Resumen: Data Collection, Storage, and Retrieval with an Underwater Sensor Network

Data Collection, Storage, and Retrieval with an Underwater Sensor Network

por I. Vasilescu , K. Kotay , D. Rus , M. Dunbabin , P. Corke

En el paper se presenta una nueva plataforma para redes sensoras submarinas para utilizarse en monitoreo de arrecifes de coral a largo término. La red sensora consiste en nodos sensores tanto estáticos y móviles, bajo el agua. Losnodos se comunican punto a punto utilizando un sistema de comunicación óptico de alta velocidad integrado dentro del stack TinyOS, y difunden la señal utilizando un protocolo acústico integrado en el mismo TinyOS. Cuentan con una gran variedad de capacidades de sensores, incluyendo cámaras, sensores para la temperatura del agua y presión. Los nodos móviles pueden localizar y flotar encima de los nodos estáticos, para realizar tareas de mantenimiento de la red como la relocalización y recuperación.

Se describen las arquitecturas de hardware y software para la red sensora submarina, además de los protocolos de redes acústicas y ópticas usados.

Introducción

La aplicación de las redes sensoras inalámbricas bajo el mar tiene un alto potencial para el monitoreo del estado de los ríos y ambientes marinos. Los océanos por sí mismos cubren 70% del planeta y junto a los ríos y lagos son críticos como fuentes de agua para nosotros. Monitorear estos ambientes es difícil y costoso para los humanos (los buzos usualmente regulan el tiempo y las profundidades a las que llegan, y requieren un bote en la superficie, lo que es costoso y depende del clima).

Una red sensora lanzada bajo el agua, puede monitorear variables físicas como la temperatura, presión, conductividad, turbiedad y ciertos contaminantes. Además se pueden añadir sensores para obtener imágenes y poder visualizar y medir los cambios en el ambiente o hasta contar y clasificar especies.

Sin embargo, problemas como la eficiencia de la batería, el lanzamiento y reparación de los dispositivos son comunes en tierra, por lo que bajo el agua sería mucho más difícil. 

Recolección de Datos

La red sensora submarina que se propone facilita el estudio de sistemas complejos submarinos, regulando y automatizando la recolección de datos. Los sensores estáticos permiten la grabación sintomática de datos. Los nodos móviles permiten "data muling" eficiente e integración, envío de datos a la base en la superficie (independiente de la localización física de los sensores) y operaciones submarinas en largo término.

Por ejemplo, se considera una gran área del fondo del mar donde los nodos se colocan en una cuadrilla de 200m y cubren un área de 10 x 10 km con 50 x 50 nodos. El largo del camino que se necesitaría para visitar todos los nodos es 50km, que en una velocidad eficiente de un submarino a 0.5 m/s tomaría 28 horas de viaje. Además, cada nodo hace mediciones cada 10 minutos, lo que comprende 4 bytes, dando un total de 24 bytes por hora o .56 Kbytes por día. La red de 50 x 50 nodos entonces almacenaría 1.37 MBytes por día. 

Los datos pueden ser recolectados de dos formas: con un robot autónomo funcionando como un cargador de datos utilizando comunicación óptica de rango corto ó usando una red de comunicación acústica con ruteo de nodo a nodo. Si el robot visito cada nodo y utilizo la transmisión óptica desarrollada en el paper (con una tasa de 320 Kbytes por segund) 6.86 MBytes serán cargados en 21 segundos. Este proceso consumiría solo 48 mJ de energía de cada nodo.

Infraestructura de Hardware

La investigación del paper contiene dos elementos de hardware críticos, los nodos sensores submarinos, y los vehículos autónomos submarinos que proveen comunicaciones, movilidad y un medio para recuperar y despliegue de nodos. En el paper se utilizan dos vehículos: Starbug y Amour.

Nodo sensor submarino Aquafleck

Se utilizan 20 nodos sensores submarinos llamados Aquaflecks. Cada nodo está construido al rededor de un CPU llamado Fleck, basado en el procesador ATmega128, con 128Kbytes de memoria flash, 4 Kbytes de RAM. El CPU Fleck es una interfaz a una placa de comunicación óptica especial con dos pines digitales IO. Uno de esos pines es usado para encender o apagar un LED, mientras que otro es usado para sentir  la salida de un diodo. Todos los electrónicos analógicos están en la placa de interfaz. El Fleck es además una interfaz con la placa de sensores. 

Amour

Amour es un nodo móvil (vehículo submarino autónomo) usado para ensamblar y transportar los nodos Aqua Fleck. Amour puede también localizar un nodo sensor submarino y flotar encima de el para recolectar datos. 

