METODO DE COMUNICACIONES PARA UNA RED DE SENSORES.

Método de comunicaciones para una red de sensores, compuesta de un nodo central (1) que controla las comunicaciones inalámbricas con nodos sensores (2),

estando el nodo central (1) situado dentro de la zona de cobertura de al menos un nodo sensor (2). Cuando un nodo sensor (2) detecte una situación de alarma envía al nodo central (1) un mensaje de alarma (16), a través de una ruta previamente establecida en un mapeo inicial de la red mediante el cual el nodo central (1) obtiene un grafo de la red que define la estructura de la red de sensores. El mapeo inicial comprende identificar los nodos sensores de nivel 1 (nodo sensor de nivel n necesita de n transmisiones para que un mensaje enviado por dicho nodo sensor llegue al nodo central (1)), asignar una ruta de comunicación a los nodos de nivel 1 e identificar y asignar la ruta de los nodos sensores de nivel superior a 1

Método de comunicaciones para una red de sensores.

Campo de la invención

La presente invención se engloba dentro del campo de las redes de sensores, en el que los nodos que forman la red de sensores se comunican vía radio. Las aplicaciones de las redes de sensores son originariamente militares, utilizadas especialmente para detectar intrusiones en el campo de batalla. Sin embargo, también son utilizadas en multitud de aplicaciones civiles, tales como el monitoreo ambiental y de la salud, automatismos en el hogar, control del tráfico, etc.

Antecedentes de la invención

En la actualidad podemos hablar de infinidad de redes de datos que comunican de muy distintas formas infinidad de equipos con multitud de características dispares entre sí. Sin embargo, en el ámbito que nos ocupa, las redes de sensores existentes, están planteadas con topologías lógicas distribuidas o, todo lo más, de tipo estrella con alcances muy limitados además de no hacer especial hincapié en los consumos de potencia de los sensores desplegados (la amplia mayoría se plantean para conectar en tomas de corriente habituales en emplazamientos urbanos). También existen desarrollos, por ejemplo, las redes MANET (Mobile Ad-hoc Network), para el uso en dispositivos móviles con sistemas de comunicaciones descentralizados que dejan la toma de decisiones de rutado de la información en manos de los diferentes nodos, incrementando el consumo individual de batería. En cualquier caso, este tipo de redes requieren de una gran infraestructura fija de comunicaciones para su correcto y útil funcionamiento. También existen soluciones específicas para redes de sensores. Los más destacados son los siguientes:

• TinyOS: Es un sistema operativo que reduce el tiempo de desarrollo en aplicaciones de redes de sensores, abstrayendo la aplicación software del hardware empleado. Su gran inconveniente es el algoritmo de rutado empleado, que descubre la ruta de forma descentralizada. Para ello, cuando un nodo desea conocer la ruta hacia un destino, envía un mensaje de solicitud de ruta que inunda la red hasta alcanzar el destino o un nodo intermedio que conozca la ruta hacia ese destino. Las rutas descubiertas no son eficientes, y mantenerlas requiere una gran retransmisión de mensajes que consumen demasiada batería.

• LEACH: supone sensores teóricos con un sistema de comunicaciones capaz de alcanzar al destino mediante enlace directo. El alcance real del sistema de comunicación de los sensores es de varias decenas de metros como máximo lo que complica considerablemente la implementación de redes con elevado número de sensores.

• GPSR: El algoritmo de enrutamiento empleado por este sistema de comunicaciones se basa en la posición geográfica exacta de los sensores de la red y la estimación del alcance de su sistema de comunicación. En la mayoría de los casos, los sensores de la red no disponen de información acerca de su posición geográfica ya que en muchas aplicaciones no es necesaria, no pudiéndose emplear este sistema de comunicaciones.

Los sistemas de comunicaciones existentes actualmente son, en su mayoría, descentralizados, es decir, la búsqueda de una ruta es realizada por los nodos de la red, inundando la red con transmisiones innecesarias hasta encontrar una ruta hacia el destino. Este tipo de enrutamiento presenta varios inconvenientes:

• Las rutas generadas hacia un destino no son las óptimas.

• El descubrimiento y mantenimiento de las rutas necesita de un gran número de retransmisiones de los mensajes.

• La lógica del sensor necesaria para el rutado es compleja.

Estos inconvenientes se traducen en un incremento de la capacidad de computación y de la retransmisión de mensajes, que deriva en un mayor consumo de batería.

