Las redes inalámbricas de sensores (WSN) explicadas en 5 minutos o menos

Las WSN, acrónimo de Wireless Sensor Networks (redes inalámbricas de sensores), detectan y responden a las condiciones físicas y ambientales, como el calor, la presión, la luz, etc., a través de su red de sensores.

Los avances en la tecnología inalámbrica y los sensores del sistema microelectromecánico (MEMS) han hecho posible el despliegue inteligente de sensores de baja potencia en una amplia zona, creando redes de sensores inalámbricos económicas para aplicaciones militares y civiles.

En la siguiente sección, hablaremos de los tipos de WSN, sus componentes y aplicaciones, y sus ventajas y desventajas y aplicaciones.

¿Qué significa una red?

Las redes conectan dispositivos que permiten intercambiar información y compartir recursos. Estos dispositivos integrados utilizan protocolos de comunicación como TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP, etc., que son un conjunto de reglas para transmitir datos a través de redes inalámbricas o cableadas.

Básicamente, existen dos tipos de redes: cableadas e inalámbricas. Las redes cableadas e inalámbricas se diferencian por la velocidad de transferencia de datos, la seguridad de los datos, el alcance de la comunicación y el coste.

Una red cableada se caracteriza por la interconexión de dispositivos a través de cables físicos, mientras que las redes inalámbricas dependen de las ondas de radio para la conectividad de los dispositivos. Existen varias tecnologías inalámbricas como Wi-Fi, Bluetooth, etc.

Las redes de sensores inalámbricos (WSN), como su nombre indica, son una tecnología inalámbrica, y la comunicación tiene lugar a través de señales de radio.

¿Qué es una red inalámbrica de sensores (WSN)?

Una red de sensores inalámbricos, también llamada WSN, es una colección de sensores especializados dispuestos en diferentes lugares de estructuras específicas para registrar y supervisar parámetros ambientales físicos y organizar los datos resultantes en una ubicación centralizada.

Estos parámetros físicos incluyen, entre otros factores, la temperatura, la presión, el viento y la humedad.

Una red WSN se compone de estaciones base y nodos situados en distintos lugares, que interactúan de forma inalámbrica. La estructura de una WSN puede implementarse utilizando cuatro enfoques distintos, a saber, los tipos punto a punto, estrella, árbol y malla.

La disposición de una WSN puede clasificarse en cinco tipos en función del entorno físico: WSN subterráneas, terrestres, submarinas, multimedia y móviles.

Los nuevos diseños de sensores utilizan los avances de la ingeniería y la tecnología para unir los ámbitos físico y digital y obtener resultados eficaces.

Las WSN están formadas por nodos con sensores que detectan cambios físicos y medioambientales y transmiten datos a una estación base para su análisis y la elaboración de informes.

La integración de las redes de sensores inalámbricos con el GPS o la RFID puede mejorar la cobertura y crear sofisticados sistemas de seguimiento o vigilancia.

El objetivo de las WSN es recopilar información medioambiental para mejorar la seguridad, la productividad y la prevención de accidentes, protegiendo al mismo tiempo el medio ambiente.

Componentes de una WSN

Veamos la lista de componentes que forman una WSN. Principalmente hay dos partes en las WSN: el nodo sensor y la arquitectura de red.

Nodo sensor

El nodo sensor consta de los siguientes componentes:

• Fuente de alimentación: Para alimentar todos los componentes de la red.
• Unidad sensora: Consta de un sensor y un ADC (convertidor analógico-digital). El sensor recoge los datos analógicos y el ADC los cambia a formato digital. Los nodos sensores no sólo tienen funciones de detección, sino que también se encargan de los componentes de procesamiento, comunicación y almacenamiento. El Nodo Sensor recoge y analiza los datos físicos y los correlaciona y fusiona con los datos de otros sensores.
• Unidad de procesamiento: Consta de memoria y microprocesador. Procesa y manipula los datos de forma inteligente.
• Sistema de comunicación: Sistema de radio para la transmisión y recepción de datos.
• Estación Base: Es un nodo extraordinario con gran energía computacional y capacidad de procesamiento.

