http://dx.doi.org/10.15665/rp.v13i1.365

Modelo de despliegue de una WSN para la medición de las variables climáticas que causan fuertes precipitaciones

WSN deployment model for measuring climate variables that cause strong precipitation

José Gregorio Caicedo Ortiz¹, Melisa Andrea Acosta Coll², Alejandro Cama-Pinto³

¹ Ingeniero Electrónico, Docente investigador. Barranquilla, Colombia
² Magister en Ingeniería Eléctrica, Electromagnética Aplicada. Barranquilla, Colombia
³ Doctor en Tecnología de Invernaderos e Ingeniería Industrial y Ambiental. Barranquilla, Colombia
^1,2,3 Docente Investigador del grupo GIACUC adscrito al Programa de Ingeniería Electrónica de la Universidad de la Costa (CUC). Barranquilla, Colombia. E-mail: jcaicedo1@cuc.edu.co

Recibido 24/05/14, Aceptado 11/11/2014

Cite this article as: J. Caicedo, M.Acosta, A. Cama-Pinto, "WSN deployment model for measuring climate variables that cause strong precipitation", Prospect, Vol 13, N° 1, 106-115, 2015.

Resumen

Existen diferentes métodos y diseños para obtener datos de las principales variables medioambientales, como la temperatura, la presión atmosférica y la humedad que influyen en las precipitaciones causantes de inundaciones, uno de ellos son las redes inalámbricas de sensores (en inglés WSN) capaces de monitorizar variables físicas en tiempo real. Colombia es uno de los países latinoamericanos más afectados por las consecuencias del cambio climático, en especial el sur del Departamento del Atlántico, por lo tanto se presenta el modelo de despliegue de una WSN para medir las variables que influyen en las inundaciones en el sur del Departamento del Atlántico teniendo en cuenta las condiciones topográficas y climáticas propias del lugar.

Palabras clave: WSN, Modelo de despliegue, precipitaciones, inundaciones, Departamento del Atlántico, Colombia.

Abstract

There are different methods and designs to get data from environmental variables such as temperature, atmospheric pressure and humidity that influence on rainfalls causing floods. One of those methods are the Wireless Sensor Networks (WSN) to monitor the physical variables in real time. Colombia is one of the most affected Latin American countries due the consequences of climate change, particularly in south zone of the Atlantic department. Therefore, here is presented a deployment model of a WSN to measure variables that influence flooding in the south zone of Atlantic department, considering the topography and climate of this site.

Keywords: WSN, Deployment model, Rainfall, Floods, Atlantic department, Colombia.

1. Introducción

Las WSN hoy en día son consideradas la mejor opción para lugares donde no se pueden establecer enlaces óptimos entre emisores y receptores, ya que gracias a sus características pueden sustituir equipos costosos de alta complejidad por otros más sencillos y económicos con capacidades de cómputo suficientes para aplicaciones específicas, y con infraestructuras que permitan una mayor densidad espacial [1]. Debido a esto se plantea un modelo de despliegue de WSN ubicado en el municipio de Santa Lucía para estudiar las variaciones que sufren las variables climáticas de temperatura, humedad relativa, presión atmosférica, velocidad y dirección del viento, consideradas como las principales influyentes en la formación de precipitaciones. Con esto también se pretende brindar una base tecnológica que suministre información constante para la futura implementación de un Sistema de Alertas Tempranas.

A continuación, en la sección 2, se hace un análisis del municipio de Santa Lucía donde se ubicará la WSN. En la sección 3 se explican las razones por la que se escogió el protocolo ZigBee, el hardware empleado, se habla de las topologías de red, el uso de las notaciones de Schalfli para desarrollar el modelo de despliegue de la WSN y la evaluación de los radioenlaces apoyado en simulaciones realizadas en el software Radio Mobile. En la sección 4 se presentan los resultados de las pruebas de campo realizadas en el municipio de Santa Lucía y finalmente las conclusiones.

2. Municipio donde se ubicará la WSN

La WSN se encontrará ubicada en el Municipio de Santa Lucía localizado en las coordenadas 10°19" latitud Norte y 74°57" longitud Oeste al margen derecho del Canal del Dique. Abarcando el corregimiento de Algodonal y parte del Municipio de Suan[2]. Las características principales de Santa Lucía que contribuyen en el desarrollo de la WSN se detallan en la tabla 1.

