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La visión de sistemas informáticos, 
presentes en todas partes, exige un 
cambio de modelo para integrar en 
nuestro entorno la potencia de cálcu-
lo, en lugar de tenerla concentrada en 
ordenadores de sobremesa o portáti-
les. Esta amplia visión del futuro ha 
impulsado varios campos de investi-
gación poco definidos, entre ellos las 
redes de sensores inalámbricos.
Un sistema WSN (Wireless Sensor 
Network) de sensores inalámbricos 
es una red con numerosos dispositivos 
distribuidos espacialmente, que utilizan 
sensores para controlar diversas condi-
ciones en distintos puntos, entre ellas 
la temperatura, el sonido, la vibración, 
la presión y movimiento o los contami-
nantes. Los dispositivos son unidades 
autónomas que constan de un micro-
controlador, una fuente de energía (casi 
siempre una batería), un radiotranscep-
tor y un elemento sensor 1 .
Debido a las limitaciones de la vida 
de la batería, los nodos se construyen 
teniendo presente la conservación de 
la energía, y generalmente pasan 
 mucho tiempo en modo ‘durmiente’ 
(sleep) de bajo consumo de potencia. 
Los nodos autoorganizan sus redes en 
una forma ad hoc, en lugar de tener 
una topología de red previamente 
programada. Además, WSN tiene ca-
pacidad de autorrestauración, es decir, 
si se avería un nodo, la red encontrará 
nuevas vías para encaminar los pa-
quetes de datos. De esta forma, la red 
sobrevivirá en su conjunto, aunque 
haya nodos individuales que pierdan 
potencia o se destruyan.
Aunque es un tema de investigación 
controvertido, este punto de vista, 
más bien clásico, de WSN tiene pocas 
aplicaciones interesantes. Por ejemplo, 
algunos autores especializados en este 
campo señalan la detección de incen-
dios forestales como una de las apli-
caciones de WSN. Para que la defini-
ción de WSN tenga más aplicaciones 
en la industria ha de ser más amplia y 
menos estricta.
WSN en el mundo de la automatización 
industrial
Las aplicaciones industriales divergen 
de la definición anterior en varios as-
pectos. En primer lugar, y esto quizás 
sea lo más importante, todos los sen-
sores son vitales para la operación de 
la planta. Esto significa que no se 
puede admitir la pérdida de un nodo 
aunque la red global siga siendo ope-
rativa. Un nodo averiado tendrá que 
ser sustituido.
En segundo lugar, el tiempo es esen-
cial. Mientras que un paquete de da-
tos en una WSN estándar puede em-
plear un tiempo indeterminado desde 
su origen hasta su destino, una aplica-
ción industrial requerirá frecuente-
mente límites rigurosos de la máxima 
demora permitida.
 39Revista ABB 2/2006
Redes de sensores 
 inalámbricos 
Nuevas soluciones de interconexión para la automatización industrial
Niels Aakvaag, Jan-Erik Frey
1 Dispositivo autónomo de una red de 
sensores inalámbricos
Sensor
Transmisor/
receptor 
de radio Fuente de 
energía
CPU/Memoria
 40 Revista ABB 2/2006
Redes de sensores inalámbricos 
ción ya de por sí congestionada. 
Aunque la definición formal no sea 
aplicable directamente en marcos in-
dustriales, WSN introduce nuevas téc-
nicas de interconexión que ayudan a 
reducir más el coste de instalación de 
los sensores inalámbricos. La naturale-
za ad hoc de WSN permite un sencillo 
ajuste y configuración, tarea que no 
debe subestimarse cuando la red es 
de considerable tamaño. Para apoyar 
la cobertura de sensores inalámbricos 
a nivel de planta se ha de minimizar 
el trabajo manual de configuración de 
la red. Además, la configuración de 
 tipo ‘plug and produce’ (enchufar y 
producir) de la red permite desplegar 
redes temporales de sensores para 
 garantizar el mantenimiento o la loca-
lización y corrección de fallos.
Aplicaciones y requisitos
Los requisitos de cualquier solución 
WSN siempre dependerán estrecha-
mente de la aplicación concreta. A 
continuación se consideran dos casos 
específicos de uso: fabricación discre-
ta y monitorización de activos.
Estos dos casos implican requisitos 
bajos de potencia, aunque la fuente 
de energía real puede variar (almace-
namiento de energía en baterías, ob-
tención de energía desde fuentes am-
bientales, transferencia inalámbrica de 
energía como, por ejemplo, por aco-
plamiento inductivo, etc.). En ambos 
casos, la unidad no puede disipar más 
que unos pocos milivatios (mW) como 
máximo de potencia media.