Cabeza de clúster: Es un nodo sensor de gran ancho de banda que se utiliza para realizar funciones de fusión y agregación de datos en la WSN. En función de los requisitos del sistema y de las aplicaciones, habrá más de una cabeza de clúster dentro del clúster.

En una red inalámbrica de sensores (WSN), un nodo sensor se comunica con otros nodos sensores desplegados en grandes áreas para vigilar el entorno físico y con una estación base (BS) mediante comunicación inalámbrica. Los nodos sensores recogen datos y los envían a la estación base. Las estaciones base procesan los datos y comparten la información actualizada con los usuarios en línea.

Arquitectura de la red

Cuando todos los nodos sensores están conectados a la estación base, se denomina arquitectura de red de un solo salto. Cuando los datos se transmiten a grandes distancias, consumen más energía que la recogida de datos y el cálculo, por lo que en estos casos se suele utilizar una arquitectura de red multisalto empleando nodos intermedios en lugar de un enlace singular que conecte el nodo sensor con la estación base.

Existen dos formas de implementar estas estructuras: Arquitectura de red plana y Arquitectura de red jerárquica.

En la arquitectura plana, la estación base da órdenes a todos los nodos sensores y éstos responden a través de nodos pares utilizando una ruta multisalto.

En la arquitectura de red jerárquica, los jefes de clúster reciben información de un grupo de nodos sensores y retransmiten los datos a la estación base.

Otros componentes de la WSN

• Nodo de retransmisión: Un nodo intermedio se utiliza para comunicarse con el nodo adyacente. Aumenta la fiabilidad de la red y no dispone de un sensor de proceso ni de un equipo de control.
• Nodo actor: Un nodo de alto nivel se utiliza para realizar y construir una decisión en función de los requisitos de la aplicación. Normalmente, estos nodos son dispositivos ricos en recursos dotados de capacidades de procesamiento de alta calidad, alta potencia de transmisión y duración de la batería.
• Pasarela: La pasarela es una interfaz entre las redes de sensores y las redes externas. En comparación con el nodo sensor y la cabeza de clúster, el nodo pasarela es más potente en lo que respecta a la memoria de programas y datos, el procesador utilizado, el alcance del transceptor y la posibilidad de ampliación mediante memoria externa.

Tipos de redes inalámbricas de sensores (WSN)

Existen cinco tipos diferentes de WSN:

• Subacuáticas: La red inalámbrica de sensores submarina utiliza nodos sensores y vehículos bajo el agua para recopilar datos. Presenta problemas de alta latencia y mal funcionamiento de los sensores y dispone de baterías limitadas no recargables.
• Subterránea: Este tipo supervisa las condiciones subterráneas porque funcionan enteramente bajo tierra, y los nodos Sink situados en la superficie transmiten los datos a la estación base. Su coste es superior al de las redes terrestres debido a los costosos equipos y mantenimiento.
• Terrestre: Este tipo de red se utiliza en tierra para vigilar las condiciones medioambientales de distintas zonas. Miles de nodos sensores inalámbricos de las WSN terrestres se despliegan en una estructura ad hoc o planificada previamente para comunicarse con las estaciones base de forma eficaz.
• Multimedia: Las WSN pueden rastrear y supervisar eventos multimedia como vídeo, imágenes y audio. Disponen de nodos sensores asequibles con cámaras y micrófonos que se conectan, recuperan, comprimen y correlacionan datos de forma inalámbrica.
• Móviles: Las WSN móviles están formadas por nodos sensores que pueden moverse y comunicarse mientras realizan funciones de detección. Las redes de sensores inalámbricos móviles ofrecen más flexibilidad, una cobertura más amplia, mejor capacidad de canal y ahorran energía en comparación con las redes de sensores estacionarias.

