UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA

FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIAS FISICAS Y FORMALES

PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA, MECANICA-ELECTRICA Y MECATRONICA

SENSORES Y TRANSDUCTORES INALAMBRICOS

MATERIA : SENSORES Y TRANSDUCTORES

DOCENTE : ING. SERGIO MESTAS RAMOS

PRESENTADO POR: DIEGO QUIROZ CRUZ

OCTAVO SEMESTRE

AREQUIPA

2013

Sensores y Transductores Inalámbricos

Introducción

En los años 90, las redes han revolucionado la forma en la que las personas y las organizaciones intercambian información y coordinan sus actividades. En ésta década seremos testigos de otra revolución; una nueva tecnología permitirá la observación y el control del mundo físico. Los últimos avances tecnológicos han hecho realidad el desarrollo de unos mecanismos distribuidos, diminutos, baratos y de bajo consumo, que, además, son capaces tanto de procesar información localmente como de comunicarse de forma inalámbrica. La disponibilidad de microsensores y comunicaciones inalámbricas permitirá desarrollar redes de sensores/actuadores para un amplio rango de aplicaciones. Esto conllevará un necesario desarrollo de modelos físicos, los cuales requieren un análisis y monitorización de datos efectivo y funcional. Un segundo reto a superar es la variabilidad de este nuevo entorno. Mientras un buen sistema distribuido se desarrolla con la fiabilidad como elemento básico, estas nuevas aplicaciones presentan un nivel de aleatoriedad más allá de lo común.

Pero la idea dominante radica en las restricciones impuestas por los sistemas en estado inactivo. Estos sistemas deben ser de bajo consumo y larga duración; tanto cuando operan como cuando permanecen a la espera. Además, como en Internet, tenemos sistemas escalables, sin embargo las técnicas tradicionales no son aplicables directamente, así que debemos desarrollar técnicas alternativas.

Definición de los sensores inalámbricos

Los sensores inalámbricos cuentan con un sensor integrado, electrónica de medición y transmisor de radio. La señal de radio es interpretada por un receptor que convierte la señal inalámbrica en una salida deseada, como una corriente analógica, USB o Ethernet, para compartir datos en una red informática.

Una gran cantidad de pequeños dispositivos, autónomos, distribuidos físicamente, llamados nodos de sensores, instalados alrededor de un fenómeno para ser monitoreado, con la capacidad de almacenar y comunicar datos en una red en forma inalámbrica.

Esquemas

Procesamiento y memoria para procesar los datos recogidos

Unidad de comunicación para transmitir y recibir datos usando alguna técnica de modulación digital.

Sensor para registrar una variable física y la convierte en un dato que entrega al transmisor a través del microcontrolador.

Batería para alimentar los diferentes componentes del nodo sensor.

Ventajas

Integración con otras tecnologías: Agricultura, biología, medicina, minería, etc. Posibilita aplicaciones impensadas. Interacción de los seres humanos con el medio: redes vehiculares, etc. Menor uso de recursos. Tiempo de vida Cobertura Costos y facilidad de instalación

Tiempo de respuesta Bajo consumo de potencia Precisión y frecuencia de las mediciones Seguridad

Desventajas

Energía Capacidad de cómputo Memoria Redes desatendidas (sin intervención humana), con alta probabilidad de fallo, lo cual se desea

aminorar con el monitoreo de estas.

Constitución

SENSORES: De distintos tipos y tecnologías los cuales toman del medio la infamación y la convierten en señales eléctricas.

NODOS DE SENSOR: Toman los datos del sensor a través de sus puertas de datos, y envían la información a la estación base.

GATEWAY: Elementos para la interconexión entre la red de sensores y una red TCP/IP. ESTACIÓN BASE: Recolector de datos. RED INALÁMBRICA: Típicamente basada en el estándar 802.15.4 ZigBee.

Beneficios

1. Seguridad

Los instrumentos inalámbricos pueden ser utilizados en lugares de difícil acceso debido a las condiciones extremas, tales como alta temperatura, pH, presión, etc. Al utilizar los sensores inalámbricos, los operadores pueden supervisar los procesos de forma continua en entornos peligrosos y reportar los datos a un operador situado a una distancia segura. La medición inalámbrica también resulta útil para la obtención de datos en lugares de difícil acceso, y donde el sensor está en movimiento y/o rotación.

2. Conveniencia

Los sensores inalámbricos se pueden utilizar para formar una red que permita al ingeniero controlar un número de lugares diferentes a partir de una estación. Esto permite la centralización, monitorización y control de un proceso o una fábrica entera. Además, algunos sensores inalámbricos tienen la capacidad de servir su propia página web, poniendo-los datos de tiempo real accesibles desde cualquier parte del mundo.

3. Reducción de costos

El control del proceso inalámbrico puede reducir el costo de la supervisión y ejecución de una fábrica, eliminando la necesidad de cables de extensión, conductos y otros accesorios costosos.

Esquema de estándares inalámbricos

Selección

Estos son algunos elementos a considerar al seleccionar un instrumento de medición inalámbrica.

