Post on 07-Nov-2015
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UNIVERSIDADSIMNBOLVAR
DecanatodeEstudiosProfesionales
CoordinacindeElectrnica
RecoleccinInalmbricadeDatosdeSensoresen
PozosPetrolerosdeBajaProduccin
Por
LuisGerardoRoaHarris
Sartenejas,enerode2007
UNIVERSIDADSIMNBOLVAR
DecanatodeEstudiosProfesionales
CoordinacindeElectrnica
RecoleccinInalmbricadeDatosdeSensoresen
PozosPetrolerosdeBajaProduccin
Por
LuisGerardoRoaHarris
RealizadoconlaAsesorade
Lic.RicardoGonzlez
Ing.GerardoFernndez
InformeFinaldeCursosdeCooperacinTcnicayDesarrolloSocial
PresentadoantelaIlustreUniversidadSimnBolvar
comorequisitoparcialparaoptaralttulodeIngenieroElectrnico
Sartenejas,enerode2007
UNIVERSIDADSIMNBOLVAR
DecanatodeEstudiosProfesionales
CoordinacindeElectrnica
RecoleccinInalmbricadeDatosdeSensoresen
PozosPetrolerosdeBajaProduccin
InformeFinaldeCursosdeCooperacinTcnicayDesarrolloSocial presentadopor
LuisGerardoRoaHarris
REALIZADOCONLAASESORIADELic.RicardoGonzlezeIng.GerardoFernndez
RESUMEN
Elpresentetrabajoestudialafactibilidaddeimplementarredesinalmbricasdesensores
enelambientedeproduccindelaindustriapetrolera,atravsdelanlisisderequerimientos
de instrumentacin en pozos petroleros de distintasmodalidades de extraccin, as como el
anlisisde los factoresquepudiesen impedir la transmisindedatos.Para lograr realizar el
estudiodefactibilidadpreviamentemencionado,serealizaronpruebasconunainstalacinde
redbsica,bajocondicionesespecficasyanlogasaaquellaspresentesenunpozopetrolero.
De esta manera se evalu el comportamiento de la red instalada, manipulando distintos
factoresquepudiesencausarvariacioneseneldesempeodelared.Finalmente,sepresentan
losresultadosobtenidosdelaspruebasrealizadas,ascomolasconclusionesderivadasdelos
mismos.
PALABRASCLAVES
Instrumentacin, redes inalmbricas, ZigBee, nesC, sistemas embebidos, control
inalmbrico,petrleo,reduccindecostos.
Sartenejas,enerode2007
ParamipequeafamiliaenValencia:Gerson,Romy,Joa, JunioryBongo,
ParamifamiliaenlaUSB:Saisberg,ngel,Hngaro,Angelo,Uru,PapOso, Vince,
Aquiles,Nubia,Maripepi,ElNegro ,Juanvi,Chechi,
ParamigranfamiliaenCaracas:Lichi,Anita,Tabi,Kevy,Mau,Aquiles,Cori,Csar,
Carlitos,Dios,Alejo,David,Itsvan,Diego,Sindie,Titi,yunlargoetc
Enresumen,paramisfamilias
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar, agradezco a mi tutor industrial Ricardo Gonzlez por haber puesto
anunciosdelproyectoenvariasparedesdelaUSB,porrespondermisemailsyaceptarmeen
elproyecto.Tambinobviamenteporsututoradurantetodalapasanta,por losconsejosen
momentosacertadosylosregaosenmomentosmeritorios.
Luego,agradezcoamireincidentetutoracadmicoGerardoFernndezpornuevamente
haber impuesto su estilo de tutora Si vas mal me avisas garantizndole menos
preocupaciones,yammstrabajo.En losverdaderosmomentosdenecesidadsupresencia
fuemsquegrata.
Agradezco a mi familia, la pequea de Valencia, por haber dado seguimiento a la
pasanta a punta de preguntas cada vez que los visitaba. Sin ese constante interrogatorio
probablementenohubiesellevadounregistrotandetalladodelprocesodetrabajo.
Agradezco a Mauricio Angeli, quin hizo su pasanta al mismo tiempo que yo y se
convirti en un gran aliado vaMSNcasi todos los das. Siempreme recordaba lomismo:
Esqunotienesnadaquehacer?TRABAJA.Casualmenteyotambinledecalomismo.
Finalmente, agradezco a Ana Vsquez, quin de manera ms espordica apareca en
MSNparapreguntarme como iba,queme faltaba,comome senta, etc.Comosiempre, fue
unagranayudaenmomentosfrustrantesydifciles.
NDICEGENERAL
Captulo1:Introduccin 1
Captulo2:ObjetivoyFases 4
Captulo3:FundamentosTericos 6
3.1. Radiofrecuencia 8
3.1.1.FundamentosdeRadiocomunicaciones 8
3.1.2. TcnicasdeEspectroDisperso 15
3.2. Capturadeinformacin 18
3.2.1.ConceptosBsicos 18
3.2.2.MediosdeTransmisin 20
3.2.3. SistemasdeadquisicinSCADAyDCS 21
3.3. RedesInalmbricasdeSensores 24
3.3.1.CaractersticasdeunaRIS 24
3.3.2. Topologa 25
3.3.3. EstndaresdeRIS 26
3.3.4.ModeloFuncionalparaRIS 35
3.4. AlgunasaplicacionesactualesdeRIS 41
3.4.1. IndustriaenGeneral 41
3.4.2. IndustriadePetrleoyGas 42
3.4.3.AgriculturayMedioambiente 44
3.4.4. Seguridadydefensamilitar 45
3.5. Mtodosbsicosdeproduccindepetrleo 47
3.5.1. ProduccindeFlujoNatural 47
3.5.2. ProduccinporBombeoMecnico 47
3.5.3. ProduccinporBombeodeCavidadProgresiva(BCP) 49
Captulo4:Desarrollodelasfasesdelproyecto 52
4.1. Identificaryestudiarlosparmetrosdeoperacindelospozos,ascomolos
mtodosyestrategiasaemplearpararecolectarlosmismos 52
4.1.1. Estudiodeparmetrosamedir 53
4.1.2. Identificacindelossensoresaemplear 55
ii
4.1.3. Pruebadeoperacindelossensores 58
4.1.4.Recoleccindedatosensituacionescontroladas 58
4.2. Identificaryestudiarlosfactoresqueintervienenenlatransmisininalmbricade
losparmetrosdeoperacindelsistemaenestudio 60
4.2.1. EstudiodelEspectroutilizadoylasbandasISMdisponibles 60
4.2.2.Anlisisdelosfactoresderiesgoenlatransmisininalmbrica 61
4.2.3. Identificacinyestudiodeposiblesfuentesdeinterferencia 62
4.3. Aplicacindelasestrategiasidentificadasenunprototipodeadquisicindedatos
delsistemaenestudio 63
4.3.1.DiseodeunaarquitecturadeRIS 64
4.3.2. Pruebaoperativadeenvodedatosdelossensores 66
4.3.3. Pruebasdeestrsdelsistema 67
4.4. Documentacindelasolucinyelaboracindeinforme 67
4.4.1.Documentacindelainstalacin 67
4.4.2.Documentacindeprogramasempleados 68
4.4.3.Descripcinydocumentacindelprototipoutilizado 72
Captulo5:ProtocolodePrueba 74
5.1. PruebadealcancelinealconTmoteSky 75
