Abstract
In this paper the application of WSN in the area of rescues in case of natural disasters is studied, the WSN can scan for survivors in the natural disaster affected areas; the objective of using the wireless network is the detection of human existence in case of natural disaster, the deployment of the network makes it possible to communicate in the strategic point with the person, wireless sensor networks is one of the current technologies Further development in the real-time monitoring in risk scenarios and emergency, for example, an entire network works with 30 geological sensors and 30 wireless sensor nodes, each node collects point information, store it and proceed to monitor on a central node that is not involved in the risk scenario.
Keywords— WSN, detención y comunicación, sensores, escenario de riesgo.
Las redes inalámbricas de sensores en escenarios de riesgo y emergencia, tiene un enfoque de seguridad para las personas, y para rescate en caso de un desastre; la tarea del sistema de las redes de sensores inalámbricas, (WSNs), es mantener en contante monitoreo la zona de riego [1], la información recogida por cada nodo o sensor, es enviada a un nodo central, en el nodo central se monitorea cada información recibida, la información se utiliza para ayudar a las personas en la realización de las tareas de rescate o de prevención, los sensores en su aplicación de exploración para las personas tener la tarea de rescate, suele ser muy peligrosa, para ello está la red inalámbrica de sensores, que puede estar conformada por robots, [2], los robots pueden ser aéreos, o móviles terrestres, existen diferentes técnicas de exploración.
Un escenario de riego o emergencia, es un deslizamiento de tierra, desborde de un rio caudaloso, suelo con fallas geológicas, la implementación de los sensores inalámbricos puede ser utilizado para medir la resistencia de la tierra, el flujo de agua que recorre por el caudal del rio, toda la información monitoreada a tiempo real, por múltiples sensores o robots digitales, los sensores o robots pueden llevar acciones deseadas, incluyendo el despliegue rápido de exploración en la zona. [1] Y [2]; con un mayor reconocimiento geológico del lugar antes y después de la catástrofe, se puede estimar donde pueden estas sobrevivientes y acceder a ellos muy rápidamente y evacuándolos de inmediato, los robots localizan a las personas y se comunican con ellos, de inmediato un grupo de rescate intersecta con ellos optimizando tiempo y recursos.
Los accidentes en escenarios de riesgo, o catástrofes que han sido imposible explorar en la búsqueda de sobrevivientes, está motivado nuestra investigación, un ejemplo una catástrofe nuclear, los altos niveles de radiación no pueden ser detectados por las personas, es necesario localizar en un perímetro considerado hasta el núcleo de la catástrofe para medir los niveles de radiación en el aire y como se mueve por el aire la radiación, con lo consiguiente evitar que personas sean afectadas su salud por la radiación. [2]
Enfoque
Con la red de sensores inalámbricos, el enfoque y objetico es recoger datos de algunos puntos dados de interés y enviar estos datos a una estación central a través de los sensores inalámbricos [3] sobre la base de las características físicas y ambientales de la aplicación de los sensores, su ubicación debe estar muy cerca a lugares donde la energía esté disponible, o se pueda limitarse a las posiciones donde no corra riesgo ni la torre del sensor inalámbrico ni afecte al medioambiente [4] ; WSNs también pueden ser colocados al azar o determinar basado en el despliegue esquemático que depende el monitoreo del escenario de riesgo, para el escenario en emergencia de despliega sensores controlados por robots, sean aéreos o de movilización terrestre [5] en general el objetivo deseado es poder rastrear, explorar, con facilidad un escenario de riesgo o de emergencia, sin ninguna dificultad, los sensores inalámbricos y los robots que de igual manera funciona inalámbricamente funciona como sensores enviando información precisa y en tiempo real, entonces la exploración y los procesos de asignación de búsqueda pueden ser relativamente mucho más fácil ser manejados.
Considerar una red de sensores inalámbricos que se ha desplegado a realizar la detección de un objetivo en el escenario de riesgo, supongamos que el objetivo es estacionario y que cada nodo realiza una recopilación de información con la información recibida en el nodo local se puede tomar decisiones convenientes ahorrando energía, recursos, y tiempo. [6] La contribución principal del trabajo es presentar una manera de chequeo rápido en un escenario de emergencia mediante sensores inalámbricos.
desarrollo
Las redes inalámbricas de sensores WSN, se basan en dispositivos en la comunicación entre nodos, que son capaces de obtener información de su entorno, procesarla localmente y comunicarla a través de enlaces inalámbricos hasta un nodo central de coordinación; los nodos actúan como elementos de infraestructura de las comunicaciones entre el nodo central y el nodo más lejano.
