Planeación y despliegue de la red de sensores inalámbricos requerida para la medición inteligente de energía eléctrica usando restricciones de capacidad y cobertura

The electrical energy measurement (EEM), seeks to provide quality services without neglecting the reliability of the system. Therefore, a quality service must be closely linked to the wireless communication technologies, to technify the EEM, not only reading, but also cuts, reconnections, and other additional services that the intelligent measurement infrastructure provides through wireless technologies Such as cell or WiFi, increasingly common because of the reliability they provide in real-time data transmission. Wireless infrastructures allow us to provide coverage to the fixed terminals, determined by the electric meter, and in turn manage and plan the optimal deployment of wireless sensors (SI) in finite areas, whether urban, rural or suburban. This article proposes an optimal model for planning and deploying SI for the EEM in order to guarantee reliable wireless communication links at the lowest implementation cost. Therefore, the proposed algorithm gives global solutions within a finite scenario, making this a scalable model in time able to manage the use of available links. The SIs for the EEM are inserted into the Neighborhood Area Networks (NANs) covered by the mobile communications network.La medición de energía eléctrica (MEE), busca proporcionar servicios de calidad sin descuidar la confiabilidad del sistema. Por lo tanto, un servicio de calidad debe ir estrechamente ligada a las tecnologías de comunicación inalámbrica, para tecnificar la MEE, no solo lectura, sino también cortes, reconexiones, y otros servicios adicionales que la infraestructura de medición inteligente provee a través de tecnologías inalámbricas como celular o WiFi, cada vez más comunes debido a la confiabilidad que estas brindan en la transmisión de datos en tiempo real [1]. Las infraestructuras inalámbricas nos permiten brindar cobertura a los terminales fijos, determinados por el medidor eléctrico, y a su vez gestionar y planificar el óptimo despliegue de sensores inalámbricos (SI) en áreas finitas, ya sean, urbanas, rurales o suburbanas. Este artículo propone un modelo óptimo de planeación y despliegue de SI para la MEE con la finalidad de garantizar enlaces de comunicación inalámbricos confiables al menor costo de implementación. Por lo tanto, el algoritmo propuesto da soluciones globales dentro de un escenario finito, haciendo de este un modelo escalable en el tiempo capaz de gestionar el uso de enlaces disponibles. Los SI para la MEE, son insertados en las Redes de Área Vecindaria (NAN) cubiertas por la red de comunicaciones móviles

Diseño, Especificación, Validación y Aplicación de una Arquitectura modular de gestión de Redes Inalámbricas de Sensores

Durante los últimos años las redes de sensores inalámbricas han sido objeto, como consecuencia de un creciente interés comercial, de una intensa actividad de investigación que ha determinado relevantes avances tanto en la tecnología base como en los aspectos de ingeniería a todos los niveles. Las redes de sensores inalámbricas se basan en el concepto de nodo sensor autónomo de bajo coste que proporciona recursos limitados en términos de cálculo y capacidad de almacenamiento de información, baja potencia de transmisión y sensorica avanzada. Se caracterizan por el tamaño extremadamente reducido y una ingeniería orientada a la eficiencia energética. A pesar de la disponibilidad de soluciones altamente avanzadas, caracterizadas por la eficiencia y la flexibilidad, la difusión comercial masiva se ha planteado más veces como hipótesis plausible y además parece tardar en concretarse de forma definitiva. Las principales causas están relacionadas, directamente o indirectamente, con dos factores: coste elevado y falta de suficiente fiabilidad/robustez. Una de las consecuencias del desarrollo de arquitecturas "ad-hoc" que caracteriza actualmente las redes de sensores inalámbricas es la de garantizar una gran cantidad de óptimos locales siendo la causa principal de una preocupante ausencia de estándares tanto en términos de protocolos de comunicación como en términos de organización y representación de información. También nuevos modelos de negocio y de explotación dentro de las organizaciones virtuales de última generación son actualmente temas de atención en el seno de la comunidad científica internacional. Este trabajo se sitúa en el marco de las últimas líneas de investigación orientadas a conciliar soluciones avanzadas, caracterizadas por una ingeniería innovadora, con su aplicación efectiva en el mundo realPileggi ., SF. (2011). Diseño, Especificación, Validación y Aplicación de una Arquitectura modular de gestión de Redes Inalámbricas de Sensores [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/10740Palanci

Model of the mesh type wireless telecommunications system for the management of energy resources in an electrical microgrid.

