Resumen: Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring

El monitoreo del hábitat y el ambiente representan una clase de aplicaciones para las redes de sensores con muchos beneficios para las comunidades científicas y la comunidad en conjunto. El uso de estas redes en los espacios naturales puede hacer posible la recopilación de datos que son difíciles si no es que imposibles de obtener de otra manera. Las capacidades de computación y la conexión de redes permiten a las redes de sensores ser reprogramados después de utilización en el campo. Los nodos tienen la capacidad de adaptar su funcionamiento a través del tiempo en respuesta a los cambios en el medio ambiente, el estado de la red de sensores, entre otras cosas.

En este paper, se desarrolla una aplicación de monitoreo de hábitat específico. Se presentan un conjunto de requisitos, restricciones y lineamientos que sirvan de base para una arquitectura de red de sensores general para muchas de estas aplicaciones. También se describen los componentes básicos de la red de sensores, el hardware, las distintas redes implicadas, su interconexión y las facilidades de la gestión de datos. El diseño y la implementación de los servicios esenciales de la red, incluyendo la administración de energía, las comunicaciones, la gestión del nodo pueden evaluarse en este contexto.

Monitoreo del hábitat

Los investigadores de las ciencias de la vida se han estado preocupando cada vez más por los impactos potenciales de la presencia humana en el monitoreo de los animales y plantes en condiciones de campo.  En el mejor de los casos, es posible que la crónica perturbación humana pueda distorsionar los resultados mediante el cambio de los patrones o distribuciones de comportamiento, mientras que en el peor de los casos las perturbaciones antropogénicas pueden reducir seriamente o incluso destruir poblaciones sensibles mediante el aumento de la tensión, la reducción de éxito de la reproducción, el aumento de la depredación, o causar un cambio a hábitats inadecuados.

El efecto de las perturbaciones suelen ser evidentes en los animales, también las poblaciones de plantas son sensibles a que puedan ser pisadas o que a través de las visitas frecuentes sean introducidos elementos tóxicos, así como los cambios en los patrones de drenaje a través de la formación del camino.

Los efectos de estas perturbaciones particularmente son preocupantes en situaciones de islas pequeñas, en las que sea fisicamente imposible para los investigadores evitar algún impacto en toda la población. Además que las islas en algunos casos sirven como refugios para las especies que no pueden adaptarse a la presencia de mamíferos terrestres.

Las redes de sensores representan un avance significativo en los métodos tradicionales de supervisión. Estos pueden desplegarse antes del inicio de la temporada de cría u otro período sensible (en caso de animales) o cuando las plantas estén en reposo o el suelo esté congelado (en caso de estudios botánicos).

La implementación de redes de sensores puede ser a largo plazo un método más económico que los métodos tradicionales para la realización de estudios.

Isla Great Duck

La Universidad del Atlántico (COA) es el lugar donde se realizan las pruebas de campo de redes de sensores para la vigilandia del hábitat. COA tiene programas de investigación de campo actualmente sobre varias islas remotas. La isla Great Duck (44.09N, 68.15W) es una isla pequeña de 237 hectáreas ubicada a 15 km al sur de la isla de Mount Desert, Maine.

En esta universidad se interesaron mayormente en tres cuestiones en la supervisión del paiño boreal (una especie de ave).

1. ¿Cuál es el patrón de uso de madrigueras durante el ciclo de 24 a 72 horas cuando uno o ambos miembros de una pareja reproductora puede alternar tareas de incubación con la alimentación en el mar?
2. ¿Qué cambios se pueden observar en la madriguera y en los parámetros ambientales de superficie a lo largo de la temporada de cría de aproximadamente 7 meses?
3. ¿Cuáles son las diferencias en los micro-ambientes con y sin un gran número de nidos de paiños boreales?

Requerimientos de la isla Great Duck

Acceso a internet

Las redes de sensores en la Isla Great Duck debe ser accesible vía internet. Un aspecto muy importante para las aplicaciones de monitoreo es la habilidad de soportar interacciones remotas con redes en el lugar.

