El proyecto SIPIA-LP tiene como objetivo la optimización del uso energético de una red inalámbrica de sensores (WSN), desarrollada en el contexto de un Proyecto de Investigación y Desarrollo anterior, e instalada en una finca para el monitoreo de parámetros ambientales para el estudio de heladas agronómicas. La WSN está basada en la norma IEEE 802.15.4, que establece el comportamiento a nivel de capa física y de enlace, utilizando la banda libre de 2.4 Ghz. Para la interoperabilidad de estas redes y nodos entre sí, es fundamental la evaluación y estudio de distintos protocolos de comunicación de la Internet de las Cosas, como 6LoWPAN, que permitiría que cada nodo contara con una dirección IPV6. Se está trabajando en el laboratorio en la construcción de una cama de pruebas de sensores inalámbricos en el laboratorio, para comprobar el funcionamiento de los protocolos, métricas de conectividad, y estabilidad del sistema operativo de los nodos (Contiki OS).Eje: Arquitecturas, Redes y Sistemas OperativosRed de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI

Altamiranda, Nicolás

Diedrichs, Ana

Gonzalez, Matías

Grunwaldt, Guillermo

Mercado, Gustavo

Pecchia, Matías

Tabacchi, Germán

Taffernaberry, Juan Carlos

Spanish

SEDICI - Repositorio de la UNLP

RED SIPIA-LP 
Estudio de mecanismos de bajo consumo energético aplicados  
a Red de Sensores Inalámbricos en el ámbito de Agricultura de Precisión. 
Ana Diedrichs,  Carlos Taffernaberry,  Gustavo Mercado,  
Guillermo Grunwaldt, Matias Pecchia, Germán Tabacchi,  
Matías Gonzalez, Nicolás Altamiranda. 
GridTICs – Grupo en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones 
 Departamento de Electrónica / Facultad Reg. Mendoza / UTN Rodríguez 273, Capital – Mendoza,  
{ana.diedrichs, gustavo.mercado, carlos.taffernaberry}@gridtics.frm.utn.edu.ar 
 