El incremento continuo de la demanda eléctrica tiene un impacto directo en la degradación de medio ambiente, así como en el cambio climático y el agotamiento de los recursos naturales, lo que nos presenta un nuevo escenario donde se hace necesario avanzar hacia un nuevo concepto de red eléctrica. La incorporación de tecnología digital en el campo de las telecomunicaciones para sistema eléctrico permite el manejo de un flujo de información de carácter bidireccional entre generadores y consumidores, reduciendo así los costos de la generación y transmisión de energía. Por lo mencionado, a través de este trabajo se realizó la descripción de un sistema de comunicaciones inalámbricas con una topología de malla con redes Mesh en un sistema de sensores que soportan un sistema de control distribuido seleccionado para la gestión de energía eléctrica en una microrred. En otras palabras, se pretende trabajar los sistemas de control de manera descentralizada, donde cada uno de los componentes o módulos de la microrred son los responsables de mantener sus propios niveles de potencia, utilizando los correspondientes datos de referencia provenientes de otros módulos del sistema distribuido. La metodología consiste en establecer una modulación digital a través del simulador de red (NS-2), CupCarbon donde cada módulo de generación será un nodo que tendrá la capacidad de conectarse con la red eléctrica y otras microrredes a través de comunicaciones inalámbricas que recibirán los datos de nodos con la característica sensor/actuador para proporcionar información al sistema de gestión [1]. El modelo propuesto facultó referenciar condiciones de optimización con un modelo matemático que a través de un polinomio de tercer orden determinó valores óptimos para que el número de nodos mayor a 130 proporcione un rendimiento de aproximadamente del 80% hasta un 97% para 150, lo que muestra que este sistema de comunicaciones Mesh en microrredes eléctricas es bastante eficiente.he continuous increase in electricity demand has a direct impact on the degradation of the environment, as well as on climate change and the depletion of natural resources, which presents us with a new scenario where it is necessary to move towards a new network concept electrical. The incorporation of digital technology in the field of telecommunications for electrical systems allows the management of a two-way flow of information between generators and consumers, thus reducing the costs of power generation and transmission. Therefore, through this work, the description of a wireless communication system with a mesh topology with Mesh networks was made in a sensor system that supports a distributed control system selected for the management of electrical energy in a microgrid. In other words, it is intended to work the control systems in a decentralized manner, where each of the components or modules of the microgrid are responsible for maintaining their own power levels, using the corresponding reference data from other modules of the distributed system. . The methodology consists of establishing a digital modulation through the network simulator (NS-2), CupCarbon. where each generation module will be a node that will have the ability to connect with the electrical network and other microgrids through wireless communications that will receive data from nodes with the sensor / actuator characteristic to provide information to the management system [1]. The proposed model enabled the referencing of optimization conditions with a mathematical model that, through a third order polynomial, determined optimal values ​​so that the number of nodes greater than 130 provides a performance of approximately 80% to 97% for 150, which shows that this Mesh communication system in electrical microgrids is quite efficient

Sistemas embebidos y en red para el control de sistemas físicos. Estudio de redes inalámbricas de sensores.