Red jerárquica

La estación del campo en esta isla necesita recursos suficientes para recibir la conectividad a internet y sistemas de base de datos. Sin embargo, los hábitats de interés científico se encuentran a varios kilómetros más lejos. Para esto se utiliza un segundo nivel de red inalámbrica que proporciona conectividad con las redes de sensores implementados en cada una de las áreas de interés.

Durabilidad de la red de sensores

Las redes de sensores que corren durante 9 meses a través de una fuente de energía no recargable tendrían audiencias significativas actualmente. Aunque los estudios ecológicos de la isla Great Duck abarcan varias temporadas de campo, temporadas de campo individuales varían de 9 a 12 meses. Los cambios estacionales así como las plantas y animales de interés determinan sus duraciones.

Funcionamiento autosuficiente

Cada nivel de la red debe funcionar con fuentes de energía limitadas. La isla Great Duck tiene suficiente energía solar para ejecutar varios elementos de la aplicación las 24 horas de los 7 días de la semana con bajas probabilidades de interrupciones del servicio debido a la pérdida de energía.

Gestión a distancia

La lejanía de los sitios de campo requiere la capacidad de monitorear y manejar redes de sensores vía internet. Aunque el personal puede estar en la isla durante algunos meses cada verano, la meta es que no haya presencia en dicho lugar para el mantenimiento y administración durante la temporada de campo, excepto para la instalación y eliminación de nodos.

Funcionamiento discreto

La infraestrucrura del monitoreo del hábitat debe ser discreta. No debe alterar los procesos naturales o comportamientos del estudio. La extracción de la presencia humana a partir de las áreas de estudio, elimina una fuente de error y variación en la colección de datos.

Comportamiento del sistema

Tanto los sistemas y la perspectiva del usuario final, es fundamental que las redes de sensores muestren un comportamiento estable, predecible y repetible siempre que sea posible. Un sistema impredecible, es difícil de depurar y mantener.

Interacciones en el lugar

Aunque se espera que la mayoría de las interacciones con las redes de sensores sean a través de internet, se requieren interacciones locales durante la implementación inicial, durante las tareas de mantenimiento. Los PDAs tienen un papel importante en estas tareas ya que mediante ellas se pueden realizar consultas de los sensores, ajustar parámetros de funcionamiento o simplemente ayudar en la localización de dispositivos.

Arquitectura del sistema de monitoreo del hábitat

Estrategias de implementación

Nodo de red de sensores

En la implementación se utiliza una red inalámbrica con dispositivos motas (dispositivos que pueden detectar señales de luz, temperatura, vibraciones, etc.) como nodos. El último miembro de la familia, es llamado Mica, el cual utiliza un solo canal, 916Mhz de radio frecuencia de Monolithics RF para proporcionar una comunicaión bidireccional a 40kps, un microcontrolador Atmel ATmega 103 funcionando a 4Mhz, y una considerable cantidad de almacenamiento no volátil (512KB). Un par de pilas AA convencionales y un convertidor Boost que proporcionan una fuente de voltaje estable.

Placa de sensores

Con el fin de proporcionar medidas pertinentes a los científicos, se diseñó y fabricó una placa de sensores de monitoreo ambiental. Esta proporciona sensores que supervisan las condiciones ambientales cambiantes con la misma funcionalidad que una estación meteorológica tradicional, incluyendo temperatura, fotorresistencia, presión barométrica, humedad y sensores infrarrojos pasivos.

• El módulo de presión barométrica es un sensor digital fabricado por Intersema. El sensor es sensible a 0.1 mbar de presión y tiene una rango de presión absoluta que va desde 300 hasta 1100 mbar. Este módulo esta calibrado durante la fabricación y los coeficientes de calibración se almacenan en la EEPROM.
• El sensor de humedad está fabricado por General Eastern. El elemento de detección consiste en un electrodo de metalización depositado sobre el polímero de sensor de humedad. El sensor es modulado por un temporizador CMOS 555 para detectar la carga en el condensador que se filtra a través de un circuito RC. El voltaje resultante es amplificado por un amplificador para incrementar la sensibilidad en un rango de 0% a 100% de humedad relativa.
• La termopila es un sensor infrarrojo pasivo fabricado por Melexis. El calor de los cuerpos negros en el campo del sensor de visión provoca una diferencia de temperatura entre la unión fría de la termopila y la membrana de la termopila. El sensor no requiere ningún voltaje de alimentación. La termopila incluye un termistor en la masa de silicio. El termistor puede ser usado para medir la temperatura de la unión fría en la termopila y calcular con precisión la temperatura del cuerpo negro.

