Arquitectura de red de sensores inalámbricos y sus aplicaciones

Actualmente, WSN (red de sensores inalámbricos) es el servicio más estándar empleado en aplicaciones comerciales e industriales, debido a su desarrollo técnico en un procesador, comunicación y uso de bajo consumo de energía de los dispositivos informáticos integrados. La arquitectura de la red de sensores inalámbricos está construida con nodos que se utilizan para observar el entorno como temperatura, humedad, presión, posición, vibración, sonido, etc. Estos nodos se pueden utilizar en varias aplicaciones en tiempo real para realizar diversas tareas como detección inteligente, un descubrimiento de nodos vecinos, procesamiento y almacenamiento de datos, recopilación de datos, seguimiento de objetivos, monitoreo y control, sincronización, localización de nodos y enrutamiento efectivo entre la estación base y los nodos. Actualmente, las WSN están comenzando a organizarse en un paso mejorado. No es extraño esperar que en 10 a 15 años el mundo esté protegido con WSN con acceso a ellas a través de Internet. Esto se puede medir como si Internet se convierte en un n / w físico. Esta tecnología es emocionante con un potencial infinito para muchas áreas de aplicación, como médica, ambiental, transporte, militar, entretenimiento, defensa nacional, gestión de crisis y también espacios inteligentes.

¿Qué es una red de sensores inalámbricos?

Un inalámbrico Sensor Network es un tipo de red inalámbrica que incluye una gran cantidad de dispositivos circulantes, autodirigidos, diminutos y de baja potencia llamados nodos sensores llamados motas. Estas redes ciertamente cubren una gran cantidad de dispositivos integrados pequeños, operados por baterías, distribuidos espacialmente que están conectados en red para recopilar, procesar y transferir datos a los operadores con cuidado, y ha controlado las capacidades de computación y procesamiento. Los nodos son computadoras diminutas que trabajan en conjunto para formar redes.

Red de sensores inalámbricos

El nodo sensor es un dispositivo inalámbrico multifuncional y energéticamente eficiente. Las aplicaciones de motas en industrial están muy extendidas. Una colección de nodos de sensores recopila los datos del entorno para lograr objetivos de aplicación específicos. La comunicación entre motas se puede realizar entre sí mediante transceptores. En una red de sensores inalámbricos, el número de motas puede ser del orden de cientos o incluso miles. A diferencia de los sensores n / ws, las redes Ad Hoc tendrán menos nodos sin ninguna estructura.

Arquitectura de red de sensores inalámbricos

La arquitectura de red de sensores inalámbricos más común sigue el modelo de arquitectura OSI. La arquitectura de WSN incluye cinco capas y tres capas cruzadas. Principalmente en el sensor n / w, requerimos cinco capas, a saber, aplicación, transporte, n / w, enlace de datos y capa física. Los tres planos cruzados son: administración de energía, administración de movilidad y administración de tareas. Estas capas de WSN se utilizan para lograr el n / w y hacer que los sensores trabajen juntos para aumentar la eficiencia completa de la red. Siga el enlace a continuación para Tipos de redes de sensores inalámbricos y topologías WSN

Tipos de arquitecturas WSN

La arquitectura utilizada en WSN es la arquitectura de red de sensores. Este tipo de arquitectura es aplicable en diferentes lugares como hospitales, escuelas, carreteras, edificios, así como también se utiliza en diferentes aplicaciones como gestión de seguridad, gestión de desastres y gestión de crisis, etc. Hay dos tipos de arquitecturas utilizadas en sensores inalámbricos redes que incluyen lo siguiente. Hay 2 tipos de arquitecturas de sensores inalámbricos: arquitectura de red en capas y arquitectura en clúster. Estos se explican a continuación a continuación.

• Arquitectura de red en capas
• Arquitectura de red agrupada

Arquitectura de red en capas

Este tipo de red utiliza cientos de nodos sensores, además de una estación base. Aquí, la disposición de los nodos de la red se puede realizar en capas concéntricas. Consta de cinco capas y 3 capas transversales que incluyen lo siguiente.

Las cinco capas de la arquitectura son:

• Capa de aplicación
• Capa de transporte
• Capa de red
• Capa de enlace de datos
• Capa fisica

Las tres capas cruzadas incluyen lo siguiente:

• Plano de administración de energía
• Plano de gestión de la movilidad
• Plano de gestión de tareas

Estas tres capas cruzadas se utilizan principalmente para controlar la red, así como para hacer que los sensores funcionen como uno solo para mejorar la eficiencia general de la red. Las cinco capas de WSN mencionadas anteriormente se analizan a continuación.

Arquitectura de red de sensores inalámbricos

Capa de aplicación

La capa de aplicación es responsable de la gestión del tráfico y ofrece software para numerosas aplicaciones que convierten los datos de forma clara para encontrar información positiva. Redes de sensores organizadas en numerosas aplicaciones en diferentes campos como agrícola, militar, medioambiental, médico, etc.

