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GESTIÓN DE LA ENERG Í A CON REDES DE SENSORES Máster Universitario en Profesorado de Educación Secundaria Obligatoria y Bachillerato, Formación Profesional y Ense ñanza de Idiomas

Realizado por: Andrés Maldonado López. Asignatura: Informática para centros TIC Trabajo: Realización de trabajo con OpenOffice Writer


ÍNDICE 1. Introducción........................................................................................................................1 2. Objetivos............................................................................................................................2 3. Sensores Sun SPOT..........................................................................................................3 3.1. Sun SPOT Manager...................................................................................................3 4. Estudio WiFi.......................................................................................................................6 5. Equipos usados..................................................................................................................8 5.1. Estudios de potencia recibida.....................................................................................9 5.1.1. Medición 1.........................................................................................................10 5.1.2. Medición 2.........................................................................................................11 5.1.3. Medición 3.........................................................................................................14 5.1.4. Medición 4.........................................................................................................15 5.1.5. Comparativa......................................................................................................15 6. Conclusiones....................................................................................................................16


Índice de Ilustraciones Ilustración 1: Sun SPOT Manager Tool..................................................................................4 Ilustración 2: Menu Properties...............................................................................................4 Ilustración 3: Coexistencia entre WiFi y 802.15.4.................................................................6 Ilustración 4: Estudio WiFi.....................................................................................................6 Ilustración 5: Escenario..........................................................................................................8 Ilustración 6: Medición 1......................................................................................................10 Ilustración 7: Medición 2.......................................................................................................11 Ilustración 8: Comparativa de las mediciones.....................................................................12 Ilustración 9: Medición 3......................................................................................................14 Ilustración 10: Medición 4....................................................................................................15 Ilustración 11: Compartiva....................................................................................................15


Ă?ndice de tablas Tabla 1: Uso de canales WiFi................................................................................................7 Tabla 2: Potencias de uso de Sun SPOT..............................................................................9


GESTIÓN DE LA ENERGÍA CON REDES DE SENSORES

1. Introducción En el presente proyecto de investigación docente, se va a realizar un estudio de gestión de la energía en redes de sensores. Para ello vamos a hacer uso de conceptos de la gestión de redes como el control y la monitorización. Para realizar el control de la red de sensores haremos uso de la herramienta Sun SPOT Manager, con la cual podremos gestionar y controlar los sensores Sun SPOT. Así pues, se podrá establecer los distintos canales y potencias de emisión. También se podrá realizar el control mediante comandos ant. Por otro lado, en el campo de monitorización utilizaremos un software instalado en un Sun SPOT, el cual tras conectarlo a un PC, nos mostrará por consola la potencia recibida. Otro aspecto a resaltar dentro de este campo, es el uso de un analizador de espectro, con el cual se podrá monitorizar el espectro de la red WiFi, la cuál pueden ocasionar interferencias con nuestros sensores. Sistema de Gestión de Contenidos (CMS) escrito en PHP que utiliza MySQL como base de datos. Es completamente gratuito y está en constante desarrollo.

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2. Objetivos Los objetivos de este proyecto de investigación docente, para la asignatura de: Gestión de redes de telecomunicaciones, son los siguientes: •

Familiarización con kit de sensores Sun SPOT.

Familiarización con kit de desarrollo software de los sensores Sun SPOT Manager.

Estudio en distancias cortas de la potencia recibida. Se utilizarán dos sensores Sunspot (uno para transmitir y otro para recibir).

Caracterización para distintos niveles de potentia transmitida.

Realización de diversas gráficas para analizar la potencia recibida en los distintos casos.

Estudio de las posibles anomalias en las gráficas.

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3. Sensores Sun SPOT SunSPOT (Sun Small Programmable Object Technology) es un sensor para WSN desarrollado por Sun Microsystems (en la actualidad Oracle). El aparato está construido bajo el estándar IEEE 802.15.4. Al contrario de otros nodos inalámbricos, el SunSPOT está construido bajo la maquina virtual Java Squawk. El dispositivo SPOT es programable utilizando J2ME CLDC 1.1. Algunas de las características hardware más reseñables que presenta el dispositivo son: •

400 MHz ARM 926ej-S Processor AT91SAM9G20

8Mbytes Flash Memory (4M x 16)

1Mbytes SRAM Memory (512K x 16)

802.15.4 Radio Transceiver (CC2420)

USB 2.0 Full Speed

770mAhr Li-Ion Rechargeable Battery Este dispositivo ofrece una cantidad de recursos muy superior a los vistos hasta

ahora. Además, existen gran variedad de herramientas para el soporte a la aplicación en J2ME. Sin embargo, no es posible programar el dispositivo en otro lenguaje y, según la especificación de la máquina virtual, no soporta la integración del middleware RMI.

