Un nodo sensor (también conocido como mote en América del Norte ) consiste en un nodo individual de una red de sensores que es capaz de realizar una acción deseada, como recopilar, procesar o comunicar información con otros nodos conectados en una red.
Aunque las redes de sensores inalámbricos existen desde hace décadas y se utilizan para diversas aplicaciones, como mediciones de terremotos o guerra, el desarrollo moderno de pequeños nodos de sensores se remonta al proyecto Smartdust de 1998 [1] y la NASA. Sensor Web [2] Uno de los objetivos del proyecto Smartdust era crear detección y comunicación autónomas dentro de un milímetro cúbico de espacio, aunque este proyecto terminó pronto, dio lugar a muchos más proyectos de investigación y centros de investigación importantes como The Berkeley NEST [3] y CENS. [4] Los investigadores involucrados en estos proyectos acuñaron el término mote para referirse a un nodo sensor. El término equivalente en el Proyecto Sensor Webs de la NASA para un nodo sensor físico es pod , aunque el nodo sensor en una Sensor Web puede ser otra Sensor Web en sí. Los nodos sensores físicos han podido aumentar su eficacia y su capacidad en conjunción con la Ley de Moore . La huella del chip contiene microcontroladores más complejos y de menor potencia . Por lo tanto, para la misma huella de nodo, se puede incluir más capacidad de silicio en ella. Hoy en día, los motes se centran en proporcionar el mayor alcance inalámbrico (docenas de kilómetros), el menor consumo de energía (unos pocos uA) y el proceso de desarrollo más sencillo para el usuario. [5]
Los componentes principales de un nodo sensor generalmente incluyen un microcontrolador , un transceptor , una memoria externa , una fuente de alimentación y uno o más sensores .
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 a un cambio en una condición física como la temperatura o la presión. Los sensores miden datos físicos del parámetro que se va a monitorear y tienen características específicas como precisión, sensibilidad, etc. La señal analógica continua producida por los sensores se digitaliza mediante un convertidor analógico a 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 de tamaño pequeño, consumen poca energía, operan en altas densidades volumétricas, son autónomos y funcionan sin supervisión, y se adaptan al entorno. Como los nodos de sensores inalámbricos son típicamente dispositivos electrónicos muy pequeños, solo pueden equiparse con una fuente de energía 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 detectan los datos sin manipular realmente el entorno mediante un sondeo activo. Son autoalimentados, es decir, solo necesitan energía para amplificar su señal analógica. Los sensores activos sondean activamente el entorno, por ejemplo, un sensor de radar o sonar, y requieren energía continua de una fuente de alimentación. Los sensores de haz estrecho tienen una noción bien definida de la dirección de la medición, similar a una cámara. Los sensores omnidireccionales no tienen noción de la dirección involucrada en sus mediciones.
La mayor parte de los trabajos teóricos sobre redes de sensores inalámbricos (WSN) asumen el uso de sensores pasivos omnidireccionales. Cada nodo sensor tiene una determinada área de cobertura para la cual puede informar de manera confiable y precisa la cantidad particular que está observando. Algunas de las fuentes de consumo de energía en los sensores son: el muestreo de señales y la conversión de señales físicas a eléctricas, el acondicionamiento de señales y la conversión de señales analógicas a digitales. La densidad espacial de los nodos sensores en el campo puede ser de hasta 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 de 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 indeseable para un nodo sensor. [ cita requerida ] 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 a menudo es modesta: es decir, más simple, más fácil de procesar la modulación y las tareas de procesamiento de señales de detección real de datos son menos complicadas. Por lo tanto, las ventajas de los DSP no suelen ser de mucha importancia para los nodos de sensores inalámbricos. Los FPGAs se pueden reprogramar y reconfigurar según los requisitos, pero esto requiere más tiempo y energía de lo deseado. [ cita requerida ]
Transceptor
Los nodos de sensores a menudo hacen uso de la banda ISM , que proporciona radio libre , 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, como 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 WSN. Las WSN tienden a utilizar frecuencias de comunicación sin licencia: 173, 433, 868 y 915 MHz ; y 2,4 GHz . La funcionalidad tanto del transmisor como del receptor se combinan en un solo dispositivo conocido como transceptor . Los transceptores a menudo carecen de identificadores únicos. Los estados operativos son transmitir, recibir, inactivo y dormir. Los transceptores de la generación actual tienen máquinas de estados integradas que realizan algunas operaciones automáticamente.
La mayoría de los transceptores que funcionan en modo inactivo tienen un consumo de energía casi igual a la energía consumida en modo de recepción. [6] Por lo tanto, es mejor apagar completamente el transceptor en lugar de 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 una perspectiva energética, los tipos de memoria más relevantes son la memoria en chip de un microcontrolador y la memoria Flash ( la RAM fuera del chip rara vez se utiliza, o nunca). Las memorias Flash se utilizan debido a su coste y capacidad de almacenamiento. Los requisitos de memoria dependen en gran medida de la aplicación. Dos categorías de memoria basadas en el propósito del almacenamiento son: 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 datos de identificación del dispositivo, si están presentes.
Un nodo sensor inalámbrico es una solución popular cuando es difícil o imposible suministrar una fuente de alimentación a la red eléctrica. Sin embargo, dado que el nodo sensor inalámbrico suele estar ubicado en un lugar de difícil acceso, cambiar la batería con regularidad puede resultar 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 detectar, comunicarse y procesar datos. Se requiere más energía para la comunicación de datos que para cualquier otro proceso. El costo de energía de transmitir 1 Kb a una distancia de 100 metros (330 pies) es aproximadamente el mismo que el utilizado para la ejecución de 3 millones de instrucciones por un procesador de 100 millones de instrucciones por segundo/W. [ cita requerida ] La energía se almacena en baterías o condensadores. Las baterías, tanto recargables como no recargables, son la principal fuente de suministro de energía para los nodos sensores. También se clasifican según el material electroquímico utilizado para los electrodos, como NiCd (níquel-cadmio), NiZn (níquel-zinc), NiMH (níquel-hidruro metálico) y litio-ion . Los sensores actuales 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] El DPM conserva la energía apagando partes del nodo sensor que no se utilizan o no están activas actualmente. Un esquema DVS varía los niveles de energía 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.