5.2. PruebadealcanceradialconTmoteSky 76
5.3. PruebadealcanceconTmoteInventyTmote Sky,condiferenciadealtura 77
5.3.1.Configuracin#1 77
5.3.2.Configuracin#2 78
5.3.3.Configuracin#3 78
5.4. Pruebadesistemadetuberas 78
5.4.1.Configuracin#1 80
5.4.2.Configuracin#2 81
5.4.3.Configuracin#3 83
Captulo6:ResultadosyDiscusin 85
6.1. ResultadosdealcancelinealconTmoteSky 85
6.2. ResultadosdealcanceradialconTmoteSky 90
6.3. ResultadosdealcanceconTmoteInventyTmoteSky,diferenciadealtura 93
iii
6.3.1.Configuracin#1 93
6.3.2.Configuracin#2 94
6.3.3.Configuracin#3 94
6.4. Resultadosdesistemadetuberas 96
6.4.1.Configuracin#1 96
6.4.2.Configuracin#2 98
6.4.3.Configuracin#3 99
Captulo7:ConclusinyRecomendaciones 101
Captulo8:ReferenciasBibliogrficas 103
Captulo9:Bibliografa 106
iv
NDICEDETABLASYFIGURAS
Tablas:
1.Bandasdeespectroradioelctrico 9
2.Fuentesderuidomssignificativas 12
3. Estndaresdetransmisinanalgicosydigitales 21
4. Perfilesparaeldesarrollodeaplicaciones 29
5. Paquetedetransmisindenodos 65
6.ResultadosPrueba5.1 85
7.ResultadosPrueba5.2 90
8.ResultadosPrueba5.3.1 93
9.ResultadosPrueba5.3.2 94
10.ResultadosPrueba5.3.3 94
11.ResultadosPrueba5.4.1 96
12.ResultadosPrueba5.4.2 98
13.ResultadosPrueba5.4.3 99
Figuras:
1. Propagacinapartirdeantenasisotrpicas 11
2. InterferenciaCoCanal 13
3. InterferenciaCanalAdyacente 13
4. SealesFHSS 16
5.ComparacinentresealbandaestrechayDSSS 17
6. Sistemadecontroldelazocerrado 19
7.ArquitecturaSCADAtpica 22
8.CapasdelmodeloBluetooth 27
9.CapasPHYyMAC(IEEE802.15.4)ycapasMWKyAPL(ZigBeeAlliance) 32
10. SupertramadesincronizacinportiempoenMAC 34
11. SistemadeBombeoMecnico 48
12. SistemadeBCP 50
13.Detalledeunabombadecavidadprogresiva 51
14. SensordepresinHoneyWellSerieSPT 56
v
15. SensordetemperaturaHoneyWellHEL716T11200 56
16. SensoresdecorrienteHoneyWellCSNA111 56
17. SensordeultrasonidoHoneyWell 946A4V2D2C065E 57
18. SensordepresinRoseMount1151 57
19. SensordetemperaturaRoseMount1131 58
20.Ubicacinpararecoleccindedatosensituacionescontroladas 59
21. Esquemadeverificacinderecepcin 66
22.DiagramadelaclaseInterfaz 69
23.DiagramadelaclaseSensor 70
24.DiagramadelaclaseParameterInterface 70
25.Diagramadesecuenciadelprogramabase 70
26.DiagramadelaclaseSensor 71
27.DiagramadelaclaseACK 72
28.DiagramadesecuenciadeSecuencia 72
29. TmoteSky 73
30. PantallaprincipaldelprogramaTrawler 74
31. TmoteSkyfijadoaunatuberaEMT 75
32. EsquemademedicinPrueba5.1 75
33. EsquemademedicindePrueba5.2 76
34. TmoteInventa5mdealtura 78
35.Ambienteparecidoalambientedetrabajoenpozos 79
36. Invent,nodo1 80
37. Invent,nodo2 80
38.MontajedeConfiguracin#1 80
39. EsquemadePrueba5.4.1 81
40. Inventnodo1 82
41. Inventnodo2 82
42. EsquemadePrueba5.4.2 82
43. Inventnodo1,vistasuperior 83
44. Inventnodo1,vistainferior 83
45. EsquemadePrueba5.4.3 84
vi
46. Prueba5.1 LQIvs.Distancia 88
47. Prueba5.1 Paquetesperdidosvs.Distancia 89
48. Prueba5.2 LQIvs.ngulo 91
49. Prueba5.4.1 LQIvs.Tiempo 97
50. Prueba5.4.2 LQIvs.Tiempo 99
51. Prueba5.4.3 LQIvs.Tiempo 100
vii
LISTADESMBOLOSYABREVIATURAS
ADC:AnalogDigitalConverter
AODV:AdhocOndemandDistanceVector
ASCII:AmericanStandardCodeforInformationInterexchange
API:AmericanPetroleumInstitute
AVL:AutomaticVehicleLocation
BCP:BombeodeCavidadeProgresiva
bps:bitsporsegundo
BPSK:BinaryPhaseShiftKeying
CDMA:CodeDivisionMultipleAccess
CSMA/CA:CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidance
CTS:ClearToSend
CONATEL:ComisinNacionaldeTelecomunicaciones
CUNABAF:CuadroNacionaldeAtribucindeBandasdeFrecuencias
DAC:DigitalAnalogConverter
DCS:DistributedControlSystem
DMA:DirectMemoryAccess
DSSS:DirectSequenceSpreadSpectrum
EEUU:EstadosUnidos
FFD:FullFunctionDevice
FHSS:FrequencyHoppingSpreadSpectrum
FPGA:FieldProgrammableGateArray
FSK:FrequencyShiftKeying
GPRS:GeneralPacketRadioService
GPS:GlobalPositioningSystem
GSM:GlobalSystemforMobileCommunications
HMI:HumanMachineInterface
IEEE:InstituteofElectricandElectronicEngineers
IEC/ISA:InternationalElectrotechnicalCommission/Instrumentation,Systemsand
viii
AutomationSociety
ISM:Industrial,ScienceandMedicine
IP:InternetProtocol
LORAN:LOngRAngeNavigation
LPWPAN:LowPowerWirelessPersonalAreaNetwork
LQI:LinkQualityIndicator
MAC:MediumAccessControl
OOK:OnOffKeying
OQPSK:OffsetQuadraturePhaseShiftKeying
OSI:OrganizacindeeStndaresInternacionales
PEL:PrdidadeEspacioLibre
PLC:ProgrammableLogicController
psi:librasporpulgadacuadrada
RF:Radiofrecuencia
RFD:ReducedFunctionDevice
RFID:IdenticiacinporRadiofrecuencia
RIS:Red(es)Inalmbrica(s)deSensores
RTD:ResistanceThermalDevice
RTS:RequestToSend
RTU:RemoteTerminalUnit
SCADA:SupervisoryControlAndDataAdquisition
TDM:TimeDivisionMultiplexing
TCP/IP:TransferControlProtocol/InternetProtocol
UML:UnifiedModellingLanguage
UPS:UninterruptedPowerSource
UWB:UltraWideBand
WLAN:WirelessLocalAreaNetork
WPAN:WirelessPersonalAreaNetork
CAPTULO1: INTRODUCCIN
Desde la invencin de la computadora amediados de los aos 50, los cientficos han
intentado de muchas maneras supervisar mediante esta herramienta el funcionamiento de
algunosprocesos,siempreycuandostospresentaranpuntosen loscuales sepudiesemedir
algunavariablefsica.Pocomsdemediosiglodespusestoscientficossehanespecializado
envarioscampos:ingenieradecontrol,elctrica,electrnica,deprocesos,industrial,etc.Pero
elobjetivo,agrandes rasgos, nohacambiadomucho, todosstos siguen con lapremisade
supervisar procesos sin importar su naturaleza para lograr un mejor desempeo de los
sistemas.