Resumen  
El proyecto SIPIA-LP tiene como objetivo la 
optimización del uso energético de una red 
inalámbrica de sensores (WSN), desarrollada en el 
contexto de un Proyecto de Investigación y 
Desarrollo anterior, e instalada en una finca para el 
monitoreo de parámetros ambientales para el 
estudio de heladas agronómicas. La WSN está 
basada en la norma IEEE 802.15.4, que establece 
el comportamiento a nivel de capa física y de 
enlace, utilizando la banda libre de 2.4 Ghz. Para 
la interoperabilidad de estas redes y nodos entre sí, 
es fundamental la evaluación y estudio de distintos 
protocolos de comunicación de la Internet de las 
Cosas, como 6LoWPAN, que permitiría que cada 
nodo contara con una dirección IPV6. Se está 
trabajando en el laboratorio en la construcción de  
una cama de pruebas de sensores inalámbricos en 
el laboratorio, para comprobar el funcionamiento 
de los protocolos, métricas de conectividad, y 
estabilidad del sistema operativo de los nodos 
(Contiki OS). 
Palabras Clave: WSN, 6LoWPAN , 802.15.4, 
Internet de las Cosas, Agricultura de Precisión, 
Bajo Consumo  
Contexto 
El presente trabajo está inserto en el proyecto 
de investigación acreditado por la Universidad 
Tecnológica Nacional código UTI3646TC 
denominado RED SIPIA-LP: estudio de 
mecanismos de bajo consumo para aplicar a una 
red de sensores inalámbricos en el ámbito de la 
agricultura de precisión.  
Introducción 
La agricultura de precisión consiste en el uso de 
sistemas de información basados en diversas 
tecnologías aplicadas al ámbito de la producción 
agraria y una de las áreas donde puede implantarse 
con mayor rapidez las tecnologías de sensado 
inalámbricas. 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. Por medio de sensores 
estratégicamente situados, se pueden monitorizar 
parámetros tales como la temperatura o la 
humedad de las hojas, con el fin de detectar 
rápidamente situaciones adversas y desencadenar 
los tratamientos apropiados. Ya existen varios 
emprendimientos comerciales que venden estas 
soluciones y algunas incluyen soluciones de 
sensado inalámbrico, como: Verdtech S.A. [1], 
Adcon Telemetry [2], Crossbow's technology [3], 
D2ARS (“Diseño y Desarrollo de Aplicaciones de 
Redes de Sensores” [4]), Libelium [5].  
Redes de Sensores 
Un conjunto de motes comunicados entre sí es lo 
que conocemos como una red de sensores 
inalámbrica (Wireless Sensor Network o WSN) 
[6]. Los motes, nodos de la WSN, constan de una 
unidad de procesamiento con un poder de cómputo 
mínimo, memoria, una unidad de comunicación 
inalámbrica, baterías y uno o varios dispositivos de 
sensado que capturan parámetros como 
temperatura, aceleración, humedad, etc. Son 
dispositivos sensores multifuncionales y 
multipropósito de bajo costo que operan con poca 
energía, de un tamaño pequeño, y de una 
capacidad de comunicación inalámbrica a corta 
distancia. Los nodos sensores pueden variar según 
el fabricante en capacidades de cómputo, memoria, 
interfaces de comunicación, etc. 
La distribución de los mismos puede ser aleatoria 
o planeada, lo cual permite su uso en 
prácticamente en cualquier ambiente físico. Esta 
característica es provista por un conjunto de 
protocolos y algoritmos específicos para WSN. 
Otro de los beneficios que caracteriza a una red de 
sensores es que sus nodos pueden trabajar de modo 
202
cooperativo, aumentando sus posibilidades de 
aplicación, por ejemplo, procesando los datos 
capturados antes de comunicarlos al usuario final o 
concentrador, o utilizando funciones de auto-
configuración para ser más tolerantes a las fallas. 
Las redes inalámbricas de sensores proveen la 
flexibilidad necesaria para disminuir tiempos de 
instalación, recolección de datos y mantenimiento, 
si se les compara con recolectores de datos (data 
loggers) o sistemas SCADA tradicionales; además 
permiten muestrear las variables de interés con 
mayores resoluciones espaciales y temporales a lo 
alcanzable con métodos tradicionales. 
El estándar IEEE 802.15.4: 
El estándar IEEE 802.15.4 [7] define las 
características de la capa física y de la capa de 
control de acceso al medio (MAC) para redes 
inalámbricas de área personales (WPAN, Wireless 
Personal Area Networks) de baja tasa de 