En este informe se presenta un estudio sobre los sistemas embebidos y en red para sistemas físicos, a través de la revisión de la literatura disponible, específicamente enfocado en las redes de sensores inalámbricas. Se trata de dispositivos (hardware) que interactúan con el entorno y que se comunican a través de una tecnología de red inalámbrica, y cuyo objetivo es la toma de decisión y realización de una acción inteligente coordinada. Del estudio se concluye que en el campo de las plataformas hardware hay se requiere continuar los esfuerzos hacia la miniaturización. Cuanto más pequeño sea el dispositivo, más posibilidades tendrá de ser integrado en diversos entornos. El éxito de las redes de sensores va a depender en gran medida de esta capacidad. Los desarrollos software analizados intentan ofrecer un entorno que facilite el desarrollo de aplicaciones en las redes de sensores. Se ha revisado el estándar ZigBee/IEEE 802.15.4 y la literatura reciente en este tema, resumiendo las soluciones adoptadas en el estándar y las nuevas propuestas surgidas en los últimos años. Los problemas energéticos todavía no han sido solucionados, hace falta una mayor autonomía energética de los nodos. Además, las redes inalámbricas se consideran aún una opción arriesgada para el control de procesos, debido a la que su fiabilidad no ha sido completamente demostrada

Diseño e implementación de un modelo individual para la simulación de la propagación de malware en redes de sensores inalámbricas

[ES] Las redes de sensores inalámbricas están formadas por un conjunto de dispositivos denominados sensores, que han sido desplegados en un área determinada; además, forman una red sin arquitectura pre-establecida de tipo ad-hoc, es decir, son redes descentralizadas que no requieren una infraestructura preexistente, como los dispositivos de red para el enrutamiento o puntos de acceso inalámbricos. En los últimos años, el malware se ha convertido en una potencial amenaza para las vulnerabilidades del Internet de las Cosas; por lo tanto, estas amenazas en constante evolución afectan a las redes de sensores inalámbricas. La propagación del malware en redes de sensores inalámbricas se ha estudiado desde diferentes perspectivas, con la finalidad de conocer cómo se producen estos ataques y poder definir medidas de seguridad especializadas. Estos estudios se realizan a través de modelos matemáticos, utilizando diferentes herramientas de modelado, como los sistemas de ecuaciones diferenciales ordinarias y sistemas de ecuaciones en derivadas parciales, cadenas de Markov, autómatas celulares o agentes. Sin embargo, la mayoría de estos modelos propuestos excluyen las características individuales de los componentes principales de la red. El objetivo de esta tesis doctoral es definir un modelo individual basado en agentes y desarrollar un entorno computacional que permita la simulación y análisis de la propagación de diferentes tipos de malware en redes de sensores inalámbricas. La metodología que se ha utilizado en este trabajo comienza con una revisión del estado del arte de los temas principales, que incluyen redes de sensores inalámbricas, malware y modelos basados en agentes. Posteriormente, se ha realizado una revisión bibliográfica de los modelos matemáticos que se han propuesto para la simulación del malware en redes de sensores inalámbricas. A continuación se han extraído las características más significativas de las redes de sensores inalámbricas, lo que permitirá crear un modelo matemático bajo el paradigma de modelos basados en agentes, donde se han detallado los agentes involucrados, los coeficientes que les afectan y las reglas de transición que utilizan. Por último, se ha implementado computacionalmente el modelo, utilizando el entorno de trabajo Mesa, desarrollado en Python, que ha permitido analizar los resultados en diferentes escenarios y para diferentes topologías. Finalmente, se ha concluido que tanto los entornos como las topologías influyen en el proceso de propagación del malware. Además, las características computacionales de los sensores pueden ayudar a evitar una rápida propagación, puesto que puede hacer sensores con altas características computacionales que dispongan de algún tipo de mecanismo de seguridad ya implementado

Evaluación de métricas de encaminamiento basadas en LQI para un protocolo de encaminamiento en redes IEEE 802.15.4.