En la fabricación discreta, el tiempo de 
latencia del sistema es vital. Existe un 
límite estricto del tiempo máximo de 
latencia, por encima del cual el siste-
ma funcionará mal. Este tiempo suele 
ser de algunas decenas de milisegun-
dos. Para la monitorización de activos, 
en cambio, el tiempo de latencia es 
mucho menos crítico. Esto depende, 
como es lógico, del activo que se esté 
supervisando, pero es habitual que los 
tiempos de actualización sean del or-
den de minutos o incluso de horas.
La fiabilidad es un tercer parámetro de 
interés. Dependiendo de la aplicación 
concreta hay varias formas de aumentar 
la probabilidad de que un mensaje lle-
gue a su destino. Una forma posible es 
aumentar la redundancia, lo que puede 
hacerse de varias maneras. El mensaje 
se puede transmitir por diferentes cami-
nos (diversidad de espacio), en diferen-
tes frecuencias (diversidad de frecuen-
cias), varias veces en la misma frecuen-
cia (diversidad de tiempos) o, incluso, 
se puede enviar utilizando diferentes es-
quemas de modulación (diversidad de 
esquemas de modulación). Este último 
es un método complejo que sólo se em-
pleará cuando los requisitos sean extre-
madamente estrictos y el coste no sea 
ningún problema.
El sector de productos para oficina y de 
consumo es hoy en día el principal im-
pulsor de las tecnologías inalámbricas, 
con aplicaciones de gran volumen en 
las que se requiere un tiempo de vida 
relativamente corto de los dispositivos. 
En cambio, la vida útil de los dispositi-
vos industriales ha de ser mucho más 
larga que la de los productos de consu-
mo. Esto significa que hay que prestar 
atención muy especial a la integración 
de componentes inalámbricos en los 
dispositivos industriales. El diseño mo-
dular (del hardware y el software) es 
esencial, pues permite un mantenimien-
to eficaz de los dispositivos –hechos con 
componentes estándar disponibles en el 
mercado– durante toda su vida útil.
Retos del desarrollo de sistemas 
integrados
Un sistema integrado se puede definir 
de varias formas. Un buen ejemplo es 
[1]: ‘...un sistema informático especiali-
zado que forma parte de un sistema o 
máquina mayor’. El término definidor 
aquí es ‘especializado’. Un sistema inte-
grado tiene un solo propósito y ejecuta 
una tarea única. Por consiguiente, la 
creación de sistemas dedicados, como 
un WSN, tiene sus propios requisitos, 
específicos del problema en cuestión.
El diseño del sistema integrado conside-
ra tanto los aspectos de hardware como 
Finalmente, y a diferencia de una red 
WSN estándar, las soluciones inalámbri-
cas en la industria suelen tener una in-
fraestructura cableada. Los datos emana-
rán desde los sensores y se propagarán 
por la red hasta algún punto de unión 
cableado, desde donde generalmente 
serán transportados hasta un controla-
dor a través de un bus de alta velocidad. 
Además de la clásica topología de red 
mallada de WSN, existen dos topologías 
comunes en la industria 2 . En la topolo-
gía de redes en estrella, predominante 
hoy en día, los nodos inalámbricos se 
comunican con un dispositivo de pasa-
rela (gateway) que hace de puente de 
comunicación con una red cableada. 
Una solución intermedia emergente y 
común de WSN es tener dispositivos en-
caminadores (routers, con frecuencia ali-
mentados por cables desde la red eléc-
trica) que comunican con la pasarela. 
Los sensores sólo necesitan establecer la 
comunicación punto a punto con los 
routers y por consiguiente, pueden se-
guir siendo sencillos y de baja potencia, 
al tiempo que se mejora el rango y la 
redundancia de la propia red.