El despliegue del tipo de WSN se basa en los requisitos de la aplicación y del terreno.

Diferentes estructuras de las WSN

Existen cuatro tipos de estructuras de red, pero su implantación afecta a la latencia, la capacidad y la robustez, ya que el enrutamiento y el procesamiento de los datos cambian con las distintas estructuras de red. Por lo tanto, antes de implantar la estructura de la WSN se deben conocer los requisitos y la naturaleza de la aplicación.

Los nodos también pueden conectarse a Internet y transferir datos a la plataforma en la nube para su posterior análisis.

• Estructura punto a punto o bus: Los sensores de esta red pueden comunicarse directamente entre sí sin ningún concentrador central. Esta estructura es muy utilizada y proporciona una comunicación segura.
• Estructura en estrella: La red en estrella utiliza una estación base como eje central para comunicarse con todos los sensores, es sencilla de implantar y requiere poca energía. Uno de los inconvenientes de esta estructura es la dependencia de una única estación base para la comunicación.
• Estructura en árbol o híbrida: Comprende estructuras punto a punto y en estrella. En esta estructura, los sensores se disponen en una configuración en forma de árbol y la transmisión de datos se produce a través de ramas entre ellos. Consume menos energía que otras estructuras.
• Estructura de malla: En esta estructura, la transmisión de datos se produce entre los sensores dentro de sus rangos de transmisión para una comunicación multisalto sin necesidad de una estación base central. Los sensores pueden utilizar sensores intermedios para transmitir datos a sensores situados fuera de su área de cobertura de radio. De ahí que sea conocida por su escalabilidad y redundancia. Se considera la más fiable, ya que no hay ningún punto singular de fallo, pero requiere más potencia.

Aplicaciones de las WSN

Las WSN se utilizan ampliamente en numerosos sectores en los que se requiere medición, seguimiento o vigilancia. Se extienden por toda una zona, midiendo la temperatura, el sonido y otros parámetros en diversas aplicaciones.

• Se emplean para vigilar regiones desplegando sensores para detectar intentos de intrusión, por lo que son muy utilizadas en el ámbito militar para detectar invasiones hostiles.
• Son populares entre las aplicaciones civiles como la minería, la sanidad, la vigilancia, la agricultura y otras condiciones de monitorización.
• Los nodos sensores inalámbricos detectan vehículos estacionados mediante magnetómetros, mientras que los microrradares y los magnetómetros pueden utilizarse para el seguimiento.
• Las WSN son muy populares en la monitorización y detección medioambiental/terrestre, como la prevención de desastres naturales, la detección de desprendimientos de tierra, la monitorización de la calidad del agua, la detección de incendios forestales y la monitorización de hábitats. También son muy apreciadas en soluciones de monitorización industrial, como la salud de las máquinas, las aguas residuales, la salud estructural, etc.

Ventajas y desventajas de las redes de sensores inalámbricos

En esta sección, echaremos un vistazo a las ventajas y desventajas de las WSN:

Ventajas

• Las WSN son preferibles a los sistemas de monitorización por cable debido a su comodidad, fiabilidad, asequibilidad y facilidad de despliegue.
• Las WSN eliminan la necesidad de cables o alambres.
• La competencia de las WSN se debe a muchos factores: precisión de detección, rango de cobertura, tolerancia a fallos, conectividad, escasa intervención humana, funcionalidad en condiciones difíciles y programación dinámica de los sensores.
• Permite la supervisión centralizada de todos los nodos de la WSN.
• Adaptable a particiones físicas sin ningún problema.
• Protocolos de enrutamiento para comunicarse en un entorno de rendimiento y ancho de banda limitados, creando redes ad hoc autoorganizadas que utilizan la comunicación multisalto.
• Utiliza algoritmos de seguridad basados en tecnología inalámbrica para crear una red fiable para los usuarios.
• Permite integrar fácilmente nuevos nodos o dispositivos para aumentar su escalabilidad.