Balance energético

Algunas aplicaciones de monitoreo de hábitat necesitan correr durante nueve meses, la longitud de una sola temporada de campo. Mica se ejecuta en un par de pilas AA, con una capacidad de 2.5 amperios-hora (Ah). Se realizo un cálculo conservador de que las baterías estarán en condiciones de suministrar 2.200 mAh a 3 voltios.

Suponiendo que el sistema funcionará de manera uniforme durante el período de implementación, cada noto tiene 8.148 mAh por día disponibles para su uso. La aplicación decide como asignar el presupuesto de energía entre modos de suspensión, sensores, cálculos locales y comunicaciones. En cualquier red, habrá un conjunto de nodos de potencia limitada; cuando estos nodos agotan sus suministros, la red se desconecta y se vuelven inoperables.

Instalación de estación base

Con el fin de proporcionar acceso remoto a las redes de monitoreo del hábitat, la colección de parches de redes de sensores está conectada a internet a través de un enlace de área amplia. En la isla Great Duck, se conectan a internet a través de una conexión vía satélite bidireccional proporcionada por Hughes, similar al sistema de DirecTV. El sistema de satélite está conectado a un ordenador portátil que coordina los parches del sensor y proporciona un servicio de base de datos. La estación base necesita funcionar como un sistema personalizado para una aplicación particular, ya que necesita funcionar sin supervisión.

Sistema de gestión de base de datos

La estación base utiliza la base de datos SQL Postgres. Esta almacena las lecturas con fecha y hora de los sensores, el estado de salud de los distintos sensores y de los metadatos (como la ubicación de los sensores). La base de datos se replica cada quince minutos durante el enlace satelital de área ampla a la base de datos Postgres en Berkeley.

Interfaces de usuario

Se esperan múltiples interfaces de usuarios en la parte superior de la base de datos de la red de sensores. Los sistemas de información geográfica proporcionan un estándar amplamente utilizado para el análisis de los datos geográficos. La mayoría de las estadísticas y los paquetes de análisis de datos, como Matlab, implementan potentes interfaces de datos relacionales.

Resultados

Treinta y dos motas se despliegan en la isla Great Duck, de los cuales nueve están en madrigueras subterráneas. La red de sensores se ha desplegado durante cuatro semanas a partir de la redacción de este paper. Se ha calculado que las motas tienen el poder suficiente para funcionar durante los próximos seis meses.

La gráfica anterior muestra los datos obtenidos del 18 de julio del 2002 al 5 de agosto del 2002. El dispositivo mote se coloco a varios metros por un túnel madriguera. Los valores trazados indican la diferencia entre la temperatura ambiente y el objeto en el campo de la termopila. También se muestra que un paiño boreal dejó la madriguera el 21 de julio y regresó el 23 de julio. El ave volvió a dejarla entre el 30 de julio y el 1 de agosto.

Conclusiones

Como se menciona en el documento, las aplicaciones de redes de sensores en áreas pequeñas donde es complicado tener acceso tienen un papel importante ya que en algunos casos es necesario monitorear a las especies que se encuentran en dicho hábitat, esto en especial es importante cuando algunas especies de algunos lugares están en peligro de extinción o cuando son una especie difícil de encontrar.

Considero que al contar con una red de sensores se pueden extraer datos importantes que los científicos pueden analizar con algún fin, también facilita mucho a que los mismos tengan que hacer acto de presencia en el lugar, y con ayuda de estas redes pueden monitorear el hábitat vía internet.

Referencia:

Joseph Polastre , Robert Szewczyk , Alan Mainwaring , David Culler , John Anderson, "Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring", Proceeding WSNA '02 Proceedings of the 1st ACM international workshop on Wireless sensor networks and applications, New York, 2002,  pp. 88-97. [En línea]. [Fecha de consulta: 26 de Mayo, 2013] Disponible en: http://www.cs.berkeley.edu/~culler/papers/wsna02.pdf