Aplicación de Redes Sensoras

Redes de Telecomunicaciones
Tarea 8

Nombre del documento:
Deploying a wireless sensor network on an active volcano

Autores:
Geoffrey Werner-Allen, Konrad Lorincz, Matt Welsh, Omar Marcillo, Jeff Johnson, Mario Ruiz y Jonathan Lees

Enlace:
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1607983

Introducción

El aumento de peso y necesidad de mayor capacidad para recolección de datos con sensores de red inalámbricos mas pequeños y ligeros, es una tarea que requiere gran desarrollo. Matrices que contienen decenas de sensores de red inalámbricos ahora son posibles, permitiendo nuevos estudios científicos que antes no eran posibles con instrumentos tradicionales.

El diseño de redes de sensores para apoyar los estudios volcánicos requiere abordar las altas tasas de datos y alta fidelidad de los datos que estos estudios demandan. La aplicación de redes de sensores se basa en la detección de eventos y recuperación de datos de manera confiable lo cual demanda un gran ancho de banda y calidad en el envío de los datos.

Redes de sensores inalámbricos, en los que numerosos nodos de recursos limitados están conectados a través de radios de señal inalámbrica de bajo ancho de banda, han sido el foco de una intensa investigación durante los últimos años. Desde su concepción, se han emocionado una variedad de comunidades científicas debido a su potencial para facilitar la adquisición y estudios científicos de datos.

La colaboración entre científicos de la computación y otros científicos han producido redes que pueden grabar datos a una gran escala y cuya resolución no era posible anteriormente. Tomando este progreso a un paso más allá, las redes de sensores inalámbricos potencialmente pueden avanzar en la realización de estudios geofísicos de la actividad volcánica.

El estudio de los volcanes activos suele implicar redes de sensores para la recolección de señales sísmicas y sonidos infrasónicos.

En contraste con el equipo de adquisición de datos volcánica existente, los nodos usados en esta investigación son más pequeños, más ligeros y consumen menos energía. La distribución espacial resultante facilita en gran medida los estudios científicos de los fenómenos de propagación de ondas y los mecanismos de origen volcánico.

Además la solicitud de recolección de datos volcánica presenta numerosos problemas informáticos. El estudio de los volcanes activos requiere alta velocidad en la transmisión de datos, alta fidelidad de los datos y matrices dispersas con alta separación espacial entre los nodos.

La intersección de estas exigencias científicas con las capacidades actuales de nodos de redes de sensores inalámbricos, crea difíciles problemas informáticos que requieren investigación e ingeniería moderna.

Redes de sensores para la vigilancia volcánica

Las redes de sensores inalámbricos pueden ayudar en gran medida a la comunidad geofísica. Una estación de recolección de datos volcánica típica de hoy consiste en un grupo de componentes voluminosos, pesados, con gran demanda de energía que son difíciles de mover y requieren baterías de coche para su abastecimiento.

La adquisición de datos a menudo requiere de vehículos o ayuda de helicópteros para la instalación y mantenimiento del equipo. El almacenamiento local es también un factor limitante, ya que las estaciones suelen registrar datos en una tarjeta de almacenamiento Flash o en unidades de disco duro, las cuales los investigadores deben obtener constantemente, lo que requiere que vuelvan periódicamente a cada estación.

Estas limitaciones hacen que sea difícil desplegar grandes redes de los equipos existentes, tales experimentos a gran escala podrían ayudar a lograr importantes conocimientos sobre funcionamiento interno de volcanes.

La tomografía volcánica, por ejemplo, es un enfoque para el estudio de la estructura del interior de volcanes. Recolección y análisis de señales desde múltiples estaciones puede producir asignaciones precisas del edificio volcánico.

Estudios como estos podrían ayudar a resolver debates sobre los procesos físicos en el movimiento del interior de un volcán. La comunidad geofísica ha establecido herramientas y técnicas que se utilizan para procesar las señales obtenidas por las redes de recolección de datos volcánicas.

Estos métodos analíticos requieren que nuestras redes inalámbricas de sensores proporcionan datos de muy alta fidelidad, ya que una sola muestra perdida o dañada puede invalidar un registro completo. Las pequeñas diferencias en las frecuencias de muestreo entre dos nodos también pueden frustrar el análisis, por lo que las muestras deben estar sincronizadas en tiempo con precisión, para permitir comparaciones entre nodos y entre redes.

La grabación de eventos individuales no responde adecuadamente a todas las preguntas científicas que plantean los vulcanólogos. De hecho, la comprensión de las tendencias a largo plazo requiere de formas de onda completa que abarca largos intervalos de tiempo. Sin embargo, poco ancho de banda en los nodos de sensores inalámbricos los hace inadecuados para este tipo de estudios, por lo que nos hemos centrado en la recopilación de eventos desencadenados en el diseño de nuestra red.

Estudios volcánicos también requieren grandes separaciones entre nodos para obtener puntos de vista muy distantes de las señales sísmicas y de infrasonidos a medida que se propagan. Configuraciones de matriz a menudo comprenden una o más posibles intersecciones de las líneas de sensores, y da como resultado topologías que plantean nuevos retos para el diseño de redes de sensores, dado que gran parte del trabajo anterior se ha centrado en redes densas en el que cada nodo tiene varios vecinos.

Operación típica de una red

Cada muestra de datos recoge la señal de 2 a 4 canales acústicos a 100 Hz, y almacenando los datos en la memoria flash local. Los nodos también transmiten periódicamente mensajes de estado y llevan a cabo la sincronización de tiempo.

Cuando un nodo detecta un evento interesante, enruta un mensaje a la computadora portátil de la estación base. Si suficientes nodos informan de un caso, en un corto intervalo de tiempo, el ordenador portátil inicia la recolección de datos, que se desarrolla por turnos.

Las descargas desde el ordenador portátil tardan entre 30 y 60 segundos para la adquisición de datos de cada nodo utilizando un protocolo de recogida de datos fiable, asegurando que el sistema recupera todos los datos almacenados en el buffer del evento. Cuando la recolección de los datos se completa, los nodos vuelven a muestrear y almacenar los datos del sensor.

Gran cantidad de datos: altas tasas de detección de eventos y almacenamiento en buffer

Los nodos pueden obtener datos más rápido de lo que pueden transmitirlos.

Simplemente los datos de registro para almacenamiento local para su posterior recuperación es también factible para estas aplicaciones. La memoria flash del dispositivo se llena en unos 20 minutos al grabar dos canales de datos a 100 Hz. Afortunadamente, muchos eventos volcánicos interesantes caben en el buffer.

Durante un terremoto o una explosión típica en el volcán, 60 segundos de datos de cada nodo es adecuado. Cada nodo sensor almacena los datos de la muestra en su memoria flash local, que tratamos como un buffer circular. Cada bloque de datos es una marca de tiempo con la hora del nodo local, que más tarde se asigna a una hora de la red global.

Cada nodo ejecuta un detector de evento en los datos muestreados a nivel local. Buenos algoritmos de detección de eventos producen altas tasas de detección, manteniendo pequeñas tasas de falsos positivos. La sensibilidad del algoritmo de detección que enlaza estos dos métricas, un detector más sensible identifica correctamente más eventos a expensas de producir más falsos positivos.

Cajas del dispositivo sensor y configuración física

Un solo nodo sensor de red, con su tarjeta de interfaz y su soporte de la batería estaban ubicadas en un pequeño estuche resistente a la intemperie y al agua, como se muestra en la imagen. Se instalan conectores ambientales a través de la caja, dejando que se conecten los cables de los sensores externos y las antenas sin tener que abrir la caja y molestar al interior. Para trabajar en condiciones de humedad y arena, estos conectores externos se convirtieron en un gran ventaja.

Ubicación de red y topología

Se instalaron estaciones en una configuración más o menos lineal que irradia lejos de la ventilación del volcán y produjo una abertura de más de tres kilómetros. Se ha tratado de colocar las estaciones tan distantes como las radios de cada nodo lo permita.

A pesar de que las antenas podrían mantener enlaces de radio de más de 400 metros, la geografía en el sitio de implantación requiere en ocasiones la instalación de estaciones adicionales para mantener la conectividad de radio. Otras veces, se desplegaron nodos esperando que se comunique con su vecino inmediato, pero más tarde se observó que estos nodos fueron pasados por alto por sus compañeros más cercanos, en favor de un nodo más cercano a la estación base.

La mayoría de los nodos se comunican con la estación base a través de tres o menos saltos, pero en unos pocos los datos se mueven a través de hasta seis nodos.

Además de los nodos de sensores, se utilizaron varias otras piezas de equipo. Tres radio módems Freewave que proporcionan un enlace de radio fiable a larga distancia entre la red de sensores y el ordenador portátil del observatorio. Cada Freewave requiere una batería de coche para la energía y se recarga con paneles solares. Un pequeño número de nodos de redes de sensores desempeñó papeles secundarios. Una interfaz entre la red y el módem Freewave y otro fue conectado a un receptor GPS para proporcionar una base de tiempo global.

Resultados

El ejemplo de un terremoto típico en la red fue registrado. Mediante el examen de los datos descargados de la red, se verificó que los detectores de eventos locales y globales están funcionando correctamente. Como se ha descrito, se desactivó el muestreo durante la recolección de datos, lo que implica que el sistema no ha podido grabar dos eventos uno tras otro. En algunos casos, esto significa que un pequeño movimiento sísmico desencadenaría la recopilación de datos, y se perdería una gran explosión poco después. Se tiene la intención de volver al enfoque de la detección de eventos y la recopilación de datos para tener esto en cuenta en una próxima mejora al sistema de red de sensores.

Conclusiones

En una buena implementación de redes de sensores inalámbricos es necesario tomar en cuenta varios factores que podrían afectar en la recuperación en tiempo real de datos así como la obtención de datos de alta fidelidad, como lo puede ser la cantidad de nodos en la red, la distancia entre ellos, el radio de transmisión que pueden abarcar cada uno de ellos, además de la duración de la batería que los abastece de energía eléctrica. Pensando en todo esto, es posible establecer cuál es la mejor ubicación para los nodos, con el fin de que estos puedan transferir su información sin errores hasta la estación de monitoreo.

En el caso planteado de la red de sensores inalámbricos en la zona aledaña a un volcán activo, es necesario implementar la detección correcta de datos sobresalientes, ya que por la poca capacidad de los nodos de almacenar y transmitir los datos al mismo tiempo, es posible detectar una pequeña vibración que se tome como dato interesante y que al estarse transmitiendo esta información a la base, ocurra otro acontecimiento de mayor importancia el cual no pueda ser registrado por que el nodo actualmente esta ocupado enviando la información del evento anterior, lo cuál puede provocar la pérdida de información valiosa para la investigación. Mecanismos más avanzados en el almacenamiento de la información pueden ser implementados para evitar esta pérdida de información, tratando de almacenar la información por un periodo más largo de tiempo antes de ser enviados, y de ser posible poder ser procesados para confirmar si es una muestra de datos relevante o no.

Referencia:
Geoffrey Werner-Allen, Konrad Lorincz, Matt Welsh, Omar Marcillo, Jeff Johnson, Mario Ruiz y Jonathan Lees, "Deploying a wireless sensor network on an active volcano", en Sensor-Network Applications, 2006, pp. 18-25.