En la actualidad venezolana la industria con mayor crecimiento, capital y campo de
inversineslaindustriadelpetrleoygas.EnlasltimastresdcadasVenezuelahabuscado
establecerse en el mercado petrolero a travs de Petrleos de Venezuela y sus empresas
filiales.Esdeasumirque,conuncampodeexplotacindistribuidoalolargoyanchodelpas,
PDVSAdebecontarconunagenerosacantidaddeingenierosparacadapozo,yporendeuna
grancantidaddesistemasdesupervisinycontrolencadauno.Dadaladiversidadderangos
deproduccinpetroleraanivelgeogrfico,enalgunospozosdeproduccinreducidaobaja,
contarconunsistemadecontrol sofisticado resultamuycostosoypoco rentable.Enbasea
estasituacin,paraestospozosseplanteansistemasdemonitoreoalternativosquereduzcan
loscostosyasuvezoptimiceneldesempeorazonablemente.
Conelaugededesarrollodesistemasinalmbricosparaaplicacionesdiversas,seplantea
lasiguienteincgnitaoproblema:Serun sistemainalmbricodecontrolunasolucincosto
efectiva? Y podemos encontrar muchas respuestas desde varios mbitos de estudio en la
industriadelpetrleoygas.Entreestos tenemos:
1. MEOWS:VigilanciadePozosdeBajaProduccin,desarrolladoporPetrolects
LLCparaVaqueroEnergyenEEUU.(Medizadeetal.,2004)
2. Monitoreo de Maquinaria Crtica de la Sala de Mquinas de un Banquero,
desarrolladoporCrossbowenEEUU. (Kevan,2006)
3. Identificacin por Radiofrecuencia (RFID) en Refineras, desarrollado por
MultiSpectralSolutionsparaBPCherryPoint,enEEUU. (Swedberg,2006)
2
Todasestasaplicacionestienenundenominadorcomn,elusodetecnologainalmbrica
paraoptimizarciertoproceso.Yaseaporrazonesdeseguridad,espacio,omeramenterazones
econmicas,lainversinenRedesInalmbricasdeSensores(RIS)haidocreciendoconforme
alasdemandasdelasdiversasindustriasydelavanceeninvestigacin.
El presente libro tiene comopropsito reflejar las experiencias tericas y prcticas de
instalacinymanejodeRISenambientesindustriales,teniendocomocasodeestudiopozos
debajaproduccin.Paracumplirestepropsito sehaceunestudiodeaquellos factoresque
pudiesen intervenir, o interferir, en la transmisin de datos adquiridos por sensores. Este
estudio se lleva a cabo a travs de diversas pruebas de campo, realizadas para evaluar el
desempeo de una RIS bajo condiciones previamente estipuladas, las cuales simulan el
ambientedetrabajoenunpozopetrolero.Enbasealresultadodeestaspruebas,seconcluye
sobreeldesempeodelaRISysufactibilidaddeimplementacin.Asimismosepresentanlos
programas desarrollados para ser implementados como software de la RIS, mediante la
utilizacindeunlenguajeyunsistemaoperativodelicencialibre,ydeusoestandarizadoenel
mercadodelasRIS.
Acontinuacinsedesglosaelcontenidodecadacaptuloquecontieneelpresentelibro:
Captulo2:presentaelobjetivoquesebuscaconlarealizacindelproyecto,ylasfases
enlascualessesubdivideelmismo.
Captulo3:presentael fundamentotericosobreelcual sesustentaesteproyectode
pasanta, tanto en RIS como en sistemas de control, fundamentos de
radiocomunicacionesyestudiodeproduccindepozospetroleros.
Captulo 4: constituye el reporte del desarrollo del proyecto en s, de acuerdo a las
fasesestablecidas.
Captulo 5: presenta el protocolo planteado para la realizacin de las pruebas que
permitenevaluareldesempeoy la factibilidadde implementacindeunaRIS.Para
cadapruebaseenumeranmaterialesyequiposnecesarios,seexplicaelprocedimiento
utilizadoysepresentaelobjetivobuscadoconlarealizacindecadauna.
Captulo6:presentalosresultadosobtenidosencadaexperienciaprctica,ascomoun
anlisisdelosmismos.
Captulo 7: cierra el contenido del presente libro con las conclusiones obtenidas y
recomendacionesparalacontinuacindelproyecto.
3
Finalmenteselistanlasreferenciasconsultadasparalaescrituradelpresentelibro,yla
bibliografasugeridaparaprofundizarmseneltema.
CAPTULO2: OBJETIVOYFASES
Elobjetivodelproyectoesrealizarunestudiodelosfactoresasociadosalacapturade
parmetrosdeoperacindepozosdebajaproduccinysuposteriortransmisininalmbrica.
CondichoestudiosepretendeanalizarlafactibilidaddelautilizacindeRISenambientesde
produccinpetrolera,ascomodeterminar lasmetodologasdeinstalacinyespecificaciones
de uso de dicha red. Para ello se esquematiz el proyecto en fases y lneas de accin, de
acuerdo a los diferentes mbitos de estudio a tomar en cuenta. Estos mbitos se pueden
clasificardelasiguientemanera:
En primer lugar se realiza un estudio de parmetros de operacin de un pozo
petrolero, para tener presente la gama de variables que pudiesen ser
monitoreadas,lossensoresquesepodraninstalarparamedirestosparmetrosy
lacaracterizacindeunambientedepruebaquepermitaevaluareldesempeode
laRIS.
