposición del resto del sistema. La estación base

suele tener réplicas de sus bases de datos ya que este suele ser el principal punto de falla

del sistema.

Finalmente, los datos son presentados a través de una interfaz de usuario

correspondiente.

La base de la aplicación de sensado es provista mediante nodos sensores autónomos.

Estos dispositivos, generalmente alimentados a batería, son ubicados cerca del lugar de

interés. Cada sensor recopila la información ambiental correspondiente a su entorno

inmediato. Es por esto que suelen utilizarse sensores pequeños y económicos; con lo cual,

puede lograrse una resolución espacial importante ubicando los sensores muy cerca unos

de otros. Este acercamiento proporciona mayor robustez frente a fallas de los

componentes que el enfoque tradicional en el cual se utilizan pocos nodos con alta calidad

de sensado y gran capacidad de procesamiento.

El módulo de procesamiento está conformado por una unidad reprogramable, la cuál

provee capacidad de procesamiento, almacenamiento y comunicación bidireccional con el

resto de los nodos del sistema. Comparado con los sistemas de adquisición de datos

tradicionales, las redes de sensores presentan dos ventajas principales: pueden

reasignarse las tareas sobre la marcha y permiten la comunicación con el resto del

sistema.

Comunicaciones

Las comunicaciones dentro de la red de sensores son predominantemente del tipo

multihop. Para enviar un mensaje entre sensores o hacia la estación base, la información

circula de nodo a nodo (según las limitaciones de distancia impuestas por el tipo de

comunicación) hasta llegar a destino.

La mayor parte del tráfico entre los sensores puede clasificarse en uno de las siguientes

categorías:

Varios-a-uno: Más de un nodo transmite información hacia la estación base

simultáneamente.

Uno-a-varios: Un solo nodo, generalmente una estación base, realiza una

transmisión del tipo multicast hacia varios sensores requiriendo información o

enviando instrucciones de control.

Comunicaciones locales: La información circula entre nodos vecinos (nodos dentro

del área de alcance del enlace) para coordinar su funcionamiento.

Es muy probable que nodos vecinos adquieran las mismas lecturas acerca de la

evolución del entorno. Si cada nodo enviase sus datos hacia la estación base implicaría

un gasto de energía y ancho de banda innecesario ya que se producirían transmisiones

redundantes. Para contrarrestar este inconveniente, los datos son generalmente

recolectados por un solo sensor, donde son procesados y filtrados (eliminando así

información redundante) para luego ser retransmitidos.

A la hora de diseñar una red de sensores, se plantean ciertas cuestiones respecto al

esquema de comunicaciones:

Full-duplex/Half-Duplex/Simplex: La transmisión full-duplex requiere dos

canales de comunicación para ser implementada (ida y vuelta). Una

comunicación full-duplex suele ser simulada alternando entre envío y

recepción sobre un solo canal. El tipo de dispositivos en estudio utilizan

generalmente comunicaciones tipo half-duplex.

Banda base o señal modulada: En las redes inalámbricas, es imperativo el uso

de algún tipo de modulación, ya que de otra manera sería imposible la

transmisión de información. Aparte de esto, el uso de modulación permite la

multiplexación en frecuencia del recurso de comunicación utilizado habilitando

el establecimiento de varios canales.

Conmutación de circuitos o conmutación de paquetes: En las redes digitales,

suele usarse casi exclusivamente el esquema de conmutación de paquetes, en

el cuál cada trozo de información transmitida (paquete) contiene datos

correspondientes al encaminamiento.

Generalmente, se utiliza un esquema de CDMA (Code División Múltiple Access), donde

todos los nodos tienen todo el ancho de banda del canal disponible todo el tiempo, y a

cada nodo se le asigna un código de secuencia para que los receptores puedan

identificar el origen de la transmisión. Se utilizan frecuencias del orden del GigaHertz.

Otra tecnología disponible para interconectar redes de sensores inalámbricos

pequeñas y medianas es la especificación BlueTooth, la cual fue desarrollada por

Ericsson en 1994 y revisada posteriormente por un grupo de empresas de

telecomunicaciones.

Este conjunto de protocolos es similar a los utilizados en comunicaciones infrarrojas y

está diseñado para intercomunicar dispositivos en un rango relativamente reducido

(de hasta 10 metros) y con un consumo de potencia mínimo.

Entorno de software

La nueva generación de software embebido se caracteriza por ser ágil, dinámico, auto

configurable, limitado en el uso de recursos y orientado a la comunicación entre pequeños

dispositivos operando en forma colectiva.

Una característica común de este tipo de software es su interacción entre los distintos

componentes: se producen ráfagas de actividad cuando es necesario, y cuando no, el

sistema se encuentra en un estado pasivo esperando por algún evento.

El sistema operativo utilizado sobre una red de sensores debe ser simple, basado en

componentes, cuya principal incumbencia sea el manejo de la concurrencia de

almacenamiento y el manejo adecuado de energía.

El sistema operativo más difundido para este tipo de aplicaciones es el TinyOS,

desarrollado por la Universidad de California.

TinyOS está estructurado en una serie de capas, cada una de las cuales presenta un nivel

de abstracción mayor a las capas superiores.

Una de las características que resalta, es su estructura de comunicaciones. La

comunicación entre los nodos de la red se realiza mediante un sistema de mensajes

basado en eventos que permite el uso de RPC para la ejecución de ciertas tareas. Además,

este también es usado para realizar operaciones complejas como el descubrimiento

dinámico de la estructura de red o el ruteo multihop. Para realizar el descubrimiento, los

nodos mandan señales periódicas mediante las que se identifican y determinan que

“vecinos” están en su alcance de comunicación. De esta manera, el software logra formar

un mapa de la red para poder realizar el ruteo.

Las características principales que debe tener un S.O. de este tipo son:

De pequeña extensión en memoria

“Liviano” al ejecutarse

De fácil expansión gracias a la modularidad

Predictivo para minimizar las operaciones de E/S

Capaz de auto reconfigurarse a partir de los cambios en el sistema

Referencias:

http://www.dsi.fceia.unr.edu.ar/downloads/distribuidos/material/monografias/

RedesInalambricasSensores_1.pdf