Capa de transporte

La función de la capa de transporte es evitar la congestión y ofrecer fiabilidad cuando muchos de los protocolos destinados a ofrecer esta función son prácticos en sentido ascendente. Estos protocolos utilizan mecanismos diferentes para el reconocimiento y la recuperación de pérdidas. La capa de transporte es exactamente necesaria cuando se planea que un sistema contacte con otras redes.

Proporcionar una recuperación de pérdidas confiable es más eficiente energéticamente y esa es una de las principales razones por las que TCP no es apto para WSN. En general, las capas de transporte se pueden separar en controladas por paquetes y controladas por eventos. Hay algunos protocolos populares en la capa de transporte, a saber, STCP (Protocolo de control de transmisión de sensor), PORT (Protocolo de transporte confiable orientado al precio y PSFQ (bomba de recuperación lenta y rápida).

Capa de red

La función principal de la capa de red es el enrutamiento, tiene muchas tareas basadas en la aplicación, pero en realidad, las tareas principales son la conservación de energía, la memoria parcial, los búferes y el sensor no tienen una ID universal y deben ser autoorganizado.

La idea simple del protocolo de enrutamiento es explicar un carril confiable y carriles redundantes, de acuerdo con una escala convincente llamada métrica, que varía de un protocolo a otro. Hay muchos protocolos existentes para esta capa de red, se pueden separar en enrutamiento plano y enrutamiento jerárquico o se pueden separar en controlados por tiempo, controlados por consultas y controlados por eventos.

Capa de enlace de datos

La capa de enlace de datos es responsable de la detección de tramas de datos de multiplexación, flujos de datos, MAC y control de errores, confirman la confiabilidad de punto-punto (o) punto-multipunto.

Capa fisica

La capa física proporciona un borde para transferir un flujo de bits por encima del medio físico. Esta capa es responsable de la selección de frecuencia, generación de una frecuencia portadora, detección de señal, modulación y encriptación de datos. IEEE 802.15.4 se sugiere como típico para áreas particulares de baja tasa y redes de sensores inalámbricos con bajo costo, consumo de energía, densidad y rango de comunicación para mejorar la duración de la batería. CSMA / CA se utiliza para admitir topología de estrella y de igual a igual. Hay varias versiones de IEEE 802.15.4.V.

Los principales beneficios de utilizar este tipo de arquitectura en WSN es que cada nodo implica simplemente transmisiones de baja potencia a menos distancia a los nodos vecinos debido a que la utilización de energía es baja en comparación con otros tipos de arquitectura de red de sensores. Este tipo de red es escalable e incluye una alta tolerancia a fallos.

Arquitectura de red agrupada

En este tipo de arquitectura, los nodos sensores por separado se agregan a grupos conocidos como clústeres que dependen del 'Protocolo de lixiviación' porque utiliza clústeres. El término 'Protocolo de lixiviación' significa 'Jerarquía de agrupación adaptativa de baja energía'. Las principales propiedades de este protocolo incluyen principalmente las siguientes.

Arquitectura de red agrupada

• Esta es una arquitectura de agrupación en clústeres de jerarquía de dos niveles.
• Este algoritmo distribuido se utiliza para organizar los nodos sensores en grupos, conocidos como clústeres.
• En cada grupo que se forma por separado, los nodos principales del grupo crearán los planes TDMA (acceso múltiple por división de tiempo).
• Utiliza el concepto Data Fusion para que la red sea energéticamente eficiente.

Este tipo de arquitectura de red se utiliza mucho debido a la propiedad de fusión de datos. En cada clúster, cada nodo puede interactuar a través del jefe del clúster para obtener los datos. Todos los clústeres compartirán sus datos recopilados con la estación base. La formación de un grupo, así como su selección de cabeza en cada grupo, es un método distribuido independiente y autónomo.

Problemas de diseño de la arquitectura de red de sensores inalámbricos

Los problemas de diseño de la arquitectura de red de sensores inalámbricos incluyen principalmente lo siguiente.

• Consumo de energía
• Localización
• Cobertura
• Relojes
• Cálculo
• Coste de produccion
• Diseño de Hardware
• Calidad de servicio

Consumo de energía

En WSN, el consumo de energía es uno de los principales problemas. Como fuente de energía, la batería se utiliza equipándola con nodos sensores. La red de sensores está dispuesta en situaciones peligrosas, por lo que resulta complicado cambiar las baterías que de otro modo recargarían. El consumo de energía depende principalmente de las operaciones de los nodos sensores, como la comunicación, la detección y el procesamiento de datos. A lo largo de la comunicación, el consumo de energía es muy elevado. Por lo tanto, el consumo de energía se puede evitar en todas las capas mediante el uso de protocolos de enrutamiento eficientes.

Localización

Para el funcionamiento de la red, el problema básico, además de crítico, es la localización del sensor. Por lo tanto, los nodos de sensores están organizados de manera ad-hoc para que no sepan su ubicación. La dificultad de determinar la ubicación física del sensor una vez que se han dispuesto se conoce como localización. Esta dificultad se puede resolver mediante GPS, nodos de baliza, localización basada en proximidad.

Cobertura

Los nodos sensores de la red de sensores inalámbricos utilizan un algoritmo de cobertura para detectar datos y transmitirlos para que se hundan a través del algoritmo de enrutamiento. Para cubrir toda la red, se deben elegir los nodos sensores. Se recomiendan métodos eficientes como los algoritmos de ruta de exposición mínima y máxima, así como el protocolo de diseño de cobertura.

Relojes

En WSN, la sincronización del reloj es un servicio serio. La función principal de esta sincronización es ofrecer una escala de tiempo ordinaria para los nodos de los relojes locales dentro de las redes de sensores. Estos relojes deben estar sincronizados con algunas aplicaciones, como el seguimiento y el seguimiento.

Cálculo

El cálculo se puede definir como la suma de datos que continúa a través de cada nodo. El problema principal dentro de la computación es que debe reducir la utilización de recursos. Si la vida útil de la estación base es más peligrosa, entonces el procesamiento de datos se completará en cada nodo antes de que los datos se transmitan hacia la estación base. En cada nodo, si tenemos algunos recursos, entonces todo el cálculo debe realizarse en el sumidero.

Costo de producción

En WSN, se organiza la gran cantidad de nodos sensores. Entonces, si el precio de un solo nodo es muy alto, el precio general de la red también será alto. En última instancia, el precio de cada nodo sensor debe mantenerse menor. Por tanto, el precio de cada nodo sensor dentro de la red de sensores inalámbricos es un problema exigente.

Diseño de hardware

Al diseñar el hardware de cualquier red de sensores, como el control de energía, el microcontrolador y la unidad de comunicación deben ser energéticamente eficientes. Su diseño se puede realizar de tal manera que utilice poca energía.

Calidad de servicio

La calidad del servicio o QoS no es más que, los datos deben distribuirse en el tiempo. Porque algunas de las aplicaciones basadas en sensores en tiempo real dependen principalmente del tiempo. Entonces, si los datos no se distribuyen a tiempo hacia el receptor, los datos se volverán inútiles. En las WSN, existen diferentes tipos de problemas de QoS, como la topología de la red, que pueden modificarse con frecuencia, así como el estado accesible de la información utilizada para el enrutamiento puede ser impreciso.

Estructura de una red de sensores inalámbricos

La estructura de WSN comprende principalmente varias topologías utilizadas para redes de comunicaciones por radio como estrella, malla y estrella híbrida. Estas topologías se describen brevemente a continuación.

Star Network

La topología de comunicación como una red en estrella se utiliza siempre que solo la estación base pueda transmitir o recibir un mensaje hacia los nodos remotos. Hay varios nodos disponibles que no pueden transmitirse mensajes entre sí. Los beneficios de esta red comprenden principalmente la simplicidad, capaz de mantener al mínimo la utilización de energía de los nodos remotos.

También permite las comunicaciones con menos latencia entre la estación base y un nodo remoto. El principal inconveniente de esta red es que la estación base debe estar en el rango de radio de todos los nodos separados. No es robusto como otras redes porque depende de un solo nodo para manejar la red.

Red de malla

Este tipo de red permite la transmisión de los datos de un nodo a otro dentro de la red que se encuentra en el rango de transmisión de radio. Si un nodo necesita transmitir un mensaje a otro nodo y está fuera del alcance de las comunicaciones por radio, entonces puede utilizar un nodo como intermediario para enviar el mensaje hacia el nodo preferido.

El principal beneficio de una red de malla es la escalabilidad y la redundancia. Cuando un nodo individual deja de funcionar, un nodo remoto puede conversar con cualquier otro tipo de nodo dentro del rango, luego reenvía el mensaje hacia la ubicación preferida. Además, el rango de la red no se restringe automáticamente a través del rango entre los nodos individuales, puede extenderse simplemente agregando una cantidad de nodos al sistema.

El principal inconveniente de este tipo de red es que la utilización de energía de los nodos de red que ejecutan las comunicaciones como multisalto suele ser mayor que otros nodos que no tienen esta capacidad de limitar la vida útil de la batería con frecuencia. Además, cuando aumenta el número de saltos de comunicación hacia un destino, también aumentará el tiempo necesario para enviar el mensaje, particularmente si el proceso de baja potencia de los nodos es una necesidad.

Estrella híbrida - Red de malla

Un híbrido entre las dos redes, como estrella y malla, proporciona una red de comunicaciones fuerte y flexible al tiempo que mantiene el consumo de energía de los nodos de sensores inalámbricos al mínimo. En este tipo de topología de red, los nodos sensores con menos potencia no pueden transmitir los mensajes.
Esto permite mantener la menor utilización de energía.

Pero, a otros nodos de la red se les permite la capacidad de múltiples saltos al permitirles transmitir mensajes de un nodo a otro en la red. Por lo general, los nodos con capacidad de varios saltos tienen alta potencia y con frecuencia se conectan a la línea principal. Esta es la topología implementada a través de la próxima red de malla estándar llamada ZigBee.

Estructura de un nodo de sensor inalámbrico

Los componentes utilizados para hacer un nodo de sensor inalámbrico son diferentes unidades como detección, procesamiento, transceptor y energía. También incluye componentes adicionales que dependen de una aplicación como un generador de energía, un sistema de localización y un movilizador. Generalmente, las unidades de detección incluyen dos subunidades, a saber, ADC y sensores. Aquí los sensores generan señales analógicas que pueden cambiarse a señales digitales con la ayuda de ADC, luego de eso las transmite a la unidad de procesamiento.

Generalmente, esta unidad se puede asociar a través de una pequeña unidad de almacenamiento para manejar las acciones para hacer que el nodo sensor funcione con los otros nodos para lograr las tareas de detección asignadas. El nodo sensor se puede conectar a la red con la ayuda de una unidad transceptora. En el nodo sensor, uno de los componentes esenciales es un nodo sensor. Las unidades de energía se apoyan a través de unidades de recuperación de energía como las células solares, mientras que las otras subunidades dependen de la aplicación.

Arriba se muestra un diagrama de bloques funcional de nodos de detección inalámbricos. Estos módulos brindan una plataforma versátil para hacer frente a los requisitos de amplias aplicaciones. Por ejemplo, en función de los sensores que se dispongan, se puede realizar la sustitución del bloque de acondicionamiento de señales. Esto permite el uso de diferentes sensores junto con el nodo de detección inalámbrico. Asimismo, el enlace de radio se puede cambiar por una aplicación específica.

Características de la red de sensores inalámbricos

Las características de WSN incluyen las siguientes.

• El consumo de límites de energía para nodos con baterías
• Capacidad para manejar fallas de nodos
• Alguna movilidad de nodos y heterogeneidad de nodos
• Escalabilidad a una gran escala de distribución
• Capacidad para garantizar condiciones ambientales estrictas
• Fácil de usar
• Diseño de capas cruzadas

Ventajas de las redes de sensores inalámbricas

Las ventajas de WSN incluyen las siguientes

• Los arreglos de red pueden llevarse a cabo sin una infraestructura inamovible.
• Apto para lugares no accesibles como montañas, sobre el mar, áreas rurales y bosques profundos.
• Flexible si hay una situación casual en la que se requiere una estación de trabajo adicional.
• Los precios de ejecución son económicos.
• Evita mucho cableado.
• Podría proporcionar adaptaciones para los nuevos dispositivos en cualquier momento.
• Se puede abrir mediante un control centralizado.

Aplicaciones de redes de sensores inalámbricos

Las redes de sensores inalámbricos pueden comprender numerosos tipos diferentes de sensores, como baja frecuencia de muestreo, sísmicos, magnéticos, térmicos, visuales, infrarrojos, de radar y acústicos, que son inteligentes para monitorear una amplia gama de situaciones ambientales. Los nodos de sensor se utilizan para detección constante, identificación de eventos, detección de eventos y control local de actuadores. Las aplicaciones de las redes de sensores inalámbricos incluyen principalmente áreas de salud, militares, ambientales, domésticas y otras áreas comerciales.

Aplicación WSN

• Aplicaciones militares
• Aplicaciones de salud
• Aplicaciones ambientales
• Inicio Aplicaciones
• Aplicaciones comerciales
• Monitoreo de área
• Monitoreo de la atención médica
• Sensores ambientales / terrestres
• Monitoreo de la contaminación del aire
• Detección de incendios forestales
• Detección de deslizamientos de tierra
• Monitoreo de la calidad del agua
• Monitoreo industrial

Por lo tanto, se trata de lo que es un red de sensores inalámbricos , arquitectura, características y aplicaciones de redes de sensores inalámbricos. Esperamos que tenga una mejor comprensión de este concepto. Además, cualquier consulta o conocimiento ideas de proyectos de redes de sensores inalámbricos , dé sus valiosas sugerencias comentando en la sección de comentarios a continuación. Aquí hay una pregunta para ti, ¿Cuáles son los diferentes tipos de redes de sensores inalámbricos?