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Prototipo de nodo para una red de sensores
inalámbricos, Sistema de Observación Costero
para la bah́ıa de Manzanillo
José de Jesús Sandoval Orozco, Fermı́n Pascual Estrada Gonzáles, Juan
Antonio Guerrero Ibáñez
Facultad de Telemática, Universidad de Colima
Av.Universidad.333, Colima, México
{jsandoval17,fermin_estrada,antonio_guerrero}@ucol.mx
http://www.ucol.mx
Resumen Las redes de sensores inalámbricas (WSN) son un importan-
te enfoque tecnológico que ha venido adquiriendo una mayor aceptación
en los últimos años, el avance en los procesos de manufactura para cons-
truir dispositivos electrónicos cada vez más pequeños, la reducción de cos-
tos de producción y la evolución en su diseño y desempeño han contribui-
do a esto. Sin embargo su implementación requiere un proyecto a medida,
cada nodo se debe diseñar de acuerdo a las necesidades de la aplicación,
aśı pues un nodo sensor con fines de monitoreo ambiental está equipado
con dispositivos e instrumentos especializados, diferentes a los que en-
contramos en uno destinado al monitoreo de la salud, o de seguridad y
vigilancia. En este trabajo se realiza un análisis de los componentes que
conforman un prototipo de nodo sensor para medir y transmitir infor-
mación de variables ambientales para un sistema de observación costero
(SOC) para la bah́ıa de Manzanillo y algunas consideraciones de diseño.
Palabras Clave: WSN • SOC • Manzanillo • Variables • Ambientales
1. Introducción
El océano, recurso importante para la supervivencia de la humanidad, cubre
cerca del 70 % de la superficie de la tierra y es una fuente vital de alimentos
gracias a la extracción de peces, moluscos, crustáceos, entre otras. En él po-
demos encontrar diferentes tipos de recursos naturales, minerales y energéticos
que ayudan al desarrollo económico y social de la población. Por esto es impor-
tante realizar una evaluación constante de la calidad del agua marina costera
para identificar fuentes de contaminación, reforzar las medidas de inspección y
vigilancia, monitoreo y control de algales nocivos (marea roja), ya que algunas
especies de fitoplancton producen toxinas, lo cual pone en riesgo la salud humana
y la integridad de los recursos pesqueros.
En el campo de investigación para el monitoreo de ambientes acuáticos (ŕıos y
océanos) podemos encontrar una gran cantidad de trabajos, que equipan instru-
mentos de medición y comunicaciones especializados para cada caso. Podemos
encontrar casos como el de OBSEA (OBservatorio Submarino ExpAnsible), ca-
racteŕıstico por poseer cableado para comunicaciones de banda ancha a través de
Ethernet por fibra óptica, aśı como de alimentación a los equipos implementados
[1]. Mientras que por otro lado proyectos como OceanSense, plantean el desplie-
gue de una red de sensores equipados además de los instrumentos de medición,
con módulos de radio para intercomunicarse de manera inalámbrica [2].Las ven-
tajas principales de poseer una infraestructura cableada son el enlace de banda
ancha, y la constante alimentación eléctrica a los dispositivos, algunas desven-
tajas son los altos costos de instalación y mantenimiento. Por esto en algunos
casos se prefiere usar alternativas diferentes como lo son las redes de sensores
inalámbricos.
Las redes de sensores inalámbricas (WSN por sus siglas en ingles) en tecno-
loǵıas de la información son redes compuestas por pequeños dispositivos denomi-
nados nodos, interconectados de forma inalámbrica a través de radio frecuencia,
caracteŕısticos por sus capacidades limitadas tanto de procesamiento como de
alimentación eléctrica, aśı como su bajo costo de producción. Cada uno de los no-
dos consta de cuatro principales componentes: sensores/actuadores, procesador,
fuente de alimentación, y radio [3].
2. Estado del Arte
En revisión de trabajos relacionados se observa una clara distinción entre dos
tipos: redes de sensores inalámbricas aéreas, y las redes de sensores acústicas
subacuáticas (Aerial Wireless Sensor Network A-WSN, y Under Water Acoustic
Sensor Network UW-ASN) [4].
El agua no es un medio eficiente de propagación para las ondas de radio,
ya que solo es posible transmitir señales de muy baja frecuencia (30 300Hz). Es
por esto que en algunos casos se prefiere utilizar señales acústicas (UW-ASN).