transmisión. Las ventajas de utilizar el estándar 
IEEE 802.15.4 es que permite la utilización de 
dispositivos de fácil instalación que proveen 
transmisiones confiables a distancias cortas a un 
precio muy bajo, proporcionando un tiempo de 
vida razonable al utilizar fuentes de energía 
limitada (e.j. baterías alcalinas) y al mismo tiempo  
una pila de protocolos simple. Las características 
generales, presentadas, del estándar de 
comunicación IEEE 802.15.4, son: tasas de 
transferencias de 250Kb/S, 40Kb/S y 20Kb/S, 
manejo de redes en estrella y malla (peer-to-peer), 
direccionamiento corto con 16 bits y extendido con 
64 bits, garantía del manejo de las ranuras de 
tiempo (GTS, guaranteed time slot), detección de 
los niveles de energía recibidos (ED, energy 
detection), indicadores de calidad en el enlace así 
como de conmutación de canales para recibir 
paquetes(LQI, link quality indication), acceso al 
canal por CSMA/CA (CCA, clear channel 
assessment). 
Low-power and Lossy Networks (LLNs) 
Las redes de bajo consumo y tolerantes a pérdidas 
(Low-power and Lossy Networks (LLNs) ) pueden 
conectarse a un gran número de nodos, cuyos 
recursos (cómputo, energía) son limitados para 
formar una red inalámbrica ad-hoc. Los grupos de 
trabajo de la IETF como 6LoWPAN, ROLL [17] y 
CORE, han definido los protocolos para varias 
capas del stack de protocolos, incluyendo una 
adaptación de IPV6, un protocolo de ruteo y un 
protocolo de transferencia de datos web, que han 
sido basados en radios de bajo consumo IEEE 
802.15.4. El modo Timeslotted Channel Hopping 
(TSCH) fue introducido en 2012 como un 
agregado a la MAC del estándar IEEE 802.15.4. 
TSCH es un estándar emergente para la industria y 
el control de redes LLNs, inspirado en los ya 
existentes WirelessHART e ISA100.11a. Los 
nodos de una red IEEE802.15.4e [8] se pueden 
comunicar utilizando multiplexación por división 
de tiempo (TDMA). Una ranura de tiempo en un 
cronograma provee una unidad de ancho de banda 
que es reservada para la comunicación entre dos 
nodos vecinos. La reserva de la ranura de tiempo 
puede ser programada para que la comunicación 
sea predecible. Esto permite evitar que los nodos 
gasten energía en dejar sus tranceptores en modo 
recepción a la espera de un paquete, extendiendo el 
tiempo de vida de las baterías de los dispositivos. 
Además la funcionalidad de salto de canales 
permite mayor confiabilidad ante la interferencia 
en un canal.  6TSCH [18] es una iniciativa del 
IETF cuyo objetivo es utilizar IPv6 sobre el modo 
de funcionamiento TSCH del estándar IEEE 
802.15.4e, ya que IEEE 802.15.4e no define 
ningún método para construir y mantener el 
cronograma o sincronizacion entre nodos. Esta 
capa recibe el nombre de 6top [19] y ofrece 
interfaces de gestión y datos para capas superiores. 
Finalmente para la capa de aplicación podemos 
desarrollar protocolos propietarios, o basarnos en 
estándares abiertos, para lograr tener 
compatibilidad con otras aplicaciones, como REST 
(REpresentational State Transfer) [20] o COAP 
Constrained Application Protocol (CoAP) [21].  
Especificación de IPv6: 
La Internet de las Cosas debería poder acceder a 
entre 50 a 100.000 millones de objetos e incluso 
seguir sus movimiento o las variaciones de los 
parámetros sensados. Ésto es algo que no se puede 
hacer en la actualidad utilizando IPv4, el protocolo 
de ruteo de Internet, pues cada dispositivo necesita 
identificarse con una única numeración IP y como 
es de dominio público el direccionamiento Ipv4 [9] 
está agotado para asignar nuevas numeraciones. La 
IETF desde hace algunos años trabaja en un nuevo 
protocolo de Internet (protocolo IPv6), que 
permitió superar esta limitación [10]. Entre las 
mejoras que aporta respecto a IPv4, podemos 
enumerar las siguientes: 
- Capacidad de direccionamiento expandida a 128 
bits 
- Calidad de servicio (Qos): IPv6 puede diferenciar 
los paquetes de datos como pertenecientes a un 
flujo particular, y así otorgar un ancho de banda en 
función de cada necesidad. 
- Autoconfigurable (Neighbour Discovery): en 
IPv6 los nodos no necesitan ser configurados 
manualmente. 
203
- End to end: IPv6 no usa NAT ya que tiene 
direcciones globales para todos los nodos.  
- Simplificación del formato del encabezamiento:  