Uno de los campos de investigación más activos actualmente es el de las redes inalámbricas ad-hoc. De origen militar, durante más de 30 años se ha trabajado en este tipo de redes, pero ha sido en los últimos años cuando el auge de la tecnología inalámbrica y su bajo coste han provocado el mayor avance en el desarrollo de la investigación en este campo. Las redes ad-hoc no requieren infraestructura ni administración centralizada. Los nodos hacen a la vez las funciones de terminal y router, ya que todos deberán ser capaces de retransmitir la información de la que no sean destinatarios hacia otros nodos hasta que se alcance el destino. El desarrollo de protocolos y arquitecturas para el diseño de redes ad-hoc, y en concreto de redes de sensores, ha ocurrido paralelamente a la aparición de nuevos estándares de comunicación inalámbricos como el IEEE 802.15.4, orientado a redes inalámbricas de baja velocidad, bajo coste y bajo consumo de potencia. Una de las topologías que define IEEE 802.15.4 es la denominada topología mesh que requiere un protocolo de encaminamiento para la transmisión de datos de un origen a un destino. Pese a que existen estudios que caracterizan la calidad de un enlace IEEE 802.15.4 en base a parámetros proporcionados por las capas físicas y MAC, existe escasa literatura acerca de su aplicación al encaminamiento en redes IEEE 802.15.4 con topología mesh. Este documento presenta un estudio de métricas de encaminamiento alternativas a la métrica clásica denominada “número de saltos” para el protocolo de encaminamiento nst-AODV, diseñado para redes de sensores IEEE 802.15.4 con topología mesh. En particular, se han implementado y evaluado tres métricas: las métricas PDR, ZigBee y ETX que tienen en cuenta la calidad de los enlaces. Para ello, se ha empleado el parámetro LQI, proporcionado por el estándar 802.15.4

Análisis y evaluación del parámetro de calidad de servicio (QoS) en red Zigbee con un nodo coordinador.

En el presente trabajo se expone una visión general de la red de sensores inalámbricos (Wireless Sensor Network, WSN), en particular la red Zigbee, esta tecnología es clave en la realización de la plataforma denominada Internet de las Cosas, que cambia la forma de la transmisión de información entre las cosas, u objetos, al fusionar el mundo físico objetivo juntocon la red de internet. Se analiza la literatura científica acerca de las políticas dela calidad de servicio (Quality of Service, QoS) en la transmisión de datos en redes Zigbee, ya que presentan problemas que afectan al envío y recepción de datos. Se utiliza metodología como la analítica, la exploratoria y la empírica, se debe desarrollar una aplicación. Una red Zigbee contiene 3 dispositivos principales, coordinador, router y dispositivos finales, la literatura científica ha nombrado la comunicación entre un coordinador y router o entre un router y un dispositivo final como comunicación nodo padre- nodo hijo. La distancia alrededor del coordinador con sus nodos hijos se define como diferentes factores de área. El factor de área se denomina zona y cada zona tiene muchos dispositivos finales bajo un enrutador. Cada zona tiene un conjunto de atributos de prioridad para definir su prioridad

Diseño e implementación de una red inalámbrica de sensores para la detección precoz de incendios forestales