Ventajas de WSN 
La comunicación inalámbricaen aplica-
ciones industriales tiene muchas venta-
jas. Además de una mayor fiabilidad, la 
ventaja más reconocida es el bajo coste 
de instalación. Los emplazamientos in-
dustriales suelen ser entornos severos, 
con requisitos muy exigentes en cuanto 
al tipo y calidad del cableado. Prescin-
dir de los cables significa que las insta-
laciones son más baratas, sobre todo 
cuando se trata de modernizar o actua-
lizar versiones antiguas, un caso en que 
puede ser difícil proyectar los cables 
adicionales necesarios en una instala-
Tecnologías de sistemas integrados
2 Topologías comunes de redes de sensores inalámbricos
G
S
R
G
G
SS
S S
R R
R
S S
S
S S
R
S S
S S
S
S S
S
SS
S
S S S
R SG Puerta S Sensor Router Sensor con router
 41Revista ABB 2/2006
Redes de sensores inalámbricos 
de software. Los dos sistemas 
están entrelazados y la solu-
ción óptima, si realmente se 
puede hallar una, implica la 
interacción 
entre ellos.
Elección de los bloques 
funcionales
Una importante característica 
de WSN es reducir al mínimo 
el consumo de energía de los 
nodos, proporcionando al 
 mismo tiempo el mayor rendi-
miento posible a los usuarios 
del sistema. 
Diseñar los nodos para un 
bajo consumo supone elegir 
componentes de baja potencia, algo 
que a primera vista puede parecer tri-
vial, pero que suele ser más complejo 
de lo que parece. El primer parámetro 
a considerar es el consumo de energía 
de la CPU, el sensor, el radiotranscep-
tor y, posiblemente, de otros elemen-
tos, como la memoria externa y los 
periféricos durante el modo normal de 
operación. La elección de elementos 
de baja potencia implica normalmente 
aceptar compromisos sobre el rendi-
miento medio. Por regla general, una 
CPU de baja potencia opera en un ci-
clo reducido de reloj, con menos ca-
racterísticas en el chip que otras uni-
dades homólogas que consumen más 
energía. La solución está en elegir ele-
mentos con el rendimiento justo para 
poder hacer el trabajo.
Es importante que el consumo de 
energía en modo durmiente sea bajo. 
A menudo se puede incluso desconec-
tar por completo la alimentación del 
sensor y del transceptor. Sin embargo, 
la CPU necesitará alguna alimentación 
en modo durmiente para poder reacti-
varse. Para el presupuesto de la po-
tencia total es esencial que el consu-
mo en modo durmiente sea bajo.
Otro aspecto que también se suele pa-
sar por alto es el tiempo de activación 
y desactivación de los elementos. Por 
ejemplo, el transceptor necesitará un 
cierto tiempo mínimo hasta que se 
 estabilicen sus osciladores. Durante la 
espera, tanto el transceptor como la 
CPU consumen energía, consumo que 
es necesario minimizar. Lo mismo 
ocurre, como es lógico, al energizar la 
CPU y el sensor.
Finalmente, es preciso garantizar el 
control por la CPU de todos los elemen-
tos necesarios. Ésta es la unidad maes-
tra del sistema y necesita controlar 
por completo todos los bloques funcio-
nales.
Aspectos del sistema
Con frecuencia se proporciona el proto-
colo de comunicación con objeto de uti-
lizar los recursos disponibles dentro de 
los límites especificados y que ningún 
elemento esté energizado, si no es im-
prescindible. El trabajo se reduce a acti-
var y desactivar unidades, como el sen-
sor, la CPU y el transceptor, con la tem-
porización apropiada. Supongamos que 
un nodo necesita despertar del modo 
durmiente a intervalos regulares para 
transmitir el valor de su sensor, pero só-
lo si el nuevo valor tiene una diferencia 
mínima dada con el último valor. Una 
vez enviado el valor por el canal de 
 radio, la unidad espera recibir un men-
saje de confirmación que indica que el 
paquete ha sido recibido correctamente. 
El comportamiento requerido del soft-
ware se explica mejor con un diagrama 
de estados: una representación esque-
mática del estado en que se encuentra 
el software, de los sucesos que lo llevan 
de un estado a otro y de las acciones 
asociadas a cada transición de estado 3
.Obsérvese que, en el sistema descrito, 
las unidades se energizan sólo cuando 
es necesario, minimizando así la pérdida 
de energía.
Aspectos del protocolo
Además de utilizar componentes electró-
nicos de baja potencia y un programa 
inteligente de durmiente/reactivación, el 
protocolo de comunicación tiene una 
gran influencia sobre el consumo final 
de energía del sistema. 
En el protocolo de comunica-
ción se determinan los límites 
inferiores del consumo. Algu-
nos protocolos de comunica-
ción son poco eficientes y nin-
guna programación integrada 
inteligente ayudará a reducir el 
consumo hasta un nivel acepta-
ble. Otros protocolos se dise-
ñan para conseguir un bajo 
consumo sin comprometer in-
debidamente el rendimiento de 
la comunicación. Uno de estos 
protocolos de baja potencia es 
la plataforma tecnológica de in-
terconexión inalámbrica para 
sensores y actuadores (WISA, 
Wireless Interface to Sensors 
and Actuators)1) [2] [3]. El alto rendi-
miento se puede atribuir a dos factores: 
salto simple y multiplexación por divi-
sión en el tiempo (TDM). El primer fac-
tor evita demoras en los nodos interme-
dios, el segundo garantiza que sólo ha-
brá un nodo en el canal, es decir, que 
no habrá colisiones. La especificación 
ZigBee [4], recientemente desarrollada 
con el protocolo subyacente 802.15.4, es 
de tipo más general, pero su rendimien-
to de comunicación será menor. Incluye 
multisalto, lo que implica que un men-
saje puede utilizar varios saltos en las 
ondas de radio para llegar a su destino. 
Los nodos no tienen asignados interva-
los específicos de tiempo, sino que han 
de competir para acceder al canal. Esto 
permite el acceso de más usuarios al 
medio inalámbrico, pero introduce in-
certidumbre en el sistema, ya que la de-
mora y el consumo de energía aumen-
tan cuando un nodo está esperando su 
turno. Además, los nodos intermedios 
desconocen el momento en que pueden 
ser solicitados para encaminar paquetes 
para otros. Por consiguiente, es aconse-
jable disponer de nodos intermedios, 
también conocidos como routers, ali-
mentados desde la red eléctrica (véase 
figura 2 , la topología de la red).
En resumen, el protocolo WISA se adap-
ta bien a los requisitos de la fabricación 
discreta, siempre que se cumpla la con-
dición de salto simple. Por el contrario, 
ZigBee resulta ideal para aplicaciones 
de monitorización de activos, suponien-
do que los nodos routers están conecta-
dos por cable a la red eléctrica.
Los diferentes métodos de hardware y soft-
ware influyen directamente en el consumo 
de energía de los dispositivos 4 . Hasta 
ahora no se han cuantificado los diversos 
3 Sucesos y acciones que provocan la transición del software de un 
estado a otro
EVENT_timer_wake
ACTION_power_up_CPU
ACTION_power_up_sensor
EVENT_difference_large
ACTION_power_down_sensor
ACTION_power_up_radio
ACTION_send_value
EVENT_acknowledge_OK
ACTION_power_down_radio
ACTION_power_down_CPU
EVENT_difference_small
ACTION_power_down_CPU
ACTION_power_down_sensor
SLEEP WAIT_FOR_VALUE
WAIT_FOR_
ACKNOWLEDGE
Tecnologías de sistemas integrados
Arquitectura de software
P
ro
to
co
lo
 d
e 
co
m
un
ic
ac
ió
n
Tamaño de empaquetamiento de datos (dimensión 
de carga útil, tamaño de colector, CRC, etc)
Acceso a medios sin 
limitaciones (p.ej. TDMA)
Acceso a medios basado en limitaciones (p.ej. CDMA)
Monosalto Multisalto
Parada de componentes durante el funcionamiento en vacío
Tiempo de parada / arranque Controlable 
por medio 
de la CPUConsumo de energía en funcionamiento normal
Consumo de energía 
en estado durmiente
Componentes de Hardware
Mecanismo de sincronización (registrado, ranuras de tiempo fijo), esquema 
de modulación, transmisión técnica RF, etc.
 42 Revista ABB 2/2006
Redes de sensores inalámbricos
efectos, pero esto dependerá de que 
se desarrolle la red WSN específica.
Modularidad
El diseño modular es necesario con 
objeto de poder reutilizar los elemen-
tos. Sin embargo, la modularidadcon-
lleva limitaciones de diseño y se ha 
de tener cuidado para garantizar que 
las interfaces entre módulos, hardware 
y software sean suficientemente gene-
rales para permitir la portabilidad.
Un ejemplo clásico de la separación de 
módulos es la división entre el protoco-
lo de comunicación y el software de 
aplicación. Este último es escrito inva-
riablemente por ABB, mientras que el 
protocolo se suele adquirir a otra em-
presa. Integrar estos dos componentes 
en el mismo microcontrolador puede 
ser difícil. Aún más complejo es mane-
jar versiones nuevas, tratamientos de 
errores y documentación cuando el 
software que se ejecuta en el mismo 
procesador tiene varias fuentes. Tam-
bién es alto el riesgo de suboptimiza-
ción, es decir, los dos módulos de soft-
ware están optimizados individualmen-
te (con respecto a potencia, rendimien-
to, tamaño de código, etc.), pero esto 
no proporciona necesariamente una so-
lución globalmente óptima.