A pesar de todo lo anteriormente descrito, las redes de sensores son un concepto relativamente nuevo debido a que el desarrollo necesario y utilización práctica de las mismas ha sido posible gracias a la aplicación de los recientes avances en sistemas electromecánicos, microprocesadores en miniatura y tecnologías radio de baja potencia. Las aplicaciones de las redes de sensores son originariamente militares, tales como la detección de intrusiones en el campo de batalla; sin embargo, las redes de sensores poseen multitud de aplicaciones civiles como son el monitoreo ambiental y de la salud, automatismos en el hogar, control del tráfico, etc.

Teniendo como uno de los requisitos principales la necesidad de minimizar el número de retransmisiones necesarias y disminuir el procesamiento en la toma de decisiones de rutado de los sensores, (ninguna de las aplicaciones actuales cumple dichos objetivos) surge el desarrollo del sistema de comunicaciones SNCP (Sensor Network Centralized Protocol) objeto de la presente invención, ya que ninguno de las otras implementaciones cubre las necesidades básicas que se proponen para el desarrollo de la presente red de sensores. Las características que definen este desarrollo son las siguientes:

• Cada uno de los sensores que componen la red está equipado por un transmisor/receptor de radio, un pequeño microcontrolador, transductores y, habitualmente, una batería como fuente de energía. El tamaño de los nodos puede variar libremente según las necesidades existentes, pudiendo ser tan pequeños como una moneda.

• La lógica necesaria por los sensores para implementar el rutado debe ser mínima. Este punto implica derivar la toma de decisiones de rutado de los sensores a un único nodo con mayor potencia de cálculo, de ahora en adelante denominado "nodo central" (nodo encargado de recoger la información generada por los sensores).

• El nodo central debe ser capaz de descubrir la arquitectura y topología completa de la red de sensores desplegados.

• Puesto que el nodo central conocerá la topología completa de la red de sensores desplegados, además del estado de las baterías de los sensores, las rutas asignadas son óptimas.

• La información que necesitan almacenar los sensores en lo referente al rutado de la información será mínima, únicamente la dirección del siguiente salto hacia el destino. También almacenan la dirección del nodo central (cuando generan un mensaje de alarma, deben dirigirlo al mismo).

• Debe ser aplicable sobre cualquier topología física de despliegue de la red.

• La transmisión de mensajes desde los sensores al nodo central debe ser multisalto, por el contrario, la transmisión de mensajes desde el nodo central a los sensores de la red puede realizarse mediante enlace directo, en caso de que el nodo central alcance directamente al sensor destino, o multisalto, aprovechando el alcance superior de los sistemas de comunicaciones del nodo central.

Las redes de sensores están formadas por una gran cantidad de los mismos, desplegados geográficamente de manera arbitraria, con capacidades sensitivas y de comunicación limitadas, (lo que imposibilita el uso de topologías lógicas de comunicaciones de red en estrella para enlaces directos entre sensor y nodo central), que permiten formar redes inalámbricas ad-hoc sin infraestructura física preestablecidas. En esta arquitectura existe un nodo que recoge toda la información generada por los sensores para procesarla, ya sea en tiempo real o diferido, para cantidades altísimas de sensores, del orden de más de decenas de miles. Superadas las limitaciones tecnológicas, la complejidad de los sistemas basados en redes de sensores reside fundamentalmente en la comunicación entre los sensores de la red y el nodo que recoge la información generada por los mismos, para posteriormente procesarla.

El problema y principal limitación de los sensores, además del alcance de sus comunicaciones, es la capacidad de su batería que, al no ser recargable en modo alguno, debe minimizarse su consumo para maximizar el tiempo de funcionamiento de la red. Este es uno de los objetivos fundamentales que cumple el sistema desarrollado.

Otro de los objetivos que cumple el sistema desarrollado es la minimización del coste de los sensores en lo que a equipamiento de comunicación se refiere. El coste de los sensores varía dependiendo de la extensión de la red y de la complejidad requerida por cada uno de los sensores. El tamaño y coste unitario de cada uno de los sensores es el resultado de las soluciones adoptadas en energía, memoria, velocidad...