En el trabajo A Smart Sensor Web for Ocean Observation: System Design, Ar-
chitecture, and Performance [5] se puede observar optan utilizar comunicaciones
acústicas en un sistema de monitoreo costero. Los sistemas de comunicación ba-
sados en señales acústicas son ideales cuando se requiere el despliegue de equipos
a grandes profundidades. Una red de sensores inalámbricos aérea A-WSN con-
siste en un conjunto de nodos, cada uno con una limitada fuente de enerǵıa, que
se comunican el uno al otro por medio de módulos de radio de bajo consumo.
Además, tienen uno, o más nodos equipados con fuentes de enerǵıa más robustas
que actúan como puerta de enlace (nodo gateway, o sink). éstos se comunican
con una estación base, usando conexiones de mayor rango como satélite o GPRS
[6].
El trabajo Wireless Sensor Network for Long-term Monitoring of Aquatic
Environments: Design and Implementation [7] presenta una propuesta en la que
se utilizan comunicaciones acústicas sub acuáticas, mientras que el nodo puerta
de enlace convierte las señales acústicas en radio frecuencia, completando el
enlace a la estación base a través del medio aéreo. En este proyecto podemos
observar como ambas tecnoloǵıas son utilizadas.
Es importante mencionar que también se encuentran trabajos en los que se
utilizan comunicaciones por radio frecuencia en medios acuáticos. El proyecto
SEMAT [8] plantea una propuesta en la que deciden utilizar éste esquema, el
autor sugiere que es conveniente cuando se trabaja en ambientes demasiado
ruidosos. Sin embargo es claro observar que su limitante principal es el corto
alcance de transmisión [9]. Si se desea adentrar en los diferentes trabajos para
monitoreo de ambientes marinos utilizando redes de sensores inalámbricos, se
recomienda al lector revisar el documento [6] en el cual podrá encontrar 12 de
los más importantes proyectos del 2001 al 2010.
3. Propuesta
La zona costera de Manzanillo está compuesta por dos bah́ıas: La bah́ıa
de Santiago y la Bah́ıa de Manzanillo. Ambas son de gran importancia debido
a sus actividades tuŕısticas y comerciales, en la bah́ıa de Manzanillo podemos
encontrar el puerto comercial, que llega a registrar un promedio de 150 a 170 [10]
barcos mensuales, entre los que podemos encontrar buques portacontenedores,
graneleros, petroleros, gaseros, y otros tantos de carga mixta. A través de la
Facultad de Telemática en colaboración con la Facultad de Ciencias Marinas
(FACIMAR) de la Universidad de Colima se pretende implementar un sistema
de observación costero para ambas bah́ıas utilizando tecnoloǵıas de A-WSN.
Para esto se trabaja en desplegar un conjunto de boyas en puntos estratégicos,
equipadas con nodos sensores para realizar mediciones de variables ambientales
(ver figura 1).
Figura 1. Bahias de Manzanillo y santiago
Es necesario diseñar los nodos con las caracteŕısticas adecuadas, en la figura
2 se observan los componentes principales, y con ĺınea punteada se denotan
algunos componentes adicionales que pueden resultar de utilidad.
Primeramente abordaremos el tema de la unidad sensorial. De acuerdo con
datos extráıdos de las investigaciones en [1], y [6], y las mediciones más comunes
a tener en cuenta en un sistema de observación costero se observan en la tabla
1.
En esta parte, es necesario realizar un estudio en cuanto a los diferentes ins-
trumentos que ofrecen diversos fabricantes, y seleccionar los mejores de acuerdo
a los requisitos del proyecto: costos, tiempo de respuesta, rango de medición, y
Figura 2. Componentes de un nodo sensor
Tabla 1. Variables comunes a medir en un SOC.
Variable Unidades
Temperatura ◦C, ◦F
Presionmm Hg
Salinidad (conductividad) g/L
Velocidad de la corriente m/s
Turbidez JTU (jackson)
Clorofila µg/L
Oxigeno Disuelto mg/L
Nitratos mg/L
PH pka
Swell Altura (metros)
Algas Azules-Verdes Unidades de fluorescencia relativa
Amonio-Amoniaco Mg-1N
Cloruro Mg/L
Rodamina µg/L
Hidrocarburos ppm
variables a medir. Algunos fabricantes de instrumentos de medición para inves-
tigación oceanográfica son: seabird, nortek, ysi, aadi, y satlantic [1]. Otro factor
de gran importancia para la selección de los instrumentos es el ambiente de tra-
bajo, algunos instrumentos podrán estar a diversas profundidades, por lo que
la longitud del arnés, la atenuación de la señal, y la impermeabilidad se deben
considerar.