Desventajas

• Las WSN se enfrentan a retos como un ancho de banda limitado, un elevado consumo de energía, costes elevados de los nodos, modelos de despliegue y restricciones de diseño de hardware/software.
• Las redes de sensores inalámbricos son susceptibles de ser pirateadas.
• Las WSN están diseñadas para aplicaciones de baja velocidad y son inadecuadas para la comunicación de alta velocidad.
• Resulta caro construir redes WSN.
• Toda la red puede apagarse en las WSN basadas en topología en estrella si falla el nodo central.

Recursos de aprendizaje

#1. Construcción de redes de sensores inalámbricos con Arduino

Un libro sobre la construcción de una red inalámbrica de bajo consumo con equipos Arduino y XBee. Incluye explicaciones sobre el desarrollo de proyectos complejos a través de ejemplos ilustrativos. El libro proporciona imágenes y capturas de pantalla detalladas y explica un proyecto de domótica que puede seguirse tal cual o personalizarse.

Aprenderá a conectar de forma inalámbrica placas Arduino utilizando módulos XBee y a controlar el entorno basándose en la información recibida de los sensores de la red. Utilice el software XCTU en Windows, OS X o Linux para recopilar y almacenar los datos de los sensores en una plataforma en la nube o en una base de datos personal. Además, interactúe con dispositivos de automatización doméstica ZigBee.

Este libro puede ser utilizado por desarrolladores de sistemas embebidos y entusiastas con conocimientos de Arduino para ampliar sus proyectos utilizando tecnología inalámbrica.

#2. Construcción de redes de sensores inalámbricos: con ZigBee, XBee, Arduino y procesamiento

Este libro hace hincapié en la construcción de una red ZigBee utilizando radios XBee y Arduino con un coste inferior a 100 dólares. Cree sistemas de detección y actuación ajustables y adquiera conocimientos sobre los entresijos de XBee, como la gestión de la alimentación y el enrutamiento de fuentes. Desarrolle pasarelas para la interconexión con redes adyacentes, incluida Internet.

Este libro ayudará a diversas personas a adquirir conocimientos y habilidades para llevar a cabo sus proyectos siguiendo los ejemplos de cada capítulo, incluidos inventores, hackers, artesanos, estudiantes, aficionados y científicos.

Es un gran recurso para crear artilugios interactivos inteligentes, y se dispone de sistemas de sensores utilizando el protocolo de red inalámbrica ZigBee y las radios XBee de la serie 2.

#3. Redes de sensores inalámbricos industriales (IWSN): Protocolos y aplicaciones

Esta publicación presenta nuevos resultados de investigación sobre redes de sensores inalámbricas industriales. Los artículos incluidos en el número especial contribuyen al avance de la investigación sobre las IWSN y se espera que inspiren nuevas investigaciones y despliegues.

Las IWSN son cruciales debido al creciente uso de las redes de sensores inalámbricos en la vida cotidiana y la industria, que cuentan con altos estándares de robustez, fiabilidad y puntualidad en todas las capas de la red.

#4. Creación de redes de sensores inalámbricos con ESP32 LoRa

Esta guía es para implementar una Red de Sensores Inalámbricos (WSN) básica con ESP32 en la red LoRa.

Cubre varios temas como la preparación del entorno de desarrollo, la configuración de ESP32 LoRa, el envío y la recepción de datos, el manejo de la interrupción del receptor LoRa, la difusión de mensajes en la red LoRa y la creación de una aplicación WSN con ESP32 LoRa.

Palabras finales

Las redes de sensores inalámbricos (WSN) se han vuelto vitales para diversas aplicaciones de monitorización y seguimiento. Las WSN han progresado desde la supervisión básica mediante sensores hasta la detección, el procesamiento y el análisis avanzados.

La tecnología de las WSN se ha transformado significativamente para reunir conocimientos valiosos y proporcionar los resultados deseados.

A continuación, compruebe el funcionamiento del modelo de arquitectura del protocolo TCP/IP.