[ES] El objetivo de este proyecto es diseñar un sistema de detección de incendios forestales basado en una red inalámbrica de sensores. Para llevarlo a cabo, se realiza un estudio de las redes de sensores, analizando sus características, estructura, topologías de red, algoritmos de enrutamiento y opciones de conectividad inalámbrica de largo alcance más comunes. También se hace un breve repaso a la problemática que existe sobre los incendios forestales y la utilidad que IoT y las Smart Cities pueden ofrecer para la prevención de incendios forestales. Una vez comprendida la naturaleza de las redes de sensores y el papel que pueden jugar en la detección de incendios forestales, se plantea una solución hardware basada en la creación de nodos a medida. También se desarrolla el algoritmo que ejecutan los nodos, el cual implementa una red en malla junto con un enrutamiento por inundación. A continuación, se construye un prototipo en Arduino que implementa el algoritmo desarrollado para, así, comprobar si el objetivo es alcanzable. Para ello, se diseña un plan de pruebas de cuatro partes que comprueban las funcionalidades más importantes, a la vez que evalúan la tolerancia a fallos, la adaptabilidad, la escalabilidad, la correctitud y la fiabilidad e integridad del sistema. Una vez realizadas las pruebas, se obtienen resultados muy prometedores. Lo cual demuestra que, haciendo uso de las redes inalámbricas, la topología en malla y el enrutamiento por inundación, se ha desarrollado un sistema de detección de incendios forestales viable y listo para su implantación.[CA] L’objectiu d’aquest projecte és dissenyar un sistma de detecció d’incendis forestals basat en una xarca de sensors sense fil. Per a dur-ho a terme, es realitza un estudi de les xarxes de sensors, analitzant les seues característiques, estructura, topologies de xarxa, algoritmes de encaminament y opcions de connectivitat sense fil de llarg abast més comuns, També es fa un breu repàs a la problemàtica que existeix sobre el incendis forestals i la utilitat que IoT i les Smart Cities poden oferir par a la prevenció d’incendis forestals. Una vegada compresa la naturalesa de les xarxes de sensors i el paper que poden jugar en la detecció d’incendis forestals, es planteja una solució hardware basada en la creació de nodes a mesura. També es desenvolupa l’algorisme que executen els nodes, el qual implementa una xarxa en malla juntament amb un encaminament per inundació. A continuació, es construeix un prototip en Arduino que implementa l'algorisme desenvolupat per a, així, comprovar si l'objectiu és assolible. Per a això, es dissenya un pla de proves de quatre parts que comproven les funcionalitats més importants, alhora que avaluen la tolerància a fallades, l'adaptabilitat, l'escalabilitat, la correció i la fiabilitat i integritat del sistema. Una vegada realitzades les proves, s'obtenen resultats molt prometedors. La qual cosa demostra que, fent ús de les xarxes sense fils, la topologia en malla i el encaminament per inundació, s'ha desenvolupat un sistema de detecció d'incendis forestals viable i preparat per a la seua implantació.[EN] The objective of this project is to design a forest fire detection system based on a wireless sensor network. To carry this out, a study of wireless sensor networks is conducted, which analyses their characteristics and structure and the most common network topologies, routing algorithms and options for long-range wireless connectivity. A brief review of the issue of forest fires and the utility that the IoT and smart cities have to offer towards the prevention of forest fires is also done. Once the nature of sensor networks and the role they play in the detection of forest fires are understood, a hardware solution, based in the creation of tailor-made nodes, is proposed. The algorithm which the nodes use is also developed, which implements a mesh network together with a flooding routing algorithm. As a continuation, a prototype is constructed in Arduino which implements the developed algorithm in order to test if the objective is obtainable. To this end, a test plan of four parts is designed, which checks the most important functionalities and at the same time, demonstrates the tolerance to failures, adaptability, scalability and correctness, reliability and integrity of the system. Once the tests are conducted, very promising results are obtained. This demonstrates that (whilst making use of wireless networks, mesh topology and flooding routing algorithms) a viable system for the detection of forest fires has been developed, which is ready for implementation.Quintanilla Lahiguera, R. (2019). Diseño e implementación de una red inalámbrica de sensores para la detección precoz de incendios forestales. http://hdl.handle.net/10251/128022TFG

Estudio de las prestaciones en las redes de sensores a través de la influencia de la directividad y eficiencia de los elementos radiantes