La unidad de procesamiento tiene la función de unir todos los subsistemas,
y algunos periféricos adicionales, su objetivo principal es el de ejecutar las ins-
trucciones pertinentes al la adquisición de datos del entorno, comunicaciones, y
autoconfiguración. Está compuesto por un procesador, una memoria no volátil
para guardar las instrucciones de programa, una memoria activa para el alma-
cenamiento temporal de los datos de la unidad sensorial, y un reloj [11]. En
este aspecto son comúnmente adoptados los micro-procesadores debido a que
integran diversos dispositivos convirtiéndola en una computadora en un simple
circuito integrado, sus componentes son: El CPU: un procesador que va des-
de los 4 bits hasta los 32 o 64 bits, una memoria volátil RAM, una memoria
ROM, EEPROM, EPROM, o flash para almacenar instrucciones y código de
programa, interfaces paralelas de entrada y salida, terminales de E/S (digitales
y/o analógicas), un generador de reloj interno (generalmente con oscilador con
cristal de cuarzo como base de tiempo externo), uno o más conversores analógico-
digital, e interfaces de comunicaciones seriales. Algunos de los más usados son:
ARM7, Atmel AVR, Intel Xscale, Intel 8051, PIC: TI MSP430, entre otras [12].
La selección del procesador a utilizar tiene que ser muy cuidadosa ya que afecta
el costo, la flexibilidad, el rendimiento y el consumo de enerǵıa del nodo. Al-
gunos factores a considerar son la capacidad de procesamiento (complejidad de
los algoritmos) y consumo energético requerido (a mayor capacidad de procesa-
miento mayor consumo.) En [1] usan el micro-controlador MSP430F2618, en [2]
el MSP430F1611 del módulo telos B, en [7] usan un AT90S8535, y en [8] usan
Atmega 128L del módulo Mica Z.
Por lo general las bateŕıas son seleccionadas como fuente de alimentación
de los nodos, están clasificados según el material electroqúımico usado para el
electrodo, pueden ser de NiCd (ńıquel-cadmio), NiZn (ńıquel -zinc), Nimh (ńıquel
metal hidruro), y Litio-Ion. Se eligen de tal manera que el nodo sensor pueda
mantenerse en operación durante cierto tiempo sin intervención humana, hasta
el siguiente mantenimiento y reemplazo de bateŕıas. Por otra parte si se desea
que el nodo sea auto sustentable en cuanto a suministro eléctrico, se le integra
un sistema de acopio de enerǵıa, para convertir la enerǵıa eólica, solar, o alguna
presente en el ambiente en enerǵıa eléctrica y con ello recargar las bateŕıas. El
módulo de radio destaca por su alto consumo energético. Por ejemplo el costo de
transmisión de 1Kb. a una distancia de 100 metros es aproximadamente el mismo
que ejecutar 3 millones de instrucciones por un procesador de 100 millones de
instrucciones por segundo, aśı pues una adquisición de datos esporádica puede
reducir el consumo de enerǵıa en comparación con un monitoreo constante. [12].
Transceptor: Las funciones de transmisión y recepción se unen en un solo
dispositivo denominado transceptor, éste se encarga de las comunicaciones con
el resto de los nodos. En las A-WSN lo más común es encontrar módulos de
radio basados en la tecnoloǵıa Zigbee, aunque también se puede utilizar otro
esquema de comunicaciones como GSM, o GPRS. Zigbee es la tecnoloǵıa más
adecuada, ya que es un estándar de comunicación orientado a aplicaciones cuyos
requerimientos principales son bajo consumo de bateŕıa, bajo costo, y no se
necesiten grandes tasas de transmisión. Está basado en el estándar 802.15.4 [13]
que define la capa f́ısica y la capa de enlace de datos para redes de área personal,
y añade servicios de red, seguridad, y aplicación. Ver figura 3.