Entre los fenómenos naturales que afectan a este municipio destacan las inundaciones de Nivel I, siendo estas las de mayor preocupación por la gran cobertura que alcanzan sobre el territorio y por sus antecedentes históricos. En segundo lugar están las amenazas de Nivel III, las cuales se definen por ser de tipo limitadas y ocasionan daños pequeños de forma parcial o temporal [3].

3. Materiales y métodos

3.1 Protocolo de red

3.1.1 Protocolo de comunicación ZigBee

ZigBee está definido como un conjunto de protocolos capaz de transferir datos hasta 250kbps para el desarrollo de redes inalámbricas de baja velocidad de datos, que puede operar en las bandas de frecuencias de 868 MHz, 915MHz y 2.4 GHz [4].

Aunque existe diversidad de protocolos este se elige por las siguientes razones:

• Se pueden integrar componentes inalámbricos de forma económica [5].
• Existen muchas aplicaciones con ZigBee relacionadas al estudio de las variables climáticas, que sirven como antecedentes, experiencias y documentaciones relevantes para el modelo de despliegue de la WSN.
• Diversidad de hardware que operan con este protocolo.
• Mayor cantidad de nodos 64.770 [6].
• Bajo consumo de la batería, indispensable para alargar el tiempo de vida de la red [7].

Por otro lado, en el grupo de investigación (GIACUC) de la Corporación Universidad de la Costa CUC se tiene experiencia con este protocolo, el cual se implementó en los siguientes proyectos: "Estudio del protocolo 6LoWPAN en una red de sensores inalámbricos para un sistema de alertas tempranas" y "Plataformas tecnológicas aplicadas al monitoreo climático".

3.2 Hardware

3.2.1 Equipos a Utilizar

La selección de los equipos a implementar en una WSN, varían de acuerdo a sus características, pero principalmente de la aplicación en particular, ya que esta define los parámetros que se deben tener en cuenta y facilita la selección de los dispositivos. Considerando investigaciones relacionadas con el estudio de variables atmosféricas se analizan diferentes fabricantes y las soluciones que estos ofrecen haciendo énfasis en dos empresas (ver tabla 2) [11], donde los parámetros que se evaluaron fueron las frecuencias de operación, el alcance máximo entre nodos y la autonomía máxima de los dispositivos.

La primera empresa, Crossbow (actualmente MEMSIC), tiene algunos años comercializando equipos para estas soluciones como los MEM-SYS y su línea más importante el kit eKo, definido por el fabricante como equipos para agricultura de precisión, estudios de conservación, monitorización de cultivos y microclimas para ambientes exteriores [12].

La segunda empresa a resaltar es Libelium, spin off 2009/2010 de la Universidad de Zaragoza, con su dispositivo Waspmote PRO, capaz de integrar varios sensores para monitorizar entornos diversos gracias a su variedad de placas integradoras de sensores entre las que resalta la de agricultura, con cabida para monitorizar hasta 14 parámetros distintos, temperatura y humedad relativa del aire, temperatura del suelo, humedad de suelo, humectación de hoja, presión atmosférica, radiación solar, diámetro de tronco/tallo/fruto, velocidad de viento, dirección de viento y precipitación. Pueden transmitir información a distancias de hasta 7 km con línea de vista entre dispositivos y condiciones ideales utilizando el protocolo ZigBee, permitiendo abarcar grandes extensiones de tierra, o almacenar estos datos de manera local en el propio dispositivo gracias a que su diseño permite insertarles memorias micro SD [13]. En la tabla 3 se pueden apreciar los datos generales del Waspmote PRO.

Aspectos como los mencionados anteriormente, además de la capacidad que tiene Libelium para operar en redes multifrecuencias con su tarjeta expansión radio board, que permite conectar dos radios al mismo tiempo para aplicaciones de redes híbridas, son puntos a favor para escogerla como la tecnología a evaluar en la WSN propuesta [13].

En la tabla 4 se pueden apreciar las características de transmisión de los Waspmotes PRO, información que se utiliza para realizar los cálculos matemáticos referentes a los presupuestos de enlaces entre nodos.

El Waspmote ZB PRO, el Waspmote Gateway ZB PRO ambos con antena de 5 dBi, la placa Agriculture Sensor Board de Libelium, un sensor de presión atmosférica de referencia MPX4115A, un sensor de humedad referencia 808H5V5 y un sensor de temperatura MCP9700A (figura 1), se eligen como hardware a evaluar en el modelo de despliegue de la red. Para un análisis más detallado de estas placas, revisar [13].