El cuerpo del robot consiste en un tubo acrílico de 48.26 cm de largo y 15.24 cm de diámetro. Tiene cuatro propulsores con un máximo poder de 150W y una propulsión estática máxima de 35 N cada uno. Dos de sus propulsores están alineados verticalmente. Un sensor de presión proporciona una retroalimentación acerca de la profundidad.  Una brújula magnética es usada para conocer la orientación y permite patrones en la navegación, como por ejemplo movimiento a través de la cuadrícula, y búsqueda en espiral. La batería es de polímero de lítio a 140W. El procesador principal es un microcontrolador de 8 bits con 64 Kbytes de memoria para programas y 2 Kbytes de RAM.

Starbug 

El vehículo submarino autónomo Starbug es usado para localizar los nodos Aquafleck por visión, para flotar encima de los AquaFleck para recolectar datos y para ensamblarse con el Amour para proveer retroalimentación y control visual para un gran largo de navegación. Starbug es un híbrido diseñado para optimizar la duración, maniobrabilidad y funcionalidad. 

La duración se logra de mejor manera mediante un vehículo con estilo de torpedo, aunque requiere que el vehículo tenga movimiento longitudinal. La maniobrabilidad se logra mediante los vehículos tipo caja típicos para la mayoría de plataformas de investigación. 

La red

La comunicación entre redes sensoras en tierra es primeramente basada en radio, debido al bajo costo en energía necesario para transmitir mensajes de radio y la básica naturaleza omnidireccional de la propagación de radio. Desafortunadamente, la mayoría del espectro electromagnético es significativamente atenuado por el agua salada, dejando las aplicaciones de radio sin uso en esta situación. La excepción está en la porción visible de luz del espectro que es menos atenuada, especialmente en las frecuencias de luz verde y azul. La ventaja principal de la comunicación óptica es la alta tasa de datos (en teoría) debido a la frecuencia de alta señal, mientras que las desventajas son el rango y la operación en línea de visión. 

El otro acercamiento obvio para comunicación submarina es el sonido. Éste ha sido usado extensivamente para la localización (en forma de sonar) y para comunicaciones en rangos cortos. Mientras que la comunicación acústica puede ser usado para rangos mucho mayores a los ópticos, también sufre de atenuación, con altas frecuencias siendo atenuadas más que bajas frecuencias de señal. En el paper, se incorpora un híbrido entre ambos.

La comunicación óptica, aunque está restringida a aplicaciones con rango corto, tiene un ancho de banda teórico mucho más alto que la comunicación acústica. Esto la hace interesante cuando se necesitan transmitir grandes cantidades de datos. En una situación donde se requiere hacer mediciones bajo el agua por un tiempo largo, cada sensor puede acumular una cantidad de datos, especialmente si los nodos están equipados con cámaras. 

Enviar ésta cantidad de datos sobre un enlace de comunicación acústico de baja velocidad requeriría una cantidad significativa de tiempo, y prevendría otros nodos de comunicarse acústicamente debido a la naturaleza de la comunicación acústica. Sin embargo, usando comunicación óptica, los datos pueden ser transferidos rápidamente sin prevenir señalización de eventos  usando comunicación acústica. 

Conclusión del Paper

En el paper se reporta un primer prototipo para una red sensora submarina, describiendo el hardware, la infraestructura de la red, entre otras características. El trabajo demuestra que las redes sensoras son factibles bajo el agua. Demuestra además los beneficios de crear un sistema submarino que combina nodos estáticos y móviles en una misma red, como una combinación de comunicación acústica para transmisiones de baja tasa de datos y comunicación óptica para alta tasa de datos en comunicaciones punto a punto.

Conclusión personal

El paper establece una buena alternativa para realizar mediciones bajo el agua utilizando redes sensoras. Las aplicaciones que un sistema como éste puede tener son enormes, pensando en cosas como monitorear el estado de arrecifes, o la contaminación de un determinado río o lago, o hasta monitorear y clasificar diferentes especies marinas a diferentes profundidades.

Presenta un interesante modelo, combinando tanto comunicaciones acústicas como comunicaciones ópticas, para poder hacer un balance entre las ventajas y desventajas de ambas y contar con un sistema de nodos estáticos que realizan las mediciones y nodos móviles que flotan sobre ellos cada cierto tiempo recolectando los datos.

Referencias:

• I. Vasilescu , K. Kotay , D. Rus , M. Dunbabin , P. Corke,
  "Data Collection, Storage, and Retrieval with an Underwater Sensor Network",
(Proceedings of the International Conference on Embedded Networked Sensor Systems ),(ACM SenSys 2005)