Especificación 6LoWPAN 
Contemplando las tendencias de la Internet de las 
Cosas y las redes de sensores inalámbricos de área 
personal de baja potencia, otro grupo de trabajo de 
la IETF desarrolló 6LoWPAN [11] que brinda 
soporte para redes de Sensores al protocolo IPv6. 
La interacción de los nodos de sensores con IPv6 
implica que cada red de sensores pueda fácilmente 
interactuar con cualquier otro nodo de cualquier 
red IPv6, incluyendo Internet. Lo que significa que 
cada sensor pueda ser accedido desde cualquier 
parte del mundo. El protocolo 6LoWPAN fue 
desarrollado para hacer posible el “Internet 
Embebido” simplificando las funcionalidades de 
protocolo de Internet IPv6, definiendo un 
encabezado muy compacto y tomando en cuenta la 
naturaleza de las redes inalámbricas. 
El estándar define el formato de la trama de 
transmisión de paquetes IPv6, así como la 
configuración del direccionamiento IPv6 de link 
local y las direcciones globales configuradas 
automáticamente. Se define una capa de 
adaptación, debido a que IPv6 requiere el manejo 
de paquetes con tamaños mucho más grandes que 
el tamaño del tramas máximo de IEEE 802.15.4 
(127 bytes). También se definen mecanismos para 
la compresión de encabezado IP, necesarios para 
hacer eficiente el uso de IPv6 sobre redes IEEE 
802.15.4, y las disposiciones necesarias para la 
entrega de paquetes en redes de mallas [12]. 
Objetivos y Resultados  
Objetivo Principal 
Diseñar, simular, implementar y validar el 
comportamiento de una red de sensores 
inalámbricos de bajo consumo, a campo, y con 
conexión a IoT, en testbed, para la adquisición de 
parámetros ambientales agrícolas. 
Objetivos secundarios 
- Relevar las exigencias de consumo de energía 
para el escenario de despliegue de la WSN en 
aplicaciones agrícolas. 
- Desarrollar de una WSN eficiente 
energéticamente. 
- Estudiar, simular y evaluar los protocolos de 
comunicación de internet de las cosas. 
- Documentar y difundir los resultados.    
Avances y resultados preliminares 
Se desarrolló un prototipo de red basado en la 
norma IEEE 802.15.4 [7] para las capas física y 
enlace. Se diseñó e implementó un sistema de 
gestión que permite prever y determinar el tiempo 
de agotamiento de baterías, para un mote en 
particular. Para ello se usan como parámetros el 
hardware instalado, tipo de baterías y tipo de mote 
y el protocolo de administración de la energía 
utilizado.  
Se trabajó en un sencillo algoritmo de 
enrutamiento [16] de datos específico para dicho 
prototipo, buscando maximizar el rendimiento 
energético del sistema, reduciendo el overhead. El 
método antedicho, permite minimizar el 
procesamiento necesario por parte del mote y 
reducir el consumo por la transmisión de paquetes 
pequeños.  
Se implementó y ensayó un protocolo de 
propagación de sincronismo, determinando la 
mejor relación entre el bajo consumo y el menor 
error admisible. Se optó por un esquema 
centralizado, en el cual se resincroníza la red de 
manera pasiva, habiendo determinado de manera 
experimental la cantidad mínima de tiempo 
necesaria entre sincronizaciones sucesivas.  
Se implementó un software de gestión en línea. 
Para el que se estudiaron casos de aplicación y se 
realizó un relevamiento de requerimientos para el 
desarrollo de la interfaz humana y de carácter 
funcional.  
Se estudia y se realizaron las primeras pruebas 
simuladas de 6lowPAN para nodos IEE802.15.4, 
utilizando S.O Contiki [13,15] y su simulador 
Cooja [15,14]. 
Formación de Recursos Humanos 
Desde la creación del GridTICs, uno de los 
objetivos a realizar fue la capacitación de los 
recursos humanos tanto del grupo como externos. 
Esta actividad de formación se viene cumpliendo 
desde el comienzo, junto a la divulgación de las 
tecnologías de redes de sensores. En el punto 11, 
“Estado de avance" de esta misma presentación, se 
puede apreciar los actividades realizadas por el 
proyecto anterior para la formación de recursos 
humanos. 
La meta como investigadores es fortalecer la 
capacidad para realizar investigación científica, 
generar conocimientos y facilitar la transferencia 
de tecnología que permita el desarrollo humano. 
El camino para lograr este objetivo lleva a 
aumentar el número de científicos dedicados a la 