La modularidad se puede conseguir 
también a un nivel inferior. El proto-
colo de comunicación puede conside-
rarse formado por varios bloques, co-
nocidos como capas OSI (Open Stan-
dards Interface). Dado un procedi-
miento correcto de diseño, cabe la 
posibilidad de cambiar una capa indi-
vidual por otra de una fuente diferen-
te. Como es obvio, cuanto más dividi-
do esté el código tanto más modular 
resulta. Al mismo tiempo aumenta la 
‘suboptimización’, de modo que la so-
lución dista de ser perfecta.
Normalización
Actualmente hay varias iniciativas en 
curso que buscan normalizar WSN pa-
ra el uso industrial. Una de las más 
conocidas es la norma ZigBee, que es 
una especificación inalámbrica de baja 
potencia, bajo coste y baja velocidad 
de transferencia de datos, destinada a 
electrodomésticos, juguetes, aplicacio-
nes industriales y otras similares. Zig-
Bee Alliance ha empezado a trabajar 
hace poco en un perfil para la moni-
torización de plantas industriales.
Otra importante iniciativa, la especifica-
ción inalámbrica HART [6], tiene como 
objetivo extender este famoso estándar 
al dominio inalámbrico y abrir el merca-
do al gran número de usuarios HART. 
Esta iniciativa especificará perfiles y ca-
sos prácticos en los que se podrá aplicar 
directamente el control inalámbrico.
La tercera iniciativa en marcha es la nor-
ma ISA-SP100 [6]. En vez de normalizar 
todos los elementos del sistema, ISA-
SP100 especifica sólo los niveles supe-
riores de la pila, con varias implementa-
ciones posibles a nivel inferior.
Estando en los comienzos del proceso 
es difícil predecir cuál de estas iniciati-
vas prevalecerá. Los clientes finales se-
rán los que decidan en su día basándose 
en el rendimiento y la disponibilidad de 
los productos. El reto actual es adoptar 
óptimamente la norma dominante, es 
decir, utilizar la norma en la mayor me-
dida posible, satisfaciendo al mismo 
tiempo los requisitos críticos de la mi-
sión y manteniendo/actualizando eficaz-
mente la implementación. 
La llegada de las redes de sensores ina-
lámbricos conlleva la introducción de 
muchas y apasionantes tecnologías nue-
vas en el mundo de la automatización 
industrial. El desafío tecnológico funda-
mental es mantener en un mínimo el 
consumo de energía de los nodos sen-
sores, proporcionando al mismo tiempo 
el mayor rendimiento posible a los 
usuarios del sistema. El segundo reto es 
crear un diseño modular del sistema 
que permita el mantenimiento de los 
dispositivos durante toda su vida útil, 
satisfaciendo asimismo todos los requisi-
tos de aplicación críticos de la misión.
Niels Aakvaag
ABB Corporate Research
Noruega
niels.aakvaag@no.abb.com
Jan-Erik Frey
ABB Automation Technologies
Västerås, Sweden
jan-erik.frey@se.ab.com
Bibliografia
[1] Webopedia, http://www.webopedia.com/TERME/
embedded_system.html
[2] Jan-Erik Frey, Andreas Kreitz, Guntram Scheible; 
“Desenchufado pero conectado, Parte 1: Redefi-
nición de lo inalámbrico”, Revista ABB 3/2005.
[3] Jan-Erik Frey, Jan Endresen, Andreas Kreitz, Gun-
tram Scheible; “Desenchufado pero conectado, 
Parte 2: Sensores y ejecutores inalámbricos en sis-
temas de control industrial”, Revista ABB 4/2005.
[4] ZigBee Alliance, http://www.zigbee.org
[5] HART Communication Foundation,
http://www.hartcomm.org
[6] ISA-SP100, http://www.isa.org
Nota:
1) WISA es un protocolo de ABB basado en hardware 
estándar de bajo coste (transmisores de radio de 2,4 
GHz), pero mejorado por medio de un protocolo que 
dirige específicamente la automatización de planta, 
en tiempo real, en el nivel de dispositivo de campo. 
Tecnologías de sistemas integrados
4 Métodos de hardware y software que influyen directamente en el consumo de energía de los dis-
positivos