En el presente Proyecto Fin de Carrera se estudia y analiza la influencia de los parámetros radiantes de los sensores sobre las prestaciones de redes formadas por un gran número de estos dispositivos. Parámetros de radiación como la eficiencia y directividad de la antena transmisora y receptora, tipo de antena o el diagrama de radiación son analizados en este proyecto. En particular, estos parámetros se introducen a través de un modelo de distancias equivalentes que se utiliza para determinar los posibles enlaces de comunicación entre nodos. Para ello se emplean redes de sensores homogéneas desplegadas de forma aleatoria en la región de interés. La comunicación entre los nodos se efectúa mediante un sencillo algoritmo de enrutamiento, Greedy Forwarding. Además, en este Proyecto Fin de Carrera se han consideran como variables de diseño la densidad de la red y el radio de cobertura de los nodos sensores con el fin de poder establecer algunas guías de diseño de las redes. Para la evaluación y análisis de las prestaciones de red, medidas como el número de mensajes recibidos en el nodo destino, se han considerado tres escenarios diferentes. En el primero las antenas son ideales (es decir, omnidireccionales). En el segundo, las antenas de los sensores son dipolos de diferente longitud, modelados tanto en 2 como en 3 dimensiones. Finalmente, se han considerado patrones de radiación correspondientes a dos antenas reales. _________________________________________________________________________________________________________________________________This Bachelor Thesis examines and analyzes the influence of radiant parameters of sensors on the performance of wireless networks made up by a large number of these devices. Radiation parameters such as efficiency and directivity of the transmitting and receiving antenna, or the type of radiation pattern are analyzed in this Bachelor Thesis. In particular, these parameters have been included through a model based on equivalent distances, which is used to define communication links between nodes. To this aim, a homogeneous sensor network has been randomly deployed in the region of interest. Communication between nodes is established via a simple routing algorithm known as Greedy Forwarding. Additionally, other design variables such as network density and the sensor coverage radius are also taken into account in this Thesis in order to establish some guidelines for network design. Network performance has been assessed through the number of messages received at the destination node for three different scenarios. Initially, antennas are ideal (i.e., they present omnidirectional radiation patterns). In the second scenario, sensor antennas are dipoles of different lengths, shaped in both 2D and 3D configurations. Finally, we have considered the radiation patterns corresponding to two real antennas extracted from the literature.Ingeniería Técnica en Sistemas de Telecomunicació

Evaluación y selección de alternativas de comunicación de transmisión inalámbrica para los campos de producción petrolera en Ecopetrol

Una de las mejores prácticas en el área de instrumentación de producción petrolera es la optimización de la instalación de instrumentos usados para la adquisición de datos. Las redes inalámbricas industriales son una atractiva alternativa a las redes de supervisión y monitoreo convencionales. Ya que, al no requerir un medio cableado facilita una rápida instalación e incluso ofrece la posibilidad de medir en lugares de difícil acceso, donde las instalaciones cableadas son imposibles. Ecopetrol no contaba con un procedimiento adecuado para seleccionar redes inalámbricas de acuerdo con los requerimientos técnicos, económicos, de confiabilidad y seguridad, que cada aplicación puede presentar. Por tal motivo debido al desarrollo reciente de las redes industriales inalámbricas, para la elaboración de esta metodología se realizaron pruebas con seis representante de los diferentes protocolos que permitieron validar el uso de instrumentación inalámbrica en ambientes industriales de producción Petrolera para monitoreo de variables de proceso en pozos, plantas y estaciones de producción. Las pruebas realizadas y los resultados obtenidos en este trabajo de grado son totalmente novedosas y sin antecedentes en Ecopetrol, Colombia y son las primeras reportadas a ISA (International Society of Automation) en sur América, representado un gran beneficio para la industria con requerimientos tecnológicos, llevando a esta investigación a servir como una fuente de información y proporcionando una cobertura equilibrada de temas de la aplicación inalámbrica y de sus diferente protocolos.One of the best practices in the area of instrumentation oil production is to optimize the installation of instruments used for data acquisition. Wireless networks are an alternative to industrial monitoring networks and conventional monitoring. Since, by not requiring wiring half facilitates quick installation and even offers the possibility to measure in hard to reach places where wired facilities are impossible. Ecopetrol did not have adequate procedures to select wireless networks according to the technical, economic, reliability and security, each application can present. Therefore due to the recent development of industrial wireless networks for the development of this methodology was tested in six representing the different protocols validated the use of wireless instrumentation in industrial oil production for monitoring process variables in wells, production plants and filling stations. Tests and results obtained in this grade are totally new and unprecedented in Ecopetrol, Colombia and are the first reported to ISA (International Society of Automation) in South America, represented a great benefit to the industry with technological requirements, taking this research to serve as a source of information and providing a balanced coverage of issues of the wireless application protocol and its different.Magíster en Ingeniería ElectrónicaMaestrí