investigación en el país, incrementar la 
productividad científica e integrar a la comunidad 
204
científica con el sector productivo y con el sector 
social. Por tanto es importante el desarrollo de 
infraestructura y el capital humano de ciencia y 
tecnología. 
Este proyecto de investigación posibilita la 
colaboración inter-institucional y la ejecución de 
proyectos conjunto entre grupos I+D de diferentes 
disciplinas entre las cuales podemos mencionar: 
- Agricultura de precisión, Software embebido, 
Calidad de software, Redes de datos, sensado, 
mediciones de parámetros. 
Para lograr estos objetivos se desarrollarán: 
- Dictado de Cursos, Seminarios y Conferencia 
para público especializado de la región. 
- Promoción, coordinación y asistencia técnica de 
tesinas de grado para alumnos de Ingeniería de 
Sistemas de Información e Ingeniería Electrónica 
de la FRMza 
- Promoción, coordinación y asistencia técnica a 
pasantes alumnos, cursantes de carreras de grado y 
de pre-grado (Academia Cisco, tecnicaturas, etc) 
en el ámbito de la UTN FRMza 
- Promoción, coordinación, dirección y asistencia 
técnica a Tesis doctorales, postgrado y/o maestría. 
- Presentación de Trabajos en Congresos y 
Reuniones Técnicas/Científicas. 
- Publicación de Trabajos en revistas con/sin 
referato. 
Referencias 
[1] Verdtech S.A., website: 
http://www.verdtech.es/ 
[2] Adcon Telemetry, website 
http://www.adcon.com/index.php?lang=en 
[3] Crossbow's technology, http://www.moog-
crossbow.com/ 
[4] Universidad de Colima y Universidad de 
Valencia. http://www.d2ars.org 
[5] Libelium, website http://www.libelium.com/ 
[6] “Wireless Sensor Networks” Ian Akyildiz, 
Mehmet Can Vuran - Wiley – 2010. 
[7] IEEE Std 802.15.4-2003: Wireless Medium 
Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) 
Specifications for Low-Rate Wireless Personal 
Area Networks (LR-WPANs),” IEEE Standard, 
2003 
[8] 802.15.4e-2012 - IEEE Standard for Local and 
metropolitan area networks--Part 15.4: Low-Rate 
Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) 
Amendment 1: MAC sublayer 
http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.
15.4e-2012.pdf 
[9] Informe LACNIC, 
“Distribuciones/Asignaciones IPv4, espacio 
disponible y pronósticos (Informe Abril 2012)”, 
http://www.lacnic.net/sp/registro/espacio-
disponible-ipv4.html 
[10] Robert L. Fink "IPv6—What and Where It 
Is”, The Internet Protocol Journal, Volume 2, 
Number 1, March 1999  
[11] N. Kushalnagar, G. Montenegro, and C. 
Shumacher, “IPv6 over lowpower wireless 
personal Area networks (6lowpans),” RFC 4919, 
Aug. 2004. 
[12] G. Montenegro, N. Kushalnagar, J. Hui, and 
D. Culler, “Transmission of IPv6 packets over 
ieee802.15.4 networks,” RFC 4944, Sep. 2007. 
[13] Adam Dunkels, Bjorn Gronvall, and Thiemo 
Voigt. Contiki-a lightweight and exible operating 
system for tiny networked sensors. In Local 
Computer Networks, 2004. 29th Annual IEEE 
International Conference on , pages 455-462. 
IEEE, 2004  
[14] Osterlind, Fredrik, et al. "Cross-level sensor 
network simulation with cooja."Local computer 
networks, proceedings 2006 31st IEEE conference 
on. IEEE, 2006. 
[15] Contiki Os & cooja simulator website: 
http://www.contiki-os.org/ 
[16] Diedrichs, Ana Laura, Germán Tabacchi, 
Guillermo Grunwaldt, Matías Pecchia, Gustavo 
Mercado, and Francisco Gonzalez Antivilo. "Low-
power wireless sensor network for frost 
monitoring in agriculture research." InBiennial 
Congress of Argentina (ARGENCON), 2014 IEEE, 
pp. 525-530. IEEE, 2014. 
[17] RPL: IPv6 Routing Protocol for Low-Power 
and Lossy Networks - 
http://tools.ietf.org/html/rfc6550 
[18] 6tsch architecture 
http://tools.ietf.org/html/draft-thubert-6tsch-
architecture-02 
[19] 6top http://tools.ietf.org/html/draft-wang-
6tsch-6top-00 
[20] Richarson, Leonard ; Amundsen, Mike 
“RESTful Web APIs” - O'Reilly - 2013 
[21] Constrained Application Protocol (CoAP) 
https://datatracker.ietf.org/doc/draft-ietf-core-coap/ 
 
 
205


RED SIPIA-LP : Estudio de mecanismos de bajo consumo energético aplicados a Red de Sensores Inalámbricos en el ámbito de Agricultura de Precisión

http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/52944/Documento_completo.pdf?sequence=1

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