Tipo de medida: Es importante entender lo que se está midiendo. Los transmisores inalámbricos (que incorporan la medición y control de proceso inalámbrico) suelen tener una función única. Los sensores están diseñados específicamente para temperatura, presión, caudal, etc, y se deben seleccionar en consecuencia.

Precisión y tiempo de respuesta: ¿Qué grado de precisión debe tener la medición, y que rapidez debe tener para ser actualizada? La mayoría de los sensores inalámbricos son tan precisos como sus contrapartes cableadas; sin embargo las lecturas se transmiten típicamente cada pocos segundos para conservar la energía de la batería. Si la medición instantánea es necesaria, se deberá

tener en cuenta a la hora de seleccionar el transmisor inalámbrico, porque algunos modelos no pueden ofrecer el tiempo de respuesta deseada.

Rango: La gama de sensores inalámbricos es muy variable. Algunos están diseñados para corto alcance, aplicaciones interiores hasta 100 metros, mientras que otros sensores pueden transmitir datos a un receptor situado a varios kilómetros de distancia.

Independientemente de la capacidad de los sensores, el rango de una señal inalámbrica está siempre limitado por las obstrucciones. La transmisión a través de máquinas, paredes y estructuras, degrada la fuerza de la señal y reduce la capacidad de alcance. Como resultado, el rango de un transmisor localizado en el interior es típicamente significativamente menor que el mismo transmisor que transmite afuera en un campo abierto.

Frecuencia: La radio frecuencia de transmisión también es importante considerarla. Las leyes varían según el país y/o región en relación a las partes del espectro inalámbrico que están disponibles para uso sin licencias específicas. En Europa, los productos inalámbricos normalmente operan en 868MHz o 2,4GHz (WiFi), y los usuarios no necesitan una licencia de radio para operar en estas frecuencias. Debido a los requisitos regulatorios, los productos pueden estar disponibles sólo en ciertas regiones.

Tipos

Transmisores

Los transmisores inalámbricos aceptan o bien un voltaje de proceso, una entrada de corriente estándar, o usan sensores tales como termopares, Pt100, transductores de presión, medidores de flujo, etc, para medir una propiedad específica en un proceso, y luego transmiten los datos a través de señales de radio a un receptor.

Receptores

Los receptores reciben e interpretan los datos inalámbricos. El receptor "lee" una señal de radio y la convierte en la salida deseada, tales como cierre de contacto, salida analógica, Ethernet o una pantalla digital. Los receptores están disponibles en recintos diseñados para entornos severos/húmedos, montaje en carril DIN, o de escritorio, haciéndolas adecuadas para aplicaciones industriales y comerciales.

Escáneres y controladores

Las pantallas, escáneres y controladores para montaje en carril DIN o en panel, están disponibles con un receptor, pantalla, y salidas integrados/as, tales como relés de alarma, retransmisión analógica y el control PID. Éstos permiten que un proceso pueda ser controlado de forma remota.

Registradores de datos

Los registradores de datos forman un tipo especial de red de medición inalámbrica ya que ofrecen

una nueva dimensión de flexibilidad al usuario final. Los registradores de datos inalámbricos pueden remotamente controlar la temperatura en cualquier lugar y luego transmitir los datos al usuario, una vez que la unidad sea llevada a un receptor.Estos sensores inalámbricos pequeños son útiles para aplicaciones que implican un elemento móvil, como alimentos siendo transportados. Al empaquetar un registrador de datos inalámbricos dentro de un contenedor de transporte, un proveedor o el mismo transportador puede asegurar y certificar que los productos fueron refrigerados hasta llegar al distribuidor o usuario final.

Aplicaciones

Aplicaciones agrícolas

La agricultura constituye una de las áreas donde se prevé que pueda implantarse con mayor rapidez este tipo de tecnología. Por ejemplo, las redes de sensores favorecen una reducción en el consumo de agua y pesticidas, contribuyendo a la preservación del entorno. Adicionalmente, pueden alertar sobre la llegada de heladas, así como ayudar en el trabajo de las cosechadoras. Gracias a los desarrollos que se han producido en las redes de sensores inalámbricos en los últimos años, especialmente la miniaturización de los dispositivos, han surgido nuevas tendencias en el sector agrícola como la llamada agricultura de precisión.

Esta disciplina cubre múltiples prácticas relativas a la gestión de cultivos y cosechas, árboles, flores y plantas, ganado, etc. Entre las aplicaciones más interesantes se encuentra el control de plagas y enfermedades. Por medio de sensores estratégicamente situados, se pueden monitorizar parámetros tales como el clima, la temperatura o la humedad de las hojas, con el fin de detectar rápidamente situaciones adversas y desencadenar los tratamientos apropiados. La gran ventaja del uso de esta tecnología es la detección a tiempo y la aplicación óptima de los pesticidas, únicamente en aquellas zonas donde resulta realmente necesario.

Sensor agrícola del proyecto LOFAR de lucha contra el hongo Fitóftora.Aplicaciones sociales y sanitarias

El cuidado de personas mayores requiere en la mayor parte de los casos de un seguimiento exhaustivo de sus actividades, lo cual limita su privacidad y al mismo tiempo supone una excesiva carga de trabajo para los cuidadores. Mediante el uso de una red de sensores inalámbricos situados en puntos estratégicos del domicilio del anciano, así como en objetos de uso cotidiano, los cuidadores pueden monitorizar en tiempo real el comportamiento de las personas mayores, evitando la realización de tareas tediosas y centrándose en aspectos más importantes como es la mejora de su calidad de vida.

Adicionalmente, el cuidado médico tanto en hospitales como fuera de los mismos, por ejemplo la rehabilitación de pacientes, también se beneficia del uso de esta tecnología. Un ejemplo de ello es el proyecto CodeBlue, desarrollado en la Universidad de Harvard. En este caso se han implementado distintos tipos de sensores para la monitorización de parámetros vitales: tasa de latidos del corazón, concentración de oxígeno en sangre, datos EKG de electrocardiograma, etc. Toda esta información se recoge por los sensores y se distribuye de forma inalámbrica a una PDA u ordenador portátil para su procesamiento. De este modo, cualquier señal de alerta puede detectarse a distancia en tiempo real.

Sensores para cuidado médico desarrollados en el proyecto CodeBlue.

Aplicaciones en la naturaleza

El mantenimiento y cuidado de espacios y parques naturales resulta complejo en gran medida por las especiales características de los mismos. Se trata de áreas de grandes dimensiones, en algunos casos de difícil acceso, que están repletos de especies vegetales y animales que hay que preservar, por lo que la supervisión de los mismos debe realizarse empleando métodos lo menos intrusivos posibles.

Nuevamente las redes inalámbricas de sensores pueden resultar de gran ayuda en este tipo de tareas. Los sensores, de pequeño tamaño, pueden disimularse con en el entorno, procesando los datos de diversos parámetros ecológicos y transmitiendo la información de forma inalámbrica hasta un centro de control, situado normalmente en la caseta de los guardias forestales. De este modo, se evita en la medida de lo posible la circulación de personas y vehículos por el parque. Entre los parámetros a

monitorizar podemos enumerar: temperatura, humedad, crecimiento de árboles y arbustos, desplazamientos de especies, conteo de animales, caudales de ríos, etc.

Aplicaciones civiles y militares

IrisNet es una arquitectura software desarrollada por Intel para la gestión de redes mundiales de sensores de diversos tipos, incluyendo vídeo, permitiendo el acceso distribuido a dichos sensores de una forma potente y eficiente. Cuando el número de dispositivos crece de forma significativa, como es el caso de telarañas mundiales de sensores, resulta clave disponer de herramientas eficientes para el acceso a los mismos, en especial por el elevado consumo de ancho de banda. En el proyecto IrisNet se han demostrado distintas aplicaciones prácticas que hacen uso de dicha herramienta. Entre ellas se incluyen las siguientes:

Localización de plazas libres en párkings Vigilancia de niños y personas mayores mediante videocámaras Seguridad del hogar Avisador de riesgo de epidemias (gripe, fiebres, etc.) Monitorización de redes de ordenadores Observatorios terrestres y marítimos (costas)

Además de las propias aplicaciones civiles, las redes de sensores inalámbricos encuentran un importante campo de aplicación en misiones militares. Por ejemplo, en la identificación y seguimiento de tropas o vehículos militares, así como en la detección de armas químicas y biológicas.

Sensor inalámbrico de presión para pozos de petróleo.

Consideraciones Finales

En la actualidad, la tecnología de sensores inalámbricos se encuentra en plena efervescencia. Es por ello que se espera que en los próximos años evolucione de forma significativa. Las investigaciones apuntan en direcciones relativamente claras. Resulta fundamental disponer de sensores de pequeño tamaño y gran autonomía, por lo que se investiga tanto en técnicas de miniaturización como de bajo consumo de potencia. Si bien el uso de pequeñas baterías es la opción más simple, resultaría clave disponer de técnicas para la alimentación remota e inalámbrica de dichos sensores.

Adicionalmente, también son muy importantes los protocolos de comunicación y los interfaces radioeléctricos (Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX, FHSS, ...), especialmente conforme aumenta el número de dispositivos y las potenciales interferencias. Por último, las técnicas de inteligencia artificial se han aplicado ya con éxito en algunas experiencias, lo que sin lugar a dudas augura un futuro más que prometedor para esta tecnología.

Bibliografía

Redes de sensores inalámbricos. http://www.uv.es/~montanan/ampliacion/trabajos/Redes%20de%20Sensores.pdf

Redes de sensores inalámbricos. http://profesores.elo.utfsm.cl/~tarredondo/info/networks/Presentacion_sensores.pdf

Sensores y transmisores inalámbricos.http://es.omega.com/prodinfo/sensores-inalambricos-transmisores_es.html

Redes de sensores inalámbricos.http://www.radioptica.com/sensores/