Posteriormente,serealizaunestudiodemediosinalmbricosyfactoresderiesgo
involucradosenlatransmisindelosdatosobtenidosdelossensores,parapoder
definir puntos clave en la instalacin de la RIS que minimicen la prdida de
informacin.
Luego se procede a especificar el diseo deun prototipo inicial del sistemade
adquisicin y una arquitectura de red bsica, para ser sometido a pruebas de
desempeo.
Finalmente,serealizaladocumentacingeneraldelproyecto.
Enbaseaestosmbitossedefinen4 fases,condistintas lneasdeaccinencadauna,
quepermitenllevaracaboelproyectodemaneraorientadaalobjetivoplanteado.Comoesde
esperarse,algunasdelaslneasdeaccinantecedenaotras,porloquelaejecucindelasfases
noserealizademaneraparalelasinolineal.Acontinuacinsepresentanlasfasesenlasquese
esquematizelproyecto,ascomosusrespectivaslneasdeaccin:
5
1. Identificar y estudiar los parmetros de operacin de los pozos, as como los
mtodosyestrategiasaemplearparasurecoleccin.
a. Estudiodeparmetrosamedir.
b. Identificacindelossensoresaemplear.
c. Pruebadeoperacindelossensores.
d. Recoleccindedatosensituacionescontroladas.
2. Identificar yestudiar los factoresque intervienenen la transmisin inalmbrica
delosparmetrosdeoperacindelsistemaenestudio.
a. EstudiodelespectroutilizadoydelasbandasISMdisponibles.
b. Anlisisdelosfactoresderiesgoenlatransmisininalmbrica.
c. Identificacinyestudiodeposiblesfuentesdeinterferencia.
3. Aplicacindelasestrategiasidentificadasenunprototipodeadquisicindedatos
delsistemaenestudio.
a. Diseodeunaarquitecturade RIS.
b. Pruebaoperativadelenvodedatosdelossensores.
c. Pruebasdeestrsdelsistema.
4. Documentacindelasolucinyelaboracindeinforme.
a. Documentacindeinstalacin.
b. Documentacindeprogramasempleados.
c. Descripcinydocumentacindelprototipoutilizado.
CAPTULO3: FUNDAMENTOSTERICOS
Como fue expuesto en el Captulo 1: Introduccin, la base terica de este proyecto
integra distintas disciplinas y enfoques de la ingeniera. Para poder cumplir el objetivo del
proyectoesnecesarioentenderlossiguientesaspectos:
Mecanismosdefuncionamientodepozospetroleroseinformacinrequeridadeestos
Esquemasdecapturadedichainformacin
Mediosdetransmisin delainformacindelosparmetroscapturados
Factoresquepuedanafectarlatransmisinyrecepcindelainformacin
Antecedentesdelaaplicacinqueseplanteacomosolucindeinstrumentacin
Dado esto, el fundamento terico se divide en 5 grandes reas, las cuales se listan a
continuacin:
1. Radiofrecuencia
a. FundamentosdeRadiocomunicaciones
b. TcnicasdeEspectroDisperso
2. Sistemasdeinstrumentacinycontrol
a. Conceptosbsicos
b. Mediosdetransmisin
c. SistemasSCADAyDCS
3. RedesInalmbricasdeSensores
a. Arquitectura
b. Topologa
c. Estndaresinalmbricos
4. AlgunasaplicacionesactualesdeRIS
a. Industriaengeneral
b. IndustriadePetrleoyGas
c. AgriculturayMedioAmbiente
d. SeguridadyDefensamilitar
7
5. Mtodosbsicosdeproduccindepetrleo
a. FlujoNatural
b. BombeosMecnico
c. BombeoporCavidadesProgresivas
A continuacin se procede a la primera parte de este Fundamento Terico,
correspondientealestudiodeRadiofrecuencia.
8
3.1. Radiofrecuencia
LasRedesInalmbricasdeSensoressonunaherramientacentralparalaconsecucinde
losobjetivosdelpresenteproyecto,peroesposiblequeeldesempeodelainstrumentacinse
vea afectado por una serie de factores intrnsecos al medio de transmisin, el aire. En la
presenteseccinencontraremosunabreveintroduccinalmundodelasradiocomunicaciones,
describiendo tanto los conceptos bsicos necesarios para entender los procesos de la
telecomunicacin, como algunos de los factores que pueden afectar un enlace de radio
previamente establecido. A continuacin, se presentan los fundamentos de
radiocomunicacionesdesdesunivelmsbsico:
3.1.1.FundamentosdeRadiocomunicaciones:
Telecomunicacionesyespectroradioelctrico:
LaLeyOrgnica deTelecomunicaciones (CLN, 2000) de laRepblicaBolivarianade
Venezueladefineportelecomunicacionesatodatransmisin,emisinorecepcindesignos,
seales, escritos, imgenes, sonidos o informaciones de cualquier naturaleza, por hilo,
radioelectricidad,mediospticos,uotrosmedioselectromagnticosafines, inventadosopor
inventarse.
A los efectos de esta Ley se define el espectro radioelctrico como el conjunto de
ondaselectromagnticascuyafrecuenciasefijaconvencionalmentepordebajodetresmil
gigahertz(3000GHz)yquesepropaganporelespaciosinguaartificial.
El espectro radioelctrico se divide en bandas de frecuencias, que se designan por
nmerosenteros,enordencreciente.Lasbandasdefrecuenciasconstituyenelagrupamientoo
conjuntodeondasradioelctricasconlmitesuperioreinferiordefinidosconvencionalmente.
Estasasuvezpodrnestardivididasensubbandas.
9
Bandasdelespectroradioelctrico:
Paraobtenerunmanejomseficientedelespectroradioelctrico, seestablecenbandas
dedicadasaciertosusos.Medianteestaseparacinyasignacinse logragarantizarquecada
usodemandadoobtengaunespacioradioelctricosuficienteparasoportarelanchodebanda
requerido.
Segn (Wikipedia, 2006a) y (Fernndez, 2003), sta es la distribucin de bandas
estandarizada:
Nombre AbreviacinBanda
ITUFrecuencia Usosprincipales
ExtremelyLow
FrequencyELF 1 330Hz
Comunicacincon
submarinos
SuperLow
FrequencySLF 2 30300Hz
Comunicacincon
submarinos
UltraLow
FrequencyULF 3 3003000Hz
Comunicacindentrode
minas
VeryLow
FrequencyVLF 4 330kHz
Comunicacincon
submarinos
Indicadoresdeavalancha
Marcapasosinalmbricos
LowFrequency LF 5 30300kHz Navegacin
Sealesdetiempo
RadioAM
MediumFrequency MF 63003000
kHzRadioAM
HighFrequency HF 7 330MHz Difusindeondascortas
Radioaficionados
VeryHigh
FrequencyVHF 8 30300MHz RadioFM
Televisin
10
Nombre AbreviacinBanda
ITUFrecuencia Usosprincipales
UltraHigh
FrequencyUHF 9
3003000
MHzTelevisin
TelefonaMvil
WLAN
Comunicacintierraaireyaire
aire
SuperHigh
FrequencySHF 10 330GHz DispositivosMicroondas
TelefonaMvil(WCDMA)
WLAN
Radaresmodernos
ExtremelyHigh
FrequencyEHF 11 30300GHz Radioastronoma
Microondasdealtavelocidad
Msde300
GHzVisinNocturna
Tabla1.Bandasdeespectroradioelctrico
PropagacinenelVacoyPrdidasenelEspacioLibre:
Lapropagacinenelvaco,yanlogamenteenelespaciolibre,sevegobernadaporel
patrnderadiacindelelementoradiante(antena).Existenmuchostiposdeantenay,porlo
tanto,diversospatronesderadiacin,peroparaelestudiodelapropagacinenelespaciolibre
seutilizacomocasodeestudioprincipal laantenaisotrpica.
Estetipodeantenasecaracterizaportenerunpatrnenformadeesfera,esdecirradiala
mismapotenciaentodaslasdireccionesdelespacio.Enbaseaestosemodelalapropagacin
comoesferasconcntricas,conelelementoradianteenelcentro,quecrecenconladistancia.
Lasealemitidasepropagaconunapotenciatotaldetransmisinconstanteenelvolumen,lo
11
que implica que para recibir toda esta potencia se necesitara de una antena cuya rea de
recepcinfuesedeltamaodelaesfera.Comoconstruirunaantenaconestosrequerimientos
es imprctico, costoso y por dems innecesario, se incurre en lo que se llama Prdida de
EspacioLibre.
Este concepto puede sonar contradictorio, ya que si la onda viaja libremente por el
espacio sin ser perturbada porobstrucciones o variaciones en elmedio, cmopuede haber
unaprdida?Larespuestaessencilla,comoelreaefectivadelladoreceptoresmuypequea
comparadaconelreaquenuestraesferaimaginariadepropagacinocupa,lapotenciaquese
recibeesmuypequeaencomparacincon la transmitida.Estasituacinsepuedeobservar
claramenteenlasiguienteimagen:
Fig.1. Propagacinapartirdeantenasisotrpicas
Porejemplo:
Siseestableceunenlaceentredosantenasisotrpicasa1GHzya1Km.dedistancia,
con una potencia transmitida de 1W, la potencia de recepcin ser 568,85 pW nada ms
debidoalasprdidasenelespaciolibre.Adicionalmenteporreflexin,refraccinydispersin
delaondahabrotrasprdidas.
Segn (Fernndez,2003)laprdidaenelespaciolibreserigeporlasiguienteecuacin:
PEL(dB)=92.45dB+20log(d)+20log(f) dondedesdistanciaexpresadaen Km. yfesfrecuenciaexpresadaenGHz
12
Ganancia:
Segn(Fernndez,2003),sedenominadirectividadogananciadirectivadeunaantena
ideal cualquiera, sin prdidas, con respecto a la antena isotrpica, al cociente entre la
intensidadde radiacinproducida enunpuntodelespaciopor laantena idealdirectiva y la
intensidadde radiacinproducidapor laantena isotrpica,alimentadasambascon lamisma
potencia.
Estoquieredecirqueelpatrndecualquierantenanoisotrpicaestableceprivilegiosde
potenciaenalgunadireccinenespecfico,conlocual,enestadireccinlaonda"llegarms
lejos"queusandounaantena isotrpica.Elconceptodegananciacomotal, se refiereaesta
propiedad espacial del patrn de radiacin, ya que las antenas, como elementos pasivos, no
amplificanlapotenciadelaseal.
Ruido:
Segn (Carlson et al., 2002) seales elctricas no deseadas vienen deuna variedad de
fuentes,generalmenteclasificadascomointerferenciahumanaoruidonatural.Lainterferencia
humana es producida por sistemas de comunicacin, igniciones, vibraciones y otros
fenmenos.Pornaturalezaelectromagntica,entrelosfenmenosquegeneranruidotenemos
alteracionesatmosfricas,radiacinextraterrestre,ymovimientoaleatoriodeelectrones.
Paraefectosderadiocomunicaciones, las fuentesderuidomssignificativassepueden
verenlasiguientetabla:
Csmico
DescargasatmosfricasNaturales
Emisionessolares
Lneasdetransmisindeenergaelctrica
Motoresindustriales
Fuente
Artificiales
Equipos
Tabla2.Fuentesderuidomssignificativas
13
Interferencia:
Segn (Graf, 1999a) interferencia es cualquier disturbio, fenmeno, seal o emisin,
provocado por el hombre o natural, elctrica o electromagntica, que provoca o puede
provocarunarespuestaindeseable,malfuncionamientoodegradacindeldesempeoelctrico
de cualquier equipo elctrico o electrnico. En el mbito de seales electromagnticas, la
interferencia vienedada por la superposicin de dos ms seales resultando enun nuevo
patrndeondas.Ensuusocomn,eltrminousualmenteserefierealainterferenciadeondas
queestncorrelacionadasosoncoherentesentres,yaseaqueprovengandelamismafuente
oporqueestnenlamismafrecuenciaoenfrecuenciascercanas.
Lainterferenciasepuedeclasificarsegnfrecuenciaysegnubicacinuorigen.Segn
frecuenciatenemosdostiposdeinterferencia:
InterferenciaCocanal,dadacuandodossealesocupanlamismafrecuencia,comose
puedeobservarenlaFig.2.
InterferenciadeCanalAdyacente,dadacuandounasealinterfiereaotramuycercana
enfrecuencia,comosepuedeobservarenlaFig.3.
Fig.2. InterferenciaCoCanal
Fig.3. InterferenciaCanalAdyacente
14
Segn ubicacin u origen, la interferencia se puede clasificar como se explica a
continuacin:
InterferenciaExterna: cuando es provocadapor una seal proveniente de un sistema
externo,queestransmitidaenelmismocanalounocercano.
InterferenciaporSobrealcance:cuandoenunareddeantenasunasealllegamslejos
deloesperadoyesrecibidaporunaantenamslejanadelmismosistema,interfiriendo
asconlasealqueoriginalmentedeballegaraesaantena.
Interferencia por Retroalcance: cuando una seal transmitida, comnmente por un
repetidor, llegaalreceptorenlamismatorre.
Interferencia por InduccinMagntica, cuando la presencia de lneas de transmisin
elctrica causan corrientes en las antenas, interfiriendo con la seal que se est
recibiendo.
15
Ya con los fundamentos bsicos de radiocomunicaciones expuestos, procedemos a
presentar dos tcnicas de modulacin de seales bsicas y ampliamente utilizadas en los
estndaresdeRISqueseexplicarnmsadelanteenestecaptulo.
3.1.2. TcnicasFundamentalesdeEspectroDisperso
Las tcnicas para generar, manejar y sintetizar seales en espectros dispersos nos
permiten garantizar una comunicacin mucho ms segura, confiable y disponible.
Actualmente haymuchas tcnicas para ampliar el anchodebandaocupadopor una seal y
generarunespectromsdispersoque lasealoriginal,perotodassebasanen las siguientes
dostcnicasbsicas:
FrequencyHoppingSpreadSpectrum(FHSS):
Frequencyhoppingspreadspectrum(FHSS)esunmtododeespectrodispersoquese
basa en transmitir radioseales cambiando rpidamente de portadora entre varios canales,
usandounasecuenciapseudoaleatoriaconocidaporeltransmisoryelreceptor.
Segn (Wikipedia, 2006b), una transmisin de espectro disperso ofrece tres ventajas
principalessobrelatransmisintradicionalaunafrecuenciafija:
1. Lassealesdeespectrodispersotienenunaaltaresistenciaalruidoeinterferencia.El
proceso de recoleccin de una seal dispersa minimiza el ruido y la interferencia
dispersndolos,reduciendoassuimpactoenlaseal.
2. Las seales de espectro disperso son difciles de interceptar.Una seal FHSS suena
como una rfaga momentnea de ruido o un aumento en el ruido de fondo para
cualquierreceptordebandaestrecha,exceptoparaunreceptorFHSSqueestusando
lamismasecuencia.
3. Lastransmisionesdeespectrodispersopuedencompartirunabandaconmuchostipos
detransmisinconvencionalesconunamnima interferencia.Las sealesdeespectro
dispersoaadenmuypocoruidoalascomunicacionesdebandaestrechayviceversa.
Como resultado tenemos que el ancho de banda puede ser utilizado demanera ms
eficiente.
16
Enlasiguientegrficasepuedeobservarlaideafundamentaldetrsdelastransmisiones
enFHSS.Loquesepresentaenlaimagensontrestransmisionessimultneasquecambiande
frecuenciaconsecuenciasindividuales,compartiendoelcanalysininterferirsemutuamente.
Fig.4. SealesFHSS
DirectSequenceSpreadSpectrum(DSSS):
En telecomunicaciones, DSSS es una tcnica de modulacin. Al igual que en otras
tcnicasdeespectrodisperso,lasealtransmitidaocupamsanchodebandaquelasealque
est siendo modulada. Una seal modulada en DSSS se obtiene de la siguiente manera
(Wikipedia,2006c):
1. Se modula en fase una seal sinusoidal de manera pseudoaleatoria con una trama
continua de cdigos (pseudoruido) llamados "chips", donde cada uno dura mucho
menosqueeltiempodebit.Cadabitdeinformacinesmoduladoporunasecuenciade
chipsmuchomsrpidos.Porlotanto,latasadechipsesmuchomayorquelatasade
bits.
17
2. Usaunaestructuradesealenlacuallasecuenciadechipsproducidaporeltransmisor
en conocidapreviamente por el receptor.El receptor puede usar lamisma secuencia
paracontrarrestarelefectodeestasecuenciaenlasealrecibidayreconstruirlaseal
original.
Puestodemaneramssimple, las transmisionesDSSSmultiplican la seal transmitida
porunaseal"ruido".Estaseal"ruido"esunasecuenciapseudoaleatoriadevalores1y1,a
unafrecuenciamuchomayorquelaoriginal,dispersandolaenergadelasealoriginalenuna
bandamuchomayor.
La seal resultante parece ruido blanco, como una grabacin de esttica, excepto que
este ruido puede ser filtrado en el receptor para recuperar la data original,multiplicando la
misma secuencia pseudoaleatoria a la seal recibida. Este proceso, conocido como "de
dispersin", matemticamente constituye una correlacin de la secuencia transmitida con la
secuenciarecibida.
En la siguiente imagen se puede observar la comparacin entre una seal de banda
estrechayunasealmoduladaenDSSS.Paralasealbandadeestrecha,elrestodelespectro
contieneslo ruidoaunapotenciamenor,mientrasquepara la sealDSSS,despusdeser
demodulada(o"dedispersada"),nohayinterferenciasignificativadeningunaseal.
Fig.5. ComparacinentresealbandaestrechayDSSS
18
3.2. CapturadeInformacindelSistema
La siguiente parte del FundamentoTerico trata sobre la Captura de informacin del
sistemaqueseestmonitoreando.ParapodertransmitirvaRFdatosdelsistemaaunabase
centraloaunterminalremotoprimerosedebeobtenerestosdatosdealgunamanera.Eneste
punto entra en juego la instrumentacin, los sensores, y los esquemas y arquitecturas de
control.Empecemosporpresentarlosconceptosbsicosdecapturadeinformacin:
3.2.1.Conceptosbsicos
Ensunivelmsfundamentallacapturadeinformacinsecentraenlainstrumentacin,y
staltimasebasaenlazosdecontrolquecuentanconelementosdemedicindenominados
sensores.A continuacinsedescribenconmsdetallesestostresconceptos:
Instrumentacin:
La instrumentacin se define como el uso de dispositivos para medir los valores de
cantidades variables, generalmente como parte de un sistema para mantener las cantidades
dentro de los lmites prescritos (Graf, 1999b). La principal utilidad que la instrumentacin
presentaeslacapacidaddemonitoreareldesempeodeunsistemaatravsdeinstrumentoso
sensores,paraaplicarcorreccionesenestedesempeosielsistemaaslorequiere.
Lazosdecontrol:
Un lazo de control es una coleccin de instrumentos y algoritmos organizados que
permitenregularelvalordeunavariable,paraquestaseaproximeaunvalordereferencia
deseado. El nombre de lazo proviene del hecho de que la mayora de ellos hace uso de la
retroalimentacinofeedbackensusprocesosdecontrol.
Existen, en el nivel ms bsico de entendimiento, dos tipos de lazos de control. A
continuacinsedefinendeacuerdoa(Ogata,1974):
19
Lazo abierto: son sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre la
accindecontrol.Esdecir,enunsistemadecontroldelazoabiertolasalidanisemide
niserealimentaparacomparacinconlaentrada.
Lazo cerrado: es aquel en el que la seal de salida tiene efecto sobre la accin de
control. En otras palabras, los sistemas de control de lazo cerrado son sistemas de
controlrealimentado.
Un ejemplo de sistema de control de lazo cerrado es el siguiente: la entrada de un
proceso(voltajeaplicadoaunmotor)tieneunefectoen lassalidasdelproceso(velocidado
posicin del motor), la cual es medida con sensores y procesada por el controlador, y el
resultado(lasealdecontrol)esusadacomoentradadelproceso,cerrandoellazo.
Segn(Ogata,1974)unaventajadelsistemadecontroldelazocerradoesqueelusode
la realimentacin haceal sistema, ensu respuesta, relativamente insensibleaperturbaciones
externas y a variaciones internas de parmetros del sistema. Esta ventaja permite usar
componentesmenos costosos ymenos precisos,manteniendo la optimizacin deseada en el
sistema.
Enlasiguienteimagenpodemosobservarunsistemadecontroldelazocerradosimple,
perofuncional:
Fig.6. Sistemadecontroldelazocerrado
Basado en el ejemplo de sistema de control de lazo cerrado del motor previamente
expuesto, el sistema de la Fig. 7 podra ser interpretado de la siguiente manera: C es el
controlador,Peselmotorcomotal,ues laentradadevoltaje,yes lavelocidadquesemide
enelmotor,r es lavelocidaddeseadadelmotoryeeselerrorentreambasvelocidades.El
controladorCseencargadegenerarunvoltajedecorreccinapartirdeelerrore,paraqueel
motorP corrijalavelocidady.
20
Sensores:
Unsensorsegn(Graf,1999c)esun transductorqueconvierteunparmetroenunpunto
depruebaenuna formaapropiadaparamedirse conunequipodepruebadeterminado.Los
sensoresconstituyenlaltimamillaentreunsistemadecontrolyelsistemaqueestsiendo
controlado.
Al obtenerlamedicindeunavariablefsicaapartirdeunsensor,sedebecontarconun
mediode transmisinparapoderenviardichamedicinadonde sea requerida.Lasiguiente
seccintrataprecisamenteestosmedios.
3.2.2. MediosdeTransmisin
Los sensores se comunican con seales, las cuales usualmente se enmarcan en algn
estndar existente. Estas seales pueden estar definidas por asociaciones de estndares o
pueden seguir un estndar propietario. Entre los estndares ms utilizados tenemos segn
(Wikipedia,2006d):
Tipodesensor Rango
315PSI
20100kPaNeumticos
630PSI
15V
05VVoltaje
010V
420mA
840mA
Analgicos
Corriente
1050mA
21
Protocolo
HART
Fieldbus
Modbus
Profibus
Digitales
EthernetIndustrial
Tabla3. Estndaresdetransmisinanalgicosydigitales
En el campo industrial los estndares que estn siendo implementados con mayor
frecuenciasonlossensoresdesalidaneumtica,yaqueporrazonesdeseguridadlossensores
desalidaelctricasonmspeligrosos,ylossensoresquetrabajansobreelprotocoloHART.
3.2.3.SistemasdeadquisicinSCADAyDCS
DCS:
Los Sistemas de Control Distribuido (DCS por sus siglas en ingls) son usados en
aplicacionesde ingeniera industrial y civil paramonitorear ycontrolar equiposdistribuidos
conintervencinremotadelserhumano.Desdeladcadadelos70sonsistemasdigitales,y
normalmenteestnconstituidosporinstrumentosdecampoconectadosabuseselctricosode
computadora, para luego ser multiplexados y convertidos (de analgico a digital), y como
frontend, cuentan con una InterfazHumanoMquina (HMIpor sus siglas en ingls) o una
consola de control. Un DCS es un sistema de control de procesos que usa una red para
interconectar sensores, controladores, terminales y actuadores. Tpicamente contiene una o
ms computadoras para control y mayoritariamente usa interconexiones propietarias y
estndares,libresopropietariosparacomunicaciones.
DCSesuntrminomuyamplioquedescribesolucionesenvariasindustrias,incluyendo:
Matricesdeenergaelctricayplantaselctricas
Sistemasdecontrolambiental
Semforos
22
Sistemasdegestindeaguas
Plantasqumicas,petroqumicasyrefineras
Fbricasfarmacuticas
SCADA:
Estetrminose refierea sistemasdemedicin y controldistribuidoagranescala.Sus
siglas significan SupervisoryControl AndData Acquisition. Los sistemas SCADA se usan
paramonitorearocontrolarprocesosqumicos,fsicosydetransporte.
La arquitectura SCADA, usualmente comprende un sistema central que monitorea y
controla una instalacin completa (Wikipedia, 2006e). El diagnstico de la instalacin es
realizado automticamente por una Unidad Terminal Remota (RTU) o por un Controlador
LgicoProgramable (PLC).Las funcionesdecontrol insitu, en lamayorade loscasos, se
restringenalatomadecontroldeoperacindela instalacin, osupervisin.Enlasiguiente
imagensepuedeobservarunaarquitecturaSCADAtpica:
Fig.7. ArquitecturaSCADAtpica
23
LaadquisicindedatosempiezaaniveldeRTUoPLCeincluyelecturasdevariablesy
status de equipos que son enviados al SCADA por demanda. Los datos son compilados y
formateadosdemaneraqueunoperadordelcentrodecontrol,usandounaHMI,puedatomar
decisionesquecambienelestadodeoperacindealgunapartedelsistema.
Los sistemas SCADA tpicamente implementan una base de datos distribuida que
contieneelementosdedatosllamadospuntos.Unpuntorepresentaunvalordeentradaosalida
monitoreadoocontroladoporel sistema.Estospuntos seclasificanen suaves y fuertes.Un
punto fuerte representa una entrada o salida conectada al sistema, mientras un punto suave
representaelresultadodeoperacionesmatemticasolgicasaplicadasaotrospuntosfuertes
y/osuaves.Losvaloresdepuntossonnormalmentealmacenadoscomocombinacionesvalor
tiempo,yunaseriedeestepardedatosconstituyelahistoriadelpunto.
El monitoreo remoto empleando sistemas SCADA es ampliamente utilizado en
diferentesreade la industriapetrolerayde formaespecialenpozosdegasypozosdealto
rendimiento. En estos casos los sistemas SCADA se componen de unidades de terminales
remotosRTUquecolectansealesanalgicasydigitalesdelainstrumentacincolocadaenla
superficiedelpozo,lascabezasdeproduccinremotasylosmltiplesdeproduccin.Luego
las RTUs comunican la informacin a los sistemas anfitriones SCADA en los cuartos de
control o en las plataformas de produccin y esta informacin es multiplexada en redes
tradicionales, por fibra ptica, microondas o va satlite hasta alcanzar su destino en algn
centrodecontrolgeneraldeterminado,dondesonprocesadasy/oalmacenadas.
24
3.3. RedesInalmbricasdeSensores
Las Redes Inalmbricas de Sensores representan una nueva forma de emplear los
computadores. En una red de sensores, decenas, cientos o incluso miles de pequeos
computadores que operan con bateras, llamados nodos son distribuidos a lo largo de un
ambienteparticular.Deformainalmbrica,cadanodoenunaredadhocrecolectadatosdesu
ambiente, como la cantidad de luz, temperatura, humedad, vibraciones y otros factores
ambientales.Cadanodopuedeenviarsusdatosrecolectadosasusvecinos,estosasuspropios
vecinos y as sucesivamente, hasta que la informacin alcance un destino especfico. Las
entradas de los sensores una vez recolectadas de todos los nodos y analizadas por
computadoresmstradicionalespuedenbrindarunabuenaimagendelambientecircundante
entiemporeal(Intel,2004).Enlaseccinsiguientesepresentanlascaractersticastpicasde
laarquitecturadeunaRIS.
3.3.1.CaractersticasdeunaRIS
Puedenestarcompuestasporungrannmerodenodos,pudiendollegaralordendelos
miles(hasta65536).
Muestranunflujoasimtricodedatos,desdelosnodosdecapturaaunnodocentralde
comando.
Lascomunicacionessonoriginadasporconsultasoeventos.
Encadanodoexisteunacantidad limitadadeenergaqueenmuchasaplicacioneses
imposibledereemplazarorecargar.
Frecuentementelatopologadelaredesesttica.
Cadanodoesdebajocosto,pesoytamao,llegandoaserinclusodesechable.
Losnodospuedenserpropensosafallasyestodebesertoleradoporelsistema.
Seempleaprincipalmente lascomunicacionesdedifusin(Broadcast)en lugarde las
comunicacionespuntoapunto.
Losnodosnoposeenun identificadornicouniversalpordefecto, tal como loesun
nmeroIP.
25
Laseguridadtantofsica,comoaniveldelacomunicacin,esmslimitadaqueenlos
enfoquesderedesinalmbricasconvencionalescomoen WiFi.
Las RIS permiten varios estilos de conexin entre los nodos, estableciendo niveles
jerrquicosyzonasdeinformacinconcentrada,loqueconstituyelatopologadelared.
3.3.2. Topologa
Enlaactualidadlosnodosdelasredesinalmbricasdesensoreshanadoptadounaserie
de topologas bsicas de comunicacin para intercambiar la informacin que estn
recolectando.La topologadescribecomoestn interconectados losnodosqueconforman la
redcomotal.Entrelastopologasmscomunes,yaseanbsicasomscomplejastenemos,de
acuerdoa(Tanenbaum,2000):
Estrella,enlacualsetieneunnodocentral,elcualtieneunenlacepuntoapuntocon
cadaunodelosnodosdelared.
Interconexintotal,enlacualtodoslosnodosestninterconectadosentres.
rbol, la cual se extiende a partir de un nodo principal o raz, en ramificaciones
definiendovariosnivelesdejerarquaentrelosnodos.
Anillo, en la cual los nodos forman un circuito cerrado al estar cada nodo
interconectadoconsolodosnodosadyacentes.
Cuadrcula,lacualestablececonexionesamanerademallaentrelosnodos,creandoun
mapabidimensionaldelared.
Toroide doble, representa una extensin tridimensional de la cuadrcula al
interconectarcadanodoextremoconsuopuestoenfilaocolumna.
Cubo, lacualestablececonexionesqueasemejanlaformadeuncuboconcadanodo
enunaarista.
Hipercubo, representa la interconexin dedos topologas cbicas a travs del enlace
entrelasaristasdeamboscubosdescritosenlared.
26
3.3.3. EstndaresdeRIS
Inicialmente se definieron 4 grandes grupos de trabajo para esta familia de estndares
(Mandkeetal.,2003),luegoseconvirtieronen5conlaaparicindeUWB:
1. El Grupo 802.15.1 es responsable por la estandarizacin del conjunto de
especificacionespropuestoporelSIG Bluetooth.
2. El Grupo 802.15.2 es responsable por los aspectos de coexistencia de dos o ms
tecnologasinalmbricasdiferentesquecompartanelmismoambientedeoperacinyespectro
radioelctrico.Especficamenteelgruposededicaadosgrandestareas,laprimeracuantificar
elefectodelainterferenciamutuaentredispositivosqueempleenlastecnologasdeWPANy
WLAN,ycomosegundatareaproponeelestablecimientoymecanismosdecoexistenciaentre
dispositivosWPANyWLANenlascapasfsicaPHYydeaccesoalmedioMAC.
3.ElGrupo802.15.3esresponsableporeldesarrollodeunaespecificacindeWPANde
altavelocidad,demsde20Mbps.Elprimerborradordescribeunaespecificacinqueopera
en5canalesde15MHzenlabandaISMde2.4GHz.
4.ElGrupo802.15.3aseformafinalesdel2001comounapropuestaparadesarrollar
unaalternativaalaespecificacin802.15.3teniendocomoobjetivoeldesarrollarunestndar
decapa fsicaPHY,basadoenUWB,parasoportartasasdetransferenciadedatosde110a
480Mbps,endistanciasinferioresalos10m.
5. El Grupo 802.15.4 est enfocado en la estandarizacin de redes WPAN de baja
velocidad y muy bajo consumo de potencia, lo que conduce a que los dispositivos puedan
operar de forma autnoma con bateras teniendo una vida til de meses e incluso aos,
empleandounbajoniveldecomplejidadyteniendounmuybajocosto.Elnombrecomercial
queselehadadoalaimplementacindeesteestndaresZigbee.
Losestndares802.15queposeenmayorespotencialidadesdedesarrolloactualyfuturo
sepresentanacontinuacin:
IEEE802.15.1ySIGBluetooth:
EstefueunodelosprimerosprotocolosinalmbricosdereapersonalWPANquenaci
deunconsorciodeempresasdel ramode las telecomunicaciones, informtica yelectrnica.
27
EstaasociacinconocidacomoSIGBluetoothgenerlaprimeraespecificacinqueluegofue
retomadaporIEEE802.15.1quienessoloestandarizaronlascapasinferiores:PHYyMAC.
Inicialmentelaconfiguracinbsicaesenestrelladondeunnodomaestrosincronizael
canal controlando las comunicaciones de un conjunto de esclavos (mximo 7 en estado
activo).El reade cobertura que conforman se llamaunapicoceldaque pueden conectarse
entreellasmedianteunascatternetgraciasunnodopuente.Losesclavossoncompletamente
pasivosydependendelmaestroparacomunicarseentreellos.
El estndar se estructura en capas que no siguen el modelo TCP/IP, ni OSI aunque
ofrecen maneras de ajustarlo. Tiene capas que son diferentes dependiendo del tipo de
aplicacinqueBluetoothdenominaperfiles
Fig.8. CapasdelmodeloBluetooth
CapaFsica
FuncionaenlabandaISMde2.4GHzusandoelcanalcon.Alldefine79canales,cada
uno de un 1 MHz, realizando 1600 saltos por segundo. Esto implica una permanencia de
625sencadacanal.LamodulacinesporfaseconunbitporHzloquedaaproximadamente
1Mbps, compartido entre todos los nodos, aunque gran parte del espectro se consume en
sobrecarga ycontrolde loscanales.El nodoqueasumeel roldemaestro sincroniza toda la
secuenciadesaltosvalindosedeTDM.
Al igual que WiFi usa la banda ISM de 2.4 GHz y por la manera como manejan el
espectro, WiFi es ms afectado por la interferencia de Bluetooth. No obstante el estndar
IEEE802.15.2intentaresolverestosproblemas.
Lapotenciadