Arquitectura de red de sensores inalámbricos y sus aplicaciones.

Actualmente, WSN (Wireless Sensor Network) es el servicio más estándar utilizado en aplicaciones comerciales e industriales, debido a su desarrollo técnico en un procesador, comunicación y bajo consumo de energía de dispositivos informáticos embebidos. La arquitectura de la red de sensores inalámbricos está construida con nodos que se utilizan para observar el entorno como la temperatura, la humedad, la presión, la posición, la vibración, el sonido, etc. Estos nodos se pueden usar en varias aplicaciones en tiempo real para realizar diversas tareas, como detección inteligente, descubrimiento de nodos vecinos, procesamiento y almacenamiento de datos, recopilación de datos, seguimiento de objetivos, monitoreo y control, sincronización, ubicación de nodos y enrutamiento eficiente entre bases. estación y nodos. Actualmente, las WSN comienzan a organizarse en una etapa fortalecida. No es vergonzoso esperar que en 10 a 15 años el mundo esté protegido por WSN con acceso a través de Internet. Esto se puede medir como si Internet se convirtiera en un n/w físico. Esta tecnología es emocionante y tiene un potencial infinito para muchas áreas de aplicación, como la médica, el medio ambiente, el transporte, el ejército, el entretenimiento, la defensa nacional, la gestión de crisis y también los espacios inteligentes.

¿Qué es una red de sensores inalámbricos?

Una red de sensores inalámbricos es un tipo de red inalámbrica que consta de una gran cantidad de dispositivos circulantes, autónomos, diminutos y de baja potencia llamados nodos de sensores llamados motas. Estas redes ciertamente cubren una gran cantidad de dispositivos pequeños, integrados, alimentados por batería y distribuidos espacialmente que están conectados en red para recopilar, procesar y transferir datos cuidadosamente a los operadores, y tienen capacidades informáticas y de procesamiento controladas. Los nodos son pequeñas computadoras que trabajan juntas para formar redes.

El Sensor Node es un dispositivo inalámbrico multifuncional y de bajo consumo. Las aplicaciones de las motas en la industria están muy extendidas. Una colección de nodos de sensores recopila 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, la cantidad de partículas 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 WSN consta de cinco capas y tres capas cruzadas. Principalmente en el sensor n/w, necesitamos cinco capas, a saber, aplicación, transporte, n/w, enlace de datos y capa física. Los tres planes cruzados son, a saber, la gestión de energía, la gestión de movilidad y la gestión de tareas. Estas capas de WSN se utilizan para lograr el n/w y hacer que los sensores trabajen juntos para aumentar la eficiencia general de la red. Siga el enlace a continuación para conocer los tipos de red de sensores inalámbricos y las topologías WSN

Tipos de arquitecturas WSN

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

• Arquitectura de red en capas
• Arquitectura de red de clúster

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. Incluye cinco capas, así como 3 capas cruzadas 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:

• Plan de gestión de energía
• Plan de gestión de la movilidad
• plan de gestión de tareas

Estas tres capas cruzadas se utilizan principalmente para controlar la red y operar los sensores como uno solo para mejorar la eficiencia general de la red. Las cinco capas de WSN mencionadas anteriormente se describen a continuación.

Capa de aplicación

La capa de aplicación es responsable de la gestión del tráfico y ofrece software para muchas aplicaciones que convierten los datos en un formato claro para encontrar información positiva. Las redes de sensores dispuestas en muchas aplicaciones en diferentes campos como agricultura, militar, medio ambiente, médico, etc.

Capa de transporte

La función de la capa de transporte es evitar la congestión y confiabilidad donde muchos protocolos destinados a ofrecer esta función son prácticos aguas arriba. Estos protocolos utilizan diferentes mecanismos para el reconocimiento y la recuperación de pérdidas. La capa de transporte es exactamente necesaria cuando se espera que un sistema se comunique con otras redes.

Proporcionar una recuperación de pérdida confiable es más eficiente energéticamente y es una de las razones principales por las que TCP no es adecuado para WSN. En general, las capas de transporte se pueden separar en impulsadas por paquetes y controladas por eventos. Existen algunos protocolos populares en la capa de transporte, a saber, STCP (Protocolo de control de transmisión de sensores), PORT (Protocolo de transporte confiable orientado al precio) y PSFQ (Bombeo lento, recuperación rápida).

Capa de red

La función principal de la capa de red es el enrutamiento, tiene muchas tareas basadas en aplicaciones, pero en realidad las tareas principales son la conservación de energía, la memoria parcial, los búferes y el sensor no tienen un identificador universal y deben autoorganizarse.

La idea simple del protocolo de enrutamiento es explicar la ruta confiable y las rutas 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 según el tiempo, la solicitud y el evento.

Capa de enlace de datos

La capa de enlace de datos es responsable de multiplexar la detección de tramas de datos, flujos de datos, MAC y control de errores, confirma la confiabilidad de punto a punto (o) punto a multipunto.

capa fisica

La capa física proporciona una ventaja para transferir un flujo de bits a través del medio físico. Esta capa es responsable de la selección de frecuencias, la generación de frecuencias portadoras, la detección de señales, la modulación y el cifrado de datos. IEEE 802.15.4 se sugiere como típico para áreas particulares de bajo rendimiento y redes de sensores inalámbricos con bajo costo, consumo de energía, densidad y rango de comunicación para mejorar la vida útil de la batería. CSMA/CA se utiliza para admitir la topología en estrella y de igual a igual. Hay varias versiones de IEEE 802.15.4.V.

Las principales ventajas de usar este tipo de arquitectura en WSN es que cada nodo simplemente involucra menos distancia y transmisiones de baja potencia a los nodos vecinos, por lo que el uso de energía es bajo en comparación con otros tipos de arquitectura de red de sensores. Este tipo de red es escalable e incluye alta tolerancia a fallas.

Arquitectura de red de clúster

En este tipo de arquitectura, los nodos de sensores separados se agregan a grupos llamados clústeres que dependen del "protocolo de lixiviación" porque utiliza clústeres. El término "Protocolo de lixiviación" significa "Jerarquía de agrupamiento adaptable de baja energía". Las principales propiedades de este protocolo incluyen principalmente las siguientes.

• Es una arquitectura de agrupamiento jerárquico de dos niveles.
• Este algoritmo distribuido se utiliza para organizar los nodos sensores en grupos, llamados clústeres.
• En cada clúster formado por separado, los nodos maestros del clúster crearán los planes TDMA (acceso múltiple por división de tiempo).
• Utiliza el concepto de fusión de datos para hacer que la red sea eficiente energéticamente.

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

Problemas de diseño de la arquitectura de la red de sensores inalámbricos

Los problemas de diseño de la arquitectura de la red de sensores inalámbricos incluyen principalmente los siguientes.

• Consumo de energía
• Ubicación
• Cubrir
• relojes
• Cálculo
• Costo de producción
• diseño de materiales
• 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 equipándose con nodos sensores. La red de sensores se encuentra en situaciones de peligro, por lo que se complica cambiar si no recargar las baterías. 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 alto. Por lo tanto, el consumo de energía se puede evitar en cada capa mediante el uso de protocolos de enrutamiento eficientes.

Ubicación

Para el funcionamiento de la red, el problema básico, además de crítico, es la localización de los sensores. Así, los nodos sensores están dispuestos ad hoc para que no conozcan 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 utilizando GPS, nodos de baliza, ubicación basada en la proximidad.

Cubrir

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

relojes

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

Cálculo

La computación se puede definir como la suma de datos que continúa a través de cada nodo. El principal problema del cálculo es que debe reducir el uso de recursos. Si la vida útil de la estación base es más peligrosa, el procesamiento de datos finalizará en cada nodo antes de la transmisión de datos a la estación base. En cada nodo, si tenemos recursos, todo el cálculo debe hacerse a nivel del sumidero.

Costo de producción

En WSN, se organiza la gran cantidad de nodos sensores. Por lo tanto, 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 reducirse. Por lo tanto, el precio de cada nodo de sensor dentro de la red de sensores inalámbricos es un tema exigente.

diseño de materiales

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

Calidad de servicio

La calidad de servicio o QoS no es más que la distribución de los datos a lo largo del tiempo. Porque algunas de las aplicaciones basadas en sensores en tiempo real dependen principalmente del clima. Entonces, si los datos no se entregan al receptor a tiempo, los datos se volverán inútiles. En las WSN, existen diferentes tipos de problemas de QoS, como la topología de la red, que puede cambiar con frecuencia, y el estado accesible de la información utilizada para el enrutamiento puede ser inexacto.

Estructura de una red de sensores inalámbricos

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

red estrella

La topología de comunicación como una red en estrella se usa donde solo la estación base puede transmitir o recibir un mensaje a los nodos remotos. Hay una serie de nodos disponibles que no pueden pasar mensajes entre sí. Las ventajas de esta red incluyen principalmente la simplicidad, capaz de mantener al mínimo el uso de energía de los nodos remotos.

También permite comunicaciones con menor latencia entre la estación base y un nodo remoto. La principal desventaja de esta red es que la estación base debe estar dentro del rango de radio para todos los nodos separados. No es robusto como otras redes, ya que depende de un solo nodo para administrar la red.

Red de malla

Este tipo de red permite la transmisión de datos de un nodo a otro dentro de la red que se encuentra dentro del 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 usar un nodo como intermediario para enviar el mensaje al nodo preferido.

La principal ventaja de una red de malla es la escalabilidad y la redundancia. Cuando un nodo individual deja de funcionar, un nodo remoto puede hablar con cualquier otro tipo de nodo dentro del alcance y luego reenvía el mensaje a la ubicación preferida. Además, el rango de la red no se limita automáticamente al rango entre nodos individuales; puede expandirse simplemente agregando una cantidad de nodos al sistema.

La principal desventaja de este tipo de red es que el uso de energía para los nodos de la red que realizan comunicaciones como saltos múltiples suele ser mayor que otros nodos que no tienen esta capacidad de limitar con frecuencia la duración de la batería. Además, cuando aumenta el número de saltos de comunicación hacia un destino, también aumentará el tiempo requerido para enviar el mensaje, especialmente si el proceso de baja potencia de los nodos es una necesidad.

Estrella Híbrida – Red Mallada

Un híbrido entre las dos redes, como estrella y malla, proporciona una red de comunicación fuerte y flexible mientras mantiene el consumo de energía de los nodos de sensores inalámbricos al mínimo. En este tipo de topología de red, los nodos sensores menos potentes no pueden transmitir los mensajes.
Esto mantiene el consumo de energía bajo.

Sin embargo, otros nodos de la red cuentan con 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 múltiples saltos tienen alta potencia y con frecuencia se conectan a la línea eléctrica. Esta es la topología implementada a través de la futura red de malla estándar llamada ZigBee.

Estructura de un nodo sensor inalámbrico

Los componentes utilizados para hacer un nodo de sensor inalámbrico son diferentes unidades, como detección, procesamiento, transceptor y fuente de alimentación. También incluye componentes adicionales que dependen de una aplicación como un generador, un sistema de rastreo y un movilizador. En general, las unidades de detección constan de dos subunidades, a saber, ADC y sensores. Aquí, los sensores generan señales analógicas que pueden transformarse en señales digitales utilizando el ADC, después de lo cual se transmiten a la unidad de procesamiento.

Generalmente, esta unidad se puede asociar a través de una pequeña unidad de almacenamiento para administrar las acciones que permiten que el nodo sensor trabaje con los otros nodos para llevar a cabo las tareas de detección asignadas. El nodo sensor se puede conectar a la red mediante un transceptor. En el nodo sensor, uno de los componentes esenciales es un nodo sensor. Las unidades de energía están respaldadas por unidades de recolección de energía, como las células solares, mientras que otras subunidades dependen de la aplicación.

Arriba se muestra un diagrama de bloques de nodos de sensores inalámbricos. Estos módulos proporcionan una plataforma versátil para cumplir con los requisitos de aplicaciones extendidas. Por ejemplo, dependiendo de los sensores a disponer, se puede realizar la sustitución del bloque de acondicionamiento de señal. Esto permite utilizar diferentes sensores con el nodo de sensor inalámbrico. Del mismo modo, el enlace de radio se puede cambiar por una aplicación específica.

Características de la red de sensores inalámbricos

Las características de WSN son las siguientes.

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

Beneficios de las redes inalámbricas de sensores

Los beneficios de WSN incluyen lo siguiente

• Los arreglos de red se pueden hacer sin infraestructura inmobiliaria.
• Adecuado para lugares inaccesibles como montañas, mar, áreas rurales y bosques profundos.
• Flexible si hay una situación ocasional en la que se requiere una estación de trabajo adicional.
• El precio de ejecución es barato.
• Esto ahorra mucho cableado.
• Podría proporcionar alojamiento para nuevos dispositivos en cualquier momento.
• Se puede abrir usando monitoreo centralizado.

Aplicaciones de red de sensores inalámbricos

Las redes de sensores inalámbricos pueden incluir muchos tipos diferentes de sensores, como sensores de 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 sensores se utilizan para la detección constante, la identificación de eventos, la detección de eventos y el control del actuador local. Las aplicaciones de las redes de sensores inalámbricos incluyen principalmente el cuidado de la salud, militar, medio ambiente, hogar y otros campos comerciales.

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

Así que se trata de lo que red de sensores inalámbricos, arquitectura, características y aplicaciones de la red inalámbrica de sensores. Esperamos que tenga una mejor comprensión de este concepto. Además, si tiene alguna pregunta o tiene ideas para proyectos de redes de sensores inalámbricos, brinde 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?