Figura 3. Cobertura de las diferentes tecnologias
Podemos observar en los trabajos relacionados que en [1] optan por integrar
directamente los transceptores CC2520, CC2591, mientras que [2] y [8] optan
por utilizar módulos integrados (Modulo Telos B con el radio CC2420, y módulo
Mica Z con el mismo tipo de radio). Esto es porque en la historia de las WSN
se han adoptado dos enfoques diferentes. El primero trata de integrar todos los
componentes (sensores, transceptores y micro-controladores) en una sola placa.
El segundo, se enfoca en desarrollar una placa con los transceptores que se puede
conectar a la placa del microcontrolador. Esta aproximación es más flexible, los
nodos suelen estar formados por una placa de sensores o de adquisición de datos
y un mote o mota (placa de procesador y transceptor de radio). Estos sensores
se pueden comunicar con un gateway, que tiene capacidad de comunicación con
otros ordenadores y otras redes (LAN, WLAN, WPAN...) e Internet. Los motes
dotan de procesamiento y de comunicación al nodo sensor. El diseño modular
es necesario para poder reutilizar los elementos. Sin embargo, esta caracteŕıstica
implica limitaciones de diseño y se ha de tener cuidado para garantizar que
las interfaces entre módulos, hardware y software sean suficientemente generales
para permitir la interoperabilidad. Ver figura 4.
Figura 4. Diseño modular de las WSN
Algunos motes populares en el mercado son cricket, MICA, MICA Z, Telos
B, T mote, IRIS, Lotus, RF2500, wasp mote, sun SPOT, imote2 y squidbee (en-
tre otros). Algunos módulos de radio populares son CC2420, CC1000, CC2520,
de Texas instruments, que pueden ser mejorados con amplificadores como el
CC2591. Y otros como la familia Xbee, Xbee pro. Para esta investigación se pre-
tende utilizar Zigbee como sistema principal de comunicaciones (tentativamente
Xbee pro serie 2), y GSM como sistema alternativo en caso de falla. Estos dispo-
sitivos se seleccionaran en base a las caracteŕısticas y las necesidades del proyecto
(alcance, mediciones de grano fino, tasas de transferencia, escalabilidad).
Arquitectura de red. Desde el punto de vista de la arquitectura, sus com-
ponentes son: nodos sensores, nodo gateway (o nodo sink), estación base, y
la propia red inalámbrica. La red inalámbrica está comúnmente basada en el
estándar 802.15.4, sin embargo en A-WSN para SOC es frecuente encontrar una
arquitectura que utiliza tanto 802.15.4 como GPRS o GSM. Ver figura 5.
Figura 5. Arquitectura de red de una A-WSN para SOC [6]
El estándar 802.15.4 clasifica los nodos en dos diferentes de dispotisivos: los
dispositivos de funcionalidades reducidas y los dispositivos de funcionalidades
completas, RFD y FFD (por sus siglas en ingles) . Un FFD es un dispositivo
capaz de funcionar como un coordinador de la red de área personal, mientras
que un RFD no es capaz de actuar como coordinador. Los RFD están diseñados
para aplicaciones extremadamente simples, como realizar algunas mediciones o
acciones de control esporádicas, no necesitan enviar grandes cantidades de in-
formación y solo se asocian con un FFD a la vez [13]. La topoloǵıa soportada
por el estándar son en estrella, y entre iguales (peer to peer). Las ventajas de las
comunicaciones entre iguales, es que permite implementar redes más complejas,
como tipo malla, y puede ser ad hoc, auto organizada, y con capacidad de repa-
ración. Puede permitir intercambiar mensajes entre dos dispositivos a través de
múltiples saltos intermedios en otros nodos, sin embargo estas funciones pueden
ser añadidas en capas superiores, pero no son definidas por el estándar [13].Es de gran importancia conocer la ubicación de donde se realizan las medi-
ciones en el fenómeno a observar, existen diferentes sistemas de ubicación como
localización basada en rango, triangulación, escalamiento multidimensional etc.