La red de sensores inalámbricos está formada por numerosos dispositivos distribuidos espacialmente, que utilizan sensores para controlar diversas condiciones en distintos puntos, entre ellos está la temperatura, la vibración del suelo, la presión y movimiento, en el escenario de riesgo los sensores pueden ser fijos o móviles. Debido a la vida de la batería la mayoría de sensores son fijos con alimentación de la red de energía eléctrica.
5.1 Comunicación y Adquisición de Datos en la Red de Sensores Inalámbricos.
Una red de sensores inalámbricos es una infraestructura compuesta por elementos de cómputo, medición y comunicación que permite la administración de observar y reaccionar a eventos y fenómenos en un ambiente específico o escenario de riesgo, [7]. La infraestructura está compuesta de un conjunto de nodos de sensores, una red de interconexión inalámbrica, un nodo central de recolección de la información, se puede observar en la siguiente figura la infraestructura.
Figura 1. Arquitectura de la red de sensores inalámbricos. [8]
1. Enlace de datos: Los enlaces de datos consiste en un controlado especifico, o nodo principal, que controla los dispositivos mediante una frecuencia de radio, el nodo principal al estar en una ubicación segura fuera del escenario de riego, ejecuta las decisiones tomadas y obliga a los sensores o nodos en el escenario a cumplir la función, a su vez la comunicación es bidireccional envía y recibe información. [1].
2. Capa de red: Es la responsable del enrutamiento de paquetes y la organización en la red de comunicación, de manera que los mensajes de emergencia tengan prioridad, la forma de recibir la información se almacena en una cola dependiendo su prioridad e información, si es información del ambiente tendrá un archivo propio de guardado, si es un mensaje de socorro el mensaje desde el nodo receptor hasta el nodo principal tendrá mayor velocidad de comunicación. [1].
3. Transporte de la información: La forma de envió de la información puede ser de dos maneras, por un medio de mínima confianza, o de lata confianza, la forma de transporte depende mucho de los protocolos y normas usadas. [1].
A. Detención y reporte de eventos.
El objetico es la detención de un evento infrecuente, como puede ser la presencia de una anomalía en un volcán, o falla geológica activa, un incendio en un bosque. Una vez detectado el evento debe ser inmediatamente comunicado al nodo central, muchos de los sensores estarán inactivos durante todo el tiempo antes de la catástrofe, solo están comparando condiciones ya establecidas como velocidad del viento, temperatura, humedad, si uno de esas condiciones es quebrantada se activa el sensor y empieza a enviar paquetes de información de lo que está ocurriendo a su alrededor. [7], [9].En general, una gran cantidad de energía es consumida. Como es raro que ocurra un evento, los nodos utilizan muy poca energía en transmitir realmente la información. Por ello, se busca que los nodos funcionen en modo ahorro de energía.
El primer procedimiento a considerar es las falsas alarmas, para esto sirve la comunicación entre nodos si un grupo de nodos detecta el mismo evento el paquete de información es enviada al nodo central, en caso contrario se envía un mensaje de aviso desde el nodo que sea el único que detecta la anomalía para que sea revisado por personal técnico.
Figura 2. (a) Detección de incendios en un bosque, (b) Monitoreo de cultivos. [9]
B. Direccionamiento y Encaminamiento del Paquete de Información.
Para el encaminamiento en este tipo de aplicaciones en [10] se destaca la necesidad de un mecanismo de direccionamiento especial, la construcción de rutas de manera eficiente y que permita el ahorro de energía, es necesario un enlace y el encaminamiento y una etiqueta de los datos del lugar de donde fueron generados, por la gran cantidad de nodos no resulta conveniente utilizar una dirección para cada nodo, ya que sería necesario un tamaño de dirección bastante grande, ya que los nodos solo se comunican con sus nodos vecinos y el nodo central no es necesario una dirección solo basta con su ubicación geográfica, latitud y longitud.
C. Recolección de datos
Incluye el monitoreo del escenario de riesgo o emergencia, los sensores recogen mucha información en todo el tiempo mucha de esa información es repetitiva, y constantemente que dese ser encaminada al nodo central, en el nodo central se puede distribuir la información si es valiosa se procede a guardarla o en caso de ser información periódica solo basta en guardar un periodo y no toda la información duplicada. [11].
5.2 Implementación de la Red de Sensores Inalámbricos en el escenario de riesgo o emergencia.
Este trabajo propone un sistema empleando WSN, para realizar un monitoreo de escenarios en riesgo o emergencia por un ejemplo una área que puede sufrir incendios forestales [12], En la figura se muestra la arquitectura del sistema propuesto en este trabajo el cual está integrado por tres tipos de dispositivos: la red de sensores (WSN), la estación base y uno o varios vehículos aéreos no tripulados, (sensores digitales), [13], [14] estos componentes son extendidos sobre la zona afectada por el incendio mediante los vehículos aéreos, después de ubicados los sensores constituyen una red inalámbrica interconectada con total autónoma, cada sensor se encarga de monitorizar el terreno más cercano registrando las mediciones continuas de variables físicas, [15], como es el caso de la temperatura, la presión, la humedad y la velocidad y dirección del viento; con esos datos se puede controlar el incendio y saber para donde se dirige.
Figura 3. Arquitectura de un sistema de WSN para monitorear incendios forestales [13]
1. La estación base constituida por un ordenador dirigido a la zona del incendio, este equipo se encuentra conectado a la WSN a través de un nodo central, este a su vez se conecta a uno de los puertos del ordenador, y no realiza tareas de obtención de datos, sino que se limita a reencaminar hacia la estación base la información que recibe del resto de nodos. [13].
2. La estación base es la encargada de ejecutar el modelo de predicción del fuego, que se irá reajustando en tiempo real con la información proporcionada por la red de sensores. [13].
3. información es utilizada en última instancia por el puesto de mando para decidir la mejor estrategia de actuación contra el fuego. [13].
5.3 Problemas de las redes de sensores inalámbricos
A. Fallas de los Sensores Inalámbricos.
El reconocimiento de una falla de un sensor inalámbrico es de mucha ayuda, esto evita tener mala información desde el escenario de riesgo o emergencia, la detección de nodos con fallas consiste entre el intercambio de información entre nodos vecinos, con este intercambio de información y la contante comunicación entre todos los nodos y el nodo central, detecta que nodo envía información no muy convincente o con información defectuosa [8], las WSN tienen la capacidad de auto-restauración, es decir, si se avería un nodo, la red encontrara nuevas vías para encaminar la comunicación de los paquetes de datos; de este modo la red sobrevira en su conjunto, aunque haya nodos individuales que pierdan comunicación, o potencia, en un caso de desastre se destruyan.
Las fallas entre los nodos de los sensores incluyen fallas permanentes, en los que los nodos se convierten en puntos muertos, que no receptan ni envían información, o que el nodo se comporta de forma arbitraria o maliciosamente, en un ejemplo si el sensor es de temperatura empezara a marcar otros valores destinos a los reales, dificultando una idea clara de cómo se encuentra el escenario de riesgo. [16].
B. Problemas físicos de los sensores inalámbricos.
Los sensores inalámbricos funcionan a base de batería, sus baterías son limitadas y para el suministro de energía demanda tiempo es recompensar dicha energía, no se puede usar otras formas de energía como un motor a gasolina porque el medio ambiente es de principal conservación. [17]
Analizando las temáticas y trabajos desarrollados en los papers consultados, la red de sensores inalámbricos, son muy importantes para controlar, o prevenir un evento en el algún escenario de riesgo, tan solo monitoreando y observando la información se pueden salvar vidas humanas, flora y fauna de un medio ambiente monitoreado; y debido a las excelentes características que nos ofrece esta tecnología es mayor el nivel de control y monitorización de una catástrofe la cual lleva a una mejora del manejo del medio en el que se está utilizando y de tener una mejor respuesta frente a los inconvenientes o simplemente para perfeccionamiento del mismo escenario; además los WSN se destacan por aportar una disminución de trabajo de riesgo para las personas, la propuesta es monitorear y controlar un escenario de riesgo o emergencia desde los sensores y robots colocados en el escenario.
[1] | T. H. M. K. Heiko Will, «Wireless Sensor Networks in Emergency Scenarios: The FeuerWhere Deployment». | |||||||||||||||||||||
[2] | V. C. G. K. G. Gurkan Tuna, «An autonomous wireless sensor network deployment system using mobile robots for human existence detection in case of disasters,» Department of Computer Programming, Trakya University, Edirne, Turkey, 2012. | |||||||||||||||||||||
[3] | M. (. M. Babak Behsaz, «Near Optimal Design of Multi-level WSNs for Environmental Monitoring,» University of Alberta, Edmonton, Alberta. | |||||||||||||||||||||
[4] | F. Al-Turjman, «Connectivity optimization with realistic lifetime constraints,» Conference on Local Computer Networks, 2009. | |||||||||||||||||||||
[5] | K. A. M. Younis, «Strategies and techniques for node placement,» 2008. | |||||||||||||||||||||
[6] | E. J. C. VIBHAV KAPNADAK, «Optimal Nonuniform Deployment of Sensors for Distributed Detection in Wireless Sensor Networks,» Georgia Institute of Technology, Purdue University, Atlanta, USA, 2014.. | |||||||||||||||||||||
[7] | M. D. Z. T. Sohrahy Kazem, «Wirelees Sensor Networks,» edicion 2007, Wiley, 2007. | |||||||||||||||||||||
[8] | J. A. A. G.-R. ARSLAN MUNIR, «Modeling and Analysis of Fault Detection and Fault Tolerance in Wireless Sensor Networks,» University of Nevada, University of Florida, Gainesville, USA, 2015. | |||||||||||||||||||||
[9] | A. W. Holger Karl, «Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks,» Wiley, 2005. | |||||||||||||||||||||
[10] | M. T. T. W. W. Li Yingshu, «Wireless Sensor Network and Application,» Spinger, 2008. | |||||||||||||||||||||
[11] | M. T. K. G. C. Ronan Mac Ruair´i, «Wireless Sensor Network Application Requirements Taxonomy,» Spinger, 2008. | |||||||||||||||||||||
[12] | Y. Ö. C. B. Murat Denera, «Fire Detection Systems in Wireless Sensor Networks,» Procedia, Social and Behavioral Sciences, 2015. | |||||||||||||||||||||
[13] | M. A. J. A. M. A. I. A. A. U. M. Muhammad Saqib Jamila, «Smart Environment Monitoring System by employing Wireless Sensor Networks on Vehicles For Pollution Free Smart Cities,» ELSEVIER, Procedia Engineering, United States of America, 2015. | |||||||||||||||||||||
[14] | K. S. J. W. Sven Rademacher, «Wireless gas sensor network for the spatially resolved measurement of hazardous gases in case of a disaster,» ELSERVIER, Procedia Engineering, USA, 2015. | |||||||||||||||||||||
[15] | L. BUTTYA, «APPLICATION OF WIRELESS SENSOR NETWORKS IN CRITICAL INFRASTRUCTURE PROTECTION: CHALLENGES AND DESIGN OPTIONS,» BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS, BUDAPEST, 2014. | |||||||||||||||||||||
[16] | A. W., «WIRELESS SENSOR NETWORKS,» USA, 2002. | |||||||||||||||||||||
[17] | Z. Z. W. W. D.-Z. D. James Willson, «Fault-Tolerant Coverage with Maximum Lifetime in Wireless Sensor Networks,» INFOCOM, University of Texas at Dalla, USA, 2015. | |||||||||||||||||||||
Biografía
Alexis Bolívar Crespo Carreño.
Nació el 15 de febrero de 1992 en la ciudad de Sucúa,Graduado del colegio Río Upano en la especialidad de físicomatemático, actualmente es estudiante de quinto ciclo de la Universidad Politécnica Salesiana en la carrera de ingeniería electronica Ecuador.
Raúl Eduardo Astudillo Astudillo.
Nació el 21 de enero de 1992, en la ciudad de Cuenca-Ecuador, graduado en el colegio Tecnico Guillermo Mensi, estudiante de quinto de la Universidad Politécnica Salesianaen la carrera de Ingeniería Electrónica Ecuador
Christian Jonnathan Sari Uguña
Nació el 7 de agosto de 1994,estudio la secundaria en el colegio técnico "Guillermo Mensi" graduándose en la especialidad de "Electrónica de Consumo". Actualmente se encuentra estudiando Ingeniería Electrónica en la "Universidad Politécnica Salesiana Ecuador"
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Eduardo Astudillo,
Alexis Crespo,
Christian Sari
Universidad Politécnica Salesiana Ecuador