3.1. Sun SPOT Manager Como se ha comentado en la introducción, el software Sun SPOT Manager nos permite realizar el control de los sensores, configurando la potencia de transmisión ó el canal deseado. El entorno de trabajo es el siguiente:

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Ilustración 1: Sun SPOT Manager Tool

Diversas son las funcionalidades que nos ofrece esta aplicación. En nuestro caso sólo vamos a utilizar la herramienta "Properties"

utilizada para configurar nuestros

sensores. Así pues, el interfaz correspondiente a esta opción es:

Ilustración 2: Menu Properties

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Son varias las propiedades que nos ofrece el interfaz. En nuestro caso vamos a utilizar "radio.transmit.power" y "radio.channel", para seleccionar la potencia de emisión y el canal radio respectivamente. Aunque este interfaz de gestión de redes, al estar en pleno desarrollo suele dar diversos errores de funcionamiento. Un error típico es que para acceder a este interfaz se debe de estar conectado a la red, ya que se conecta a un servidor de sunspotworld para realizar actualizaciones. Así pues, si ese servidor se cae, no se puede configurar los dispositivos. Una posible solución a este problema es utilizar comandos ant, con los cuales se puede configurar y gestionar los sensores de una manera sencilla mediantes comandos en shell. A continuación veremos un ejemplo de comandos: ant set-system-property -Dkey=radio.transmit.power -Dvalue=31 -Dport=com28 ant set-system-property -Dkey=radio.channel -Dvalue=25 -Dport=com28

Con lo que conseguimos el mismo resultado que trabajando con el interfaz Propierties del Sun SPOT Manager, es decir, en este caso, se introduce el valor 31 para transmitir en el canal radio 25.

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4. Estudio WiFi Téngase en cuenta que la elección del canal radio no ha sido al azar, ya que como se ha comentado anteriormente, los sensores SunSPOT trabajan en la banda de los 2.4 GHz y pueden existir interferencias con WiFi invalidando las mediciones realizadas en este proyecto de investigación docente. Así pues, en la siguiente figura se puede observar un ejemplo del problema de coexistencia entre WiFi y 802.15.4.

Ilustración 3: Coexistencia entre WiFi y 802.15.4 En este ejemplo se considera que los canales WiFi utilizados son 2, 7 y 12, con lo que se puede observar la gran cantidad de canales del estándar 802.15.4, que tendrían un alto grado de interferencias. Así pues, nos vemos en una necesidad de realizar un estudio de la utilización de canales WiFi en nuestra zona de medida. Dicho estudio se ha realizado con el analizador de espectro Channalyzer Pro, cuyos resultados son los siguientes:

Ilustración 4: Estudio WiFi Página 6


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Tabla de resultados: Channel 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Grade 86,1 84 85,4 87,4 89,8 91,5 90,7 89,3 86,5 84,8 86,2 89,1 93,4

Duty Cycle 6,10% 6,10% 4,70% 3,70% 2,90% 3,20% 4,00% 4,80% 6,40% 7,10% 6,20% 5,10% 3,30%

Average -69 -65,5 -66 -65,5 -64,5 -64,5 -67 -68 -71,5 -71 -74,5 -82,5 -84

Current -87 -90 -90 -90 -94 -97 -98 -88 -88 -84 -84 -86 -86

Noise Floor Access Points -108,5 4 -107,5 0 -107,5 0 -107,5 3 -108,5 0 -109,5 1 -110 0 -110 6 -109 0 -107,5 0 -107,5 9 -108,5 0 -110 0

Max -49 -45,5 -46 -46 -44,5 -44,5 -47 -48 -51,5 -51,5 -55 -65 -65

Tabla 1: Uso de canales WiFi Por lo tanto, se ha verificado que en el lugar donde se realizaran las mediciones no se producen interferencias con WiFi.

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5. Equipos usados Tanto para realizar la transmisión como la recepción de los datos, se han utilizado sensores SunSPOT. En dichos sensores se han instalado distintas rutinas (J2ME). Así pues, las rutinas utilizadas son las siguientes: •

signalbeacon: Utilizado en el transmisor, este código simplemente envía una secuencia ilimitada de datos, con una potencia y un canal determinado.

signalscanner: Utilizado en el receptor, este código realiza un escaner en un canal determinado y muestra por consola la potencia recibida en dBm. Así pues, el escenario en el que se va a trabajar se representa en la siguiente

figura:

Ilustración 5: Escenario Vease un ejemplo del resultado por pantalla obtenido con el uso de las aplicaciones anteriores. Téngase en cuenta que estamos dentro del campo de monitorización ya que estamos visualizando la potencia recibida. [java] [waiting for reset] <tr><td></td><td>0014.4F01.0000.580F </td><td>-22 </td><td>108</td><td>246</td></tr> En este ejemplo como se puede observar, estamos recibiendo –22 dBm.

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5.1. Estudios de potencia recibida En dicho estudio se van a hacer distintas mediciones con varias potencias de emisión. Las potencias utilizas por el sensor SunSPOT las podemos ver en la siguiente tabla:

Tabla 2: Potencias de uso de Sun SPOT Así pues, la máxima potencia de emisión es con un PA_LEVEL de 31, el cual tiene una equivalencia a 0 dBm. Para caracterizar este estudio se ha optado por realizar tres pruebas: a 0 dBm, -7 dBm y -25 dBm, correspondientes a un nivel 31, 15 y 3. Por lo tanto, sin más dilaciones los resultados obtenidos son los siguientes:

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5.1.1. Medición 1 •

Potencia de emisión: 0 dBm

Altura de receptor y emisor: 1.5 metros

Localización: desde la dependencia B-207 hasta la B-212 (edificio B. 2ª Planta. E.P.S. de Linares).

Ilustración 6: Medición 1 Téngase en cuenta que en la localización donde se ha realizado esta medición no existe interferencia WiFi, tal y como se trató en el punto 5, pero aún así, en este pasillo pueden existir una gran diversidad de reflexiones y atenuaciones, provocadas por las distintas puertas, ventanas e incluso el ascensor. Por lo tanto, tenemos la necesidad de verificar estas mediciones en espacio libre. Para así no tener ningún obstáculo que produzca alguna posible anomalía.

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5.1.2. Medición 2 •

Potencia de emsión: 0 dBm

Altura de receptor y emisor: 1.5 metros

Localización: patio (edificio B. Planta Baja. E.P.S. de Linares).

Ilustración 7: Medición 2 Se puede observar claramente como esta medición tiene un aspecto similar a la anterior. En ambas gráficas cae la potencia recibida en unos pocos metros y seguidamente se mantiene prácticamente constante. Aún así, veamos las gráficas conjuntas para poder afirmar con seguridad que tienen un aspecto similar.

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Ilustración 8: Comparativa de las mediciones

Se confirma nuestra anterior premisa, las mediciones obtenidas son de un aspecto similar, luego podemos afirmar que son correctas. Como se dijo anteriormente, en estas gráficas se observa como la potencia cae muy rápido en pocos metros y luego se mantiene mas o menos constante, teniendo las gráficas una forma similar a una exponencial negativa. Esto es debido al transmisor radio que utiliza el sensor (CC2420), en el cual en su datasheet se muestra su diagrama de radiación de una forma similar a los resultados obtenidos. Además téngase en cuenta que nuestro sensor utilizado para realizar las mediciones no está preparado físicamente para realizar mediciones muy cercanas al transmisor (0-3 metros), debido al concepto de campo cercano y campo lejano que trataremos a continuación. Así pues, el campo de radiación que se encuentra cerca de una antena no es igual que el campo de radiación que se encuentra a gran distancia. El término campo cercano

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se refiere al patrón de campo que esta cerca de la antena, y el término campo lejano se refiere al patrón de campo que está a gran distancia. Durante la mitad del ciclo, la potencia se irradia desde una antena, en donde parte de la potencia se guarda temporalmente en el campo cercano. Durante la segunda mitad del ciclo, la potencia que esta en el campo cercano regresa a la antena.

Esta acción es similar a la forma en que un inductor guarda y suelta energía. Por tanto, el campo cercano se llama a veces campo de inducción. La potencia que alcanza el campo lejano continua irradiando lejos y nunca regresa a la antena por lo tanto el campo lejano se llama campo de radiación. La potencia de radiación, por lo general es la mas importante de las dos.

Así pues, para realizar la mediciones correspondientes en distancias muy cercanas al sensor (0 – 3 metros), necesitaríamos un equipo adecuado del cual no disponemos ninguno. Aunque para nuestra investigación no tiene mucha importancia estas mediciones tan cercanas.

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5.1.3. Medición 3 En el punto anterior, se caracterizó la señal recibida para una emisión a 0 dBm. Así pues, en este punto se realizaran otras dos mediciones a -7 dBm y -25 dBm. Concluyendo este trabajo realizando comparaciones entre ellas. Así pues, medición 3:

Potencia de emisión: -7 dBm

Altura de receptor y emisor: 1.5 metros

Localización: desde la dependencia B-207 hasta la B-212 (edificio B. 2ª Planta. E.P.S. de Linares).

Ilustración 9: Medición 3

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5.1.4. Medición 4 •

Potencia de emisión: -25 dBm

Altura de receptor y emisor: 1.5 metros

Localización: desde la dependencia B-207 hasta la B-212 (edificio B. 2ª Planta. E.P.S. de Linares).

Ilustración 10: Medición 4 5.1.5. Comparativa

Ilustración 11: Compartiva Página 15


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6. Conclusiones Se puede observar claramente en la comparativa anterior, como para los tres estudios los resultados gráficos tienen un aspecto similar. Evidentemente, con una transmisión más eleveda obtenemos una mayor potencia recibida pero, no existe una diferencia muy elevada. Pensamos que estos resultados se deben al uso del protocolo 802.15.4, ya que está orientado a transmisiones de baja potencia para conseguir una duración elevada de la batería. Además, los sensores SunSPOT hacen uso del transmior radio CC2420, el cual está orientado a transmisiones de baja potencia. Aún así, debido a que los sensores SunSPOT tienen un margen de funcionamiento de hasta -90 dBm, consideramos que para la transmisión sea estable a una distancia de 20 m, se debe de emitir a 0 dBm y así aseguramos el funcionamiento.

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Gestión de la energía en redes de sensores  

Documento de una breve investigación sobre redes de sensores y su eficiencia energética

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