[11]. Sin embargo los sistemas de posicionamiento global (GPS) son los más po-
pulares, e ideales para algunas aplicaciones a puertas abiertas donde se requiere
cubrir grandes distancias. Podemos observar en [1] utilizan el kit de desarro-
llo Starter-Kit STK-AARLOGIC-C01, que incluye un módulo Telit GE863-GPS
que incorpora los servicios de GSM/GPRS y GPS. Es a través del GPS que se
logra conocer la ubicación de los nodos, y adicionalmente se tiene un sistema de
comunicaciones alternativas (en caso de falla del transceptor principal) a través
de GSM o GPRS según se decida. Otros módulos GPS son GL865 quad, Sim900,
GPS module for arduino etc.
Existen diferentes simuladores de redes de sensores inalámbricos que pue-
den ser usados para la prueba de algoritmos y prototipos. En el trabajo [14] se
ha utilizado CASTALIA para la simulación de un protocolo de comunicaciones
para WSN de monitoreo de ambientes marinos denominado HYRMA (Hibrid
Routing Protocol for Marine Enviroments). En el presente trabajo se pretende
brindar una solución de hardware para HYRMA, para realizar pruebas f́ısicas
del comportamiento de éste protocolo. CASTALIA es un simulador de uso es-
pećıfico para redes de sensores inalámbricas, redes de área corporal y sistemas
empotrados de bajo consumo [15].
Ahora que se han descrito los componentes de un nodo sensor, se aborda el
tema de los dispositivos seleccionados para ésta primera etapa de la investigación.
Para este proyecto las variables más importantes a medir son temperatura,
nivel energético del nodo, posicionamiento global y aceleración. De entre todas
las posibles variables a medir éstas resultan las más importantes actualmente.
El nivel energetico es útil para conocer el tiempo de vida restante del nodo, la
temperatura para fines de investigación meteorológica, y tanto el posicionamien-
to global como la aceleración, para predecir la trayectoria de las corrientes y con
ello agilizar el cercado de derrame de aceites o qúımicos.
Como unidad de procesamiento se pretende utilizar un arduino uno, ya que
los requerimientos de procesamiento no son altos y solo deben satisfacer la de-
manda del protocolo HYRMA.
Para el transceptor a utilizar se ha decidido utilizar la tecnoloǵıa de comu-
nicaciones 802.15.4 debido a que no se necesitan grandes tasas de transferencia,
su bajo consumo de enerǵıa y al uso libre del espectro electromagnético. Exis-
ten diferentes modelos y marcas de radio, sin embargo algunos de ellos están
diseñados para integrarse en un PCB (Printed Circuit Board) y otros tienen un
diseño más versátil, como los Xbee, que permite su integración con dispositivos
para la creación de prototipos. Por esto y por facilidades de mercado se decide
utilizar un XBee S2.
4. Conclusiones
La presencia del puerto de Manzanillo trae consigo un constante tráfico de
buques entre ellos petroleros, o de diferentes qúımicos, es por esto que es impor-
tante conocer el estado de las aguas, para detectar la presencia de contaminantes
de forma inmediata, mientras que el comportamiento de las corrientes resulta
útil para conocer la probable trayectoria y con ello cercar los contaminantes
lo más pronto posible aśı como utilizar de manera estratégica y eficiente los
recursos humanos y materiales (embarcaciones, desnatadoras, cercos, material
absorbente).
La construcción de un nodo sensor para monitoreo ambiental en ecosistemas
corrosivos como el océano y las zonas costeras implican un diseño a medida capaz
de soportar las adversidades del entorno, como impermeabilidad, resistencia a la
corrosión y oxidación entre otras. Es necesario un minucioso análisis y selección
de cada uno de los componentes del nodo sensor, ya que de ellos dependerá el
desempeño global del mismo. La capacidad de procesamiento, se debe seleccionar
tomando en cuenta la robustez del sistema operativo, protocolos de enrutamiento
a utilizar, se debe considerar el crecimiento de la red (escalabilidad) y algunos
detalles de seguridad como encriptación etc. Estos detalles aunque se encuentran
fuera del alcance de este documento se deben considerar a tiempo ya que de ellos
dependerá la robustez y versatilidad del nodo. Las bateŕıas deben satisfacer la
demanda para permitir la operación continua sin intervención humana durante
periodos de tiempo prolongados. Zigbee es la tecnoloǵıa más adecuada para
este tipo de aplicaciones, su operación dentro de la banda Industrial cient́ıfica y
médica permite el uso sin licencia del espectro electromagnético. El transceptor
a utilizar afecta principalmente al consumo energético.
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