3.3 Topología de la WSN

Las topologías que se pueden implementar en el protocolo ZigBee pueden ser apreciadas en la tabla 5.

Para el modelo de despliegue se escoge la topología en malla para el monitoreo de variables medioambientales, por las siguientes razones:

• Provee escalabilidad.
• Provee redundancia de caminos debido a que cada nodo actúa como routers transmitiendo los datos hasta el nodo Gateway.
• Se logra abarcar una mayor cobertura sobre la zona en estudio gracias a la escalabilidad y la redundancia de caminos [8].

De acuerdo a la topología escogida, se hace uso del concepto de teselación el cual se entiende como un embaldosado compuesto por polígonos regulares con capacidad para cubrir un área determinada sin que se traslapen. Estas teselaciones son determinadas a través de las notaciones de Schalfli, entre las que destacan, las formadas por triángulos equiláteros de la figura 2, también cuadrados y hexágonos[9].

Se opta por las teselaciones formadas por triángulos ya que así cada nodo mantiene una conexión equidistante con sus vecinos, logrando una similitud en los tiempos de propagación de la información, se realiza una mejor distribución de los nodos sobre la zona en estudio y se facilita el análisis del funcionamiento de la red.

Con esta distribución surge el concepto de capas, definidas como una agrupación de nodos alrededor de un nodo central a diferentes profundidades. De acuerdo al número de capas es posible calcular el número de nodos a utilizar en una topología dada, así se puede controlar que la cantidad de nodos no sea arbitraria y excesiva sino que se rija bajo parámetros matemáticos [9]. Para el caso de la teselación triangular se emplea la fórmula 1, donde C es el número de capas y N el número final de nodos:

Con la ubicación geográfica donde se encontrará la WSN y el patrón de topología escogido, se posiciona al nodo coordinador o Gateway con características FFD (Full Function Device) en la zona urbana del municipio de Santa Lucía y se puede notar que algunos de los nodos pertenecientes a las capas que estarán alrededor de este sobrepasan los límites del Departamento del Atlántico, por lo tanto se opta por implementar la teselación a medias capas observado en la figura 3.

Aplicando la fórmula relacionada anteriormente, para evitar la mayor cantidad de saltos en una red de dos capas (suficientes para abarcar a Santa Lucía en su totalidad) hasta el Gateway se tiene:

Para dos capas la cantidad de nodos calculados es de 19, pero teniendo en cuenta que por las condiciones geográficas del terreno se utilizarán solo la mitad de las capas, se reduce la cantidad de nodos a un total de 12 distribuidos de manera homogénea. A continuación se presenta el modelo de despliegue sobre el territorio del municipio de Santa Lucía, figura 4.

Como se aprecia en la figura 3, el nodo coordinador o Gateway FFD (Full Function Device) está ubicado en la parte urbana del municipio ya que debe tener una conexión constante a una fuente de energía. A partir de la ubicación de este nodo se realiza el despliegue de los 11 nodos (FFD) routers restantes, los cuales se identifican con la siguiente nomenclatura N#C#, donde N# indica el número del nodo y C# el número de la capa a la que pertenece, a excepción del N0 que representa al Gateway.

Respetando el patrón establecido, todos los nodos se encontrarán a una distancia aproximada de 3500 m entre ellos, equivalente a la mitad del alcance máximo de los equipos escogidos, logrando abarcar de esta manera los municipios de Santa Lucía y Suan, minimizando los factores que pueden influir en la transmisión y recepción de la información, como lo es la vegetación y la geografía propia del terreno.

Cada nodo estará conformado por un sensor de temperatura, uno de presión, uno de humedad y una estación meteorológica compuesta esta última de un pluviómetro, un sensor de velocidad y dirección del viento debido a que son los elementos principales que definen el clima.

Analizando el comportamiento en el tiempo y el espacio de estas variables es posible obtener conclusiones sobre el estado del clima y sus variaciones[10].

3.4 Evaluación de los enlaces entre nodos

Con los equipos y la distancia definidos para la WSN, se realiza el presupuesto de enlace, partiendo de la sumatoria de la potencia del transmisor, ganancia de la antena del transmisor, pérdidas en los cables y conectores de la antena del transmisor y receptor, para obtener la ganancia total, luego se calculan las pérdidas en el espacio libre, utilizando una distancia entre nodos de 3500 m, y así poder deducir si la señal es suficiente para que el transmisor y el receptor estén comunicados.

Tanto el nodo transmisor y el receptor estarán conformados por equipos de la misma referencia, el Waspmote Xbee-ZB-Pro. Las conexiones de las antenas a las placas de transmisión son a través de conectores RPSMA, se evalúan pérdidas de 1,3dB considerando que las antenas del transmisor y del receptor se encuentran a 13 m sobre el suelo (aunque también las alturas de las antenas se pueden ver afectada por las condiciones del terreno). Por consiguiente se estima que los parámetros de comunicación serán los mismos en ambos sentidos[14]. A continuación se realiza el cálculo para el presupuesto de enlace que consiste en hallar la ganancia total del sistema; a este valor se le resta las pérdidas del espacio libre (L_fsl) que se producen cuando la señal viaja por el trayecto comprendido entre el emisor y receptor, y a esta sustracción se la compara con el nivel de sensibilidad del receptor para determinar la factibilidad de llevar a cabo el enlace. En el caso de nuestro sistema tenemos:

+Potencia del Tx(17 dbm)
+Ganancia de la antena Tx (5 dbi)
-Perdidas en los cables del Tx( 1,3 db)
+Ganancia de la antena Rx(5 dbi)
-Perdidas en los cables del Rx(1,3 db)
Ganancia total (24,4db) (2)

A partir de la ecuación de Friis [15, 16] se puede calcular la pérdida en el espacio libre del trayecto para una longitud de 3500 metros con la siguiente fórmula:

L_fsl = 20log(f)+20log10(d)-147.56 dB; f: frecuencia en Hz y d:
distancia entre Tx y Rx en metros.
L_fsl = 20log(2.4)+20log(3500) -147.56 dB
L_fsl ≈ 110.93 dB (3)

Al tener la ganancia total y las pérdidas en el espacio libre, se obtiene el nivel de la señal que llegará al receptor con la siguiente formula.

Ganancia total (24,4 dB)
-Pérdidas en el espacio libre (110.93 dB)
Nivel de la señal en Rx (-86,53 dBm) (4)

Margen de tolerancia de la señal = Nivel de la señal que llega a Rx - Sensibildad Rx (5)

Reemplazando valores:

Margen de tolerancia de la señal= -86.53 dBm-(-102dBm) = 15.47 dB De (5)

Como se puede observar, -86.53 dBm es mayor que la sensibilidad del receptor (-102 dBm), por lo cual el nivel de señal es suficiente para que haya comunicación entre ambos dispositivos inalámbricos. De acuerdo a resultados experimentales con un margen de tolerancia superior a los 10 dB es posible el enlace con rendimientos que van desde el 70% al 100%, inferior a este valor el enlace no es posible [17] Con el margen de tolerancia obtenido (15.47 dB) se asgura que los enlaces se llevan a cabo. Es relevante tener en cuenta que estos son cálculos donde no se están considerando el clima, la vegetación, entre otros factores que añaden pérdidas en los enlaces.

3.5 Simulaciones realizadas con el software Radio Mobile

Para evaluar si el presupuesto de enlace calculado es viable, se optó por utilizar el software gratuito Radio Mobile [18] en su versión 11.4.6, herramienta que permite simular los enlaces de radio microondas que operan en el rango de 20 MHz a 20 GHz y que modela los planos del relieve del lugar de estudio por lo que es una simulación con valores bastante símiles a los que se obtienen en la realidad. Este software permite emular las características del sistema de comunicación inalámbrico incluyendo los parámetros de cada equipo.

Con las distancias especificadas entre un nodo y sus vecinos de aproximadamente 3500 m, se realizaron las simulaciones de los enlaces, estimando que los puntos que conforman una WSN o cualquier red, varían con las condiciones del terreno. Se aprecia que los valores arrojados por el software son aproximados a los calculados, y que el enlace es posible en las condiciones planteadas con 0% en pérdidas por vegetación, ver figura 5.

Se agregan pérdidas del 10% por causas de vegetación en los parámetros del software dado que se trata de una llanura con pastizales, y se analizó el comportamiento del enlace, demostrando que sigue superando el rango de tolerancia de los 10 dB[17].

En la tabla 6 se observan los resultados de las pruebas realizadas con Radio Mobile, y se nota que entre más se aproximan las distancias entre nodos a la establecida de 3500 m para el modelo de despliegue, el margen de tolerancia de la señal que recibirán los nodos receptores se mantendrá por encima de los 10dB, proporcionando un enlace estable para la red.

Teniendo en cuenta que no se cuenta con la infraestructura necesaria para elevar los nodos a 13m en las pruebas de campo, estas se realizaron con mástiles de 1m de altura. Lo que se pudo estimar en la simulación es que a esta altura y distancia entre nodos de 3500m no se establecía comunicación en el enlace tal como se corroboró en la realidad. Ver figura 6.

Para evitar las limitaciones de logística en las pruebas de campo (se contó con mástiles de 1m), se utilizó una distancia entre los nodos de 1000m, con lo cual se logró establecer comunicación eficiente entre nodo emisor y nodo receptor, esto se corroboró previamente en la simulación (ver figura 7).

4. Resultados

La primera prueba consistió en captar información de las tres variables mencionadas con el Waspmote conectado directamente a un equipo de cómputo portátil en la entrada de Santa Lucía a las 12 pm hora Colombiana. Los resultados obtenidos se pueden observar en la tabla 7, donde la temperatura alcanza su punto máximo entre los 40° y 44°C, por lo que la presión de saturación se incrementa y la humedad relativa tiende a disminuir manteniéndose estable entre los 30 y 35% (valores mínimos) inferior al valor promedio del municipio, mientras que la presión se mantuvo constante en 110 kPa[19]. Por otro lado los valores máximos de humedad relativa se alcanzan en las primeras horas del día, momento en el cual la temperatura es la mínima [20]. Es indispensable resaltar que en el clima tropical la temperatura disminuye 1 ° C cada 180 m a medida que aumenta la altura, mientras que la presión atmosférica disminuye aproximadamente 1 mbar cada 9 metros de altura[21].

La segunda prueba consistió en verificar la comunicación inalámbrica de los equipos, tabla 8, por lo cual el nodo Waspmote que contenía los sensores fue llevado a una distancia aproximada de 1000 m, y la comunicación entre ambos fue efectiva. Los valores que se recibieron en el nodo Gateway se mantuvieron similares a los obtenidos en la primera prueba.

En la tercera y última prueba se evaluó el enlace entre el nodo y el Gateway a la distancia aproximada de 3500 m con antenas instaladas sobre soportes de 1m y no se estableció el radioenlace, las antenas no se elevaron a 13m respecto al nivel del suelo debido a que no se contaba con la infraestructura. Los resultados de las pruebas de campo fueron los esperados de acuerdo a las simulaciones previas con el software Radio Mobile. De igual forma se observó que los equipos funcionan de manera adecuada estando a la intemperie a pesar que está diseñados para pruebas de laboratorio. La línea de equipos para operar al aire libre de Libelium son los Waspmote Plug & Sense [13].

5. Conclusiones

• Se ha diseñado el modelo de despliegue de una red inalámbrica de sensores aplicada al ámbito climatológico que permite monitorizar parámetros atmosféricos en un sector del sur del Departamento del Atlántico en Colombia. Conformada por un nodo Gateway o coordinador y 11 nodos routers con una placa integradora de sensores para medir los parámetros deseados, basados en tecnología desarrollada por la empresa Española Libelium. Se analizaron los presupuestos de enlaces luego se compararon los resultados con simulaciones hechas en el software Radio Mobile, obteniendo valores parecidos a los calculados matemáticamente. Por último se realizaron pruebas experimentales en el Municipio de Santa Lucía obteniendo resultados favorables, demostrando la viabilidad de implementar esta tecnología y realizar trabajos futuros relacionados con las redes de sensores inalámbricas aplicadas al estudio de las precipitaciones.


• Durante el desarrollo de las pruebas de campo se corroboró que el enlace se ve afectado por la topología propia del terreno y que a la distancia de 3500m es necesario contar con una infraestructura que eleve la posición de las antenas respecto al suelo para asegurar una línea de vista efectiva entre los dispositivos, situación que ya se había previsto en las simulaciones.


• Por lo tanto se concluye que las WSN son la mejor opción ante problemáticas donde la información debe ser captada desde diferentes puntos en grandes extensiones de tierra, y se deba garantizar que la información llegue al nodo Gateway sin importar la ruta que tomen los datos en la red con un máximo ahorro energético por parte de los equipos debido a que muchos de los dispositivos se encontrarán a la intemperie sin suministros continuos de energía en zonas aisladas. Estas redes son relativamente económicas ante otras soluciones y permiten monitorear diferentes parámetros sin la necesidad de realizar grandes variaciones en la configuración de la misma. El modelo planteado cumple con estas condiciones y se considera replicable en entornos de similares condiciones topográficas y climáticas.

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