1. Método de comunicaciones para una red de sensores, estando dicha red compuesta de:

- un nodo central (1) encargado del control de las comunicaciones y que dispone de medios de almacenamiento y procesamiento de datos y medios transmisores y receptores de radiofrecuencia con alcance en una zona de cobertura de nodo central (6);

- una pluralidad de nodos sensores (2), estando al menos uno de ellos situado dentro de la zona de cobertura de nodo central (6), siendo en este caso nodo visible para el nodo central (1), cada uno de dichos nodos sensores (2) identificado con una identificación única y disponiendo de:

- al menos un sensor;

- medios de alimentación autónoma;

- medios de almacenamiento y procesamiento de datos;

- medios transmisores y receptores inalámbricos;

cada nodo sensor (2) con capacidad de comunicación en una zona de cobertura de nodo sensor (5), estando el nodo central (1) situado dentro de la zona de cobertura de al menos uno de dichos nodos sensores (2);

caracterizado porque cuando un nodo sensor (2) detecte una situación de alarma envía al nodo central (1) un mensaje de alarma (16), a través de una ruta previamente establecida para dicho nodo sensor (2) en un mapeo inicial de la red;

y porque en dicho mapeo inicial el nodo central (1) obtiene un grafo de la red que define la estructura de la red de sensores, comprendiendo dicho mapeo inicial las siguientes etapas:

a- identificar los nodos sensores de nivel 1, entendiendo por nodo sensor de nivel n a aquel nodo sensor que necesita de n transmisiones, siendo n el mínimo posible de transmisiones para que un mensaje enviado por dicho nodo sensor llegue al nodo central (1), transmitiéndose dicho mensaje a un nodo sensor del nivel inmediatamente inferior hasta llegar a un nodo sensor de nivel 1, el cual lo transmitirá directamente al nodo central (1); realizándose dicha identificación de los nodos sensores de nivel 1 mediante los siguientes pasos:

- enviar, por parte del nodo central (1) con destino todos los nodos sensores (2) y al menos una vez, un mensaje de solicitud de identificación (8);

- responder a dicho mensaje de solicitud de identificación (8), por parte de los nodos sensores (2) que lo hayan recibido, mediante un mensaje de confirmación (9) en el que cada nodo sensor (2) incluye su identificación única;

- identificar aquellos nodos sensores cuyos mensajes de confirmación (9) hayan sido recibido por el nodo central (1) como nodos de nivel 1;

b- asignar una ruta de comunicación a los nodos de nivel 1, comprendiendo dicha asignación para cada nodo de nivel 1 los siguientes pasos:

- enviar, por parte del nodo central (1) con destino al nodo de nivel 1 correspondiente, nodo sensor objetivo, y al menos una vez, un mensaje de actualización de tabla de rutas (11) con información para que dicho nodo sensor objetivo actualice la dirección de salto que deben seguir sus mensajes enviados con destino al nodo central (1);

- actualizar, por parte del nodo sensor objetivo, la dirección de salto que deben seguir sus mensajes enviados con destino al nodo central (1), de acuerdo con la información recibida;

- responder a dicho mensaje de actualización de tabla de rutas (11), por parte del nodo sensor objetivo, mediante un mensaje de confirmación (9);

c- identificar y asignar la ruta de los nodos sensores de nivel superior a 1, mediante la repetición de los siguientes pasos, empezando de n=1 e incrementando n de uno en uno:

circ para cada nodo de nivel n que ha sido identificado, y uno a uno:

- enviar, por parte del nodo central (1) con destino al nodo sensor de nivel n objetivo, un mensaje de mapeo de nodos accesibles (12) a través del cual solicita al nodo sensor de nivel n objetivo que identifique y envíe la lista de nodos sensores con los que posee comunicación bidireccional;

- enviar, por parte del nodo sensor de nivel n objetivo que ha recibido dicho mensaje de mapeo de nodos accesibles, y con destino todos los nodos sensores (2), un mensaje de solicitud de identificación (8);

- responder a dicho mensaje de solicitud de identificación (8), por parte de los nodos sensores (2) que lo hayan recibido, mediante un mensaje de confirmación (9) en el que cada nodo sensor (2) incluye su identificación única;

- enviar, por parte del nodo sensor de nivel n objetivo y con destino el nodo central (1) a través de la ruta previamente establecida y almacenada en dicho nodo objetivo, un mensaje en el que se incluye la lista de nodos sensores con los que dicho nodo sensor de nivel n objetivo posee comunicación bidireccional;

- identificar, por parte del nodo central (1), aquellos nodos sensores de la lista recibida que no hayan sido previamente identificados, como nodos sensores de nivel n+1;

- asignar la ruta de cada uno de dichos nodos sensores de nivel n+1, efectuando los siguientes pasos para cada uno de dichos nodos sensores de nivel n+1: