Nodo sensor

Los sensores son utilizados por los nodos de sensores inalámbricos para capturar datos de su entorno. Son dispositivos de hardware que producen una respuesta medible ante un cambio en una condición física, como la temperatura o la presión. Los sensores miden datos físicos del parámetro a monitorizar y poseen características específicas, como precisión, sensibilidad, etc. La señal analógica continua que producen los sensores se digitaliza mediante un convertidor analógico-digital y se envía a los controladores para su posterior procesamiento. Algunos sensores contienen la electrónica necesaria para convertir las señales brutas en lecturas que se pueden recuperar a través de un enlace digital (por ejemplo, I2C, SPI), y muchos convierten a unidades como °C. La mayoría de los nodos de sensores son pequeños, consumen poca energía, operan en altas densidades volumétricas, son autónomos y funcionan sin supervisión, además de ser adaptables al entorno. Dado que los nodos de sensores inalámbricos suelen ser dispositivos electrónicos muy pequeños, solo pueden equiparse con una fuente de alimentación limitada de menos de 0,5-2 amperios-hora y 1,2-3,7 voltios.

Los sensores se clasifican en tres categorías: sensores pasivos omnidireccionales, sensores pasivos de haz estrecho y sensores activos. Los sensores pasivos captan los datos sin manipular el entorno mediante sondeos activos. Son autoalimentados; es decir, solo necesitan energía para amplificar su señal analógica. Los sensores activos sondean activamente el entorno, como por ejemplo un sonar o un radar, y requieren energía continua de una fuente de alimentación. Los sensores de haz estrecho tienen una noción bien definida de la dirección de medición, similar a una cámara. Los sensores omnidireccionales no tienen en cuenta la dirección en sus mediciones.

La mayoría de los estudios teóricos sobre redes de sensores inalámbricas (WSN) parten del supuesto del uso de sensores pasivos omnidireccionales. Cada nodo sensor tiene un área de cobertura determinada que le permite informar de forma fiable y precisa sobre la magnitud que está observando. Diversas fuentes de consumo energético en los sensores son: el muestreo de señales y la conversión de señales físicas a eléctricas, el acondicionamiento de señales y la conversión analógica-digital. La densidad espacial de nodos sensores en el campo puede alcanzar los 20 nodos por metro cúbico.

El controlador realiza tareas, procesa datos y controla la funcionalidad de otros componentes en el nodo sensor. Si bien el controlador más común es un microcontrolador , otras alternativas que se pueden usar como controlador son: un microprocesador de escritorio de propósito general , procesadores de señales digitales , FPGA y ASIC . Un microcontrolador se usa a menudo en muchos nodos sensores debido a su bajo costo, flexibilidad para conectarse a otros dispositivos (o nodos en una red), facilidad de programación y bajo consumo de energía. Un microprocesador de propósito general generalmente tiene un mayor consumo de energía que un microcontrolador, lo que lo convierte en una opción poco deseable para un nodo sensor. Los procesadores de señales digitales pueden elegirse para aplicaciones de comunicación inalámbrica de banda ancha, pero en las redes de sensores inalámbricos la comunicación inalámbrica suele ser modesta: es decir, más simple, la modulación es más fácil de procesar y las tareas de procesamiento de señales de la detección de datos son menos complicadas. Por lo tanto, las ventajas de los DSP no suelen ser de mucha importancia para los nodos sensores inalámbricos. Las FPGA se pueden reprogramar y reconfigurar según los requisitos, pero esto requiere más tiempo y energía de lo deseado.

Transceptor

Los nodos sensores suelen utilizar la banda ISM , que ofrece radiofrecuencia gratuita , asignación de espectro y disponibilidad global. Las posibles opciones de medios de transmisión inalámbrica son radiofrecuencia (RF), comunicación óptica (láser) e infrarrojos . Los láseres requieren menos energía , pero necesitan línea de visión para la comunicación y son sensibles a las condiciones atmosféricas. Los infrarrojos, al igual que los láseres, no necesitan antena , pero su capacidad de transmisión es limitada . La comunicación basada en radiofrecuencia es la más relevante y se adapta a la mayoría de las aplicaciones de redes de sensores inalámbricas (WSN). Las WSN tienden a utilizar frecuencias de comunicación libres de licencia: 173, 433, 868 y 915 MHz ; y 2,4 GHz . La funcionalidad tanto del transmisor como del receptor se combina en un único dispositivo conocido como transceptor . Los transceptores a menudo carecen de identificadores únicos. Los estados operativos son transmitir, recibir, inactivo y reposo. Los transceptores de última generación tienen máquinas de estados integradas que realizan algunas operaciones automáticamente.

La mayoría de los transceptores que operan en modo inactivo tienen un consumo de energía casi igual al que consumen en modo de recepción. ^{[ 6 ]} Por lo tanto, es mejor apagar completamente el transceptor que dejarlo en modo inactivo cuando no está transmitiendo ni recibiendo. Se consume una cantidad significativa de energía al cambiar del modo de suspensión al modo de transmisión para transmitir un paquete.

Desde el punto de vista energético, los tipos de memoria más relevantes son la memoria integrada en el chip del microcontrolador y la memoria flash ; la memoria RAM externa rara vez se utiliza. Las memorias flash se utilizan por su coste y capacidad de almacenamiento. Los requisitos de memoria dependen en gran medida de la aplicación. Existen dos categorías de memoria según su finalidad: la memoria de usuario, utilizada para almacenar datos personales o relacionados con la aplicación, y la memoria de programa, utilizada para programar el dispositivo. La memoria de programa también contiene los datos de identificación del dispositivo, si los hubiera.

Un nodo sensor inalámbrico es una solución popular cuando resulta difícil o imposible conectarlo a la red eléctrica. Sin embargo, dado que el nodo sensor inalámbrico suele ubicarse en un lugar de difícil acceso, cambiar la batería con regularidad puede ser costoso e inconveniente. Un aspecto importante en el desarrollo de un nodo sensor inalámbrico es garantizar que siempre haya suficiente energía disponible para alimentar el sistema. El nodo sensor consume energía para la detección, la comunicación y el procesamiento de datos. La comunicación de datos requiere más energía que cualquier otro proceso. El coste energético de transmitir 1 Kb a una distancia de 100 metros (330 pies) es aproximadamente el mismo que el utilizado para ejecutar 3 millones de instrucciones por un procesador de 100 millones de instrucciones por segundo/W. La energía se almacena en baterías o condensadores. Las baterías, tanto recargables como no recargables, son la principal fuente de alimentación para los nodos sensores. También se clasifican según el material electroquímico utilizado para los electrodos, como NiCd (níquel-cadmio), NiZn (níquel-zinc), NiMH (hidruro metálico de níquel) e iones de litio . Los sensores de corriente pueden renovar su energía a partir de fuentes solares , radiofrecuencia (RF), diferencias de temperatura o vibración . Dos políticas de ahorro de energía utilizadas son la gestión dinámica de energía (DPM) y el escalado dinámico de voltaje (DVS). ^{[ 7 ]} DPM conserva energía apagando partes del nodo sensor que no se utilizan o no están activas. Un esquema DVS varía los niveles de potencia dentro del nodo sensor dependiendo de la carga de trabajo no determinista. Al variar el voltaje junto con la frecuencia, es posible obtener una reducción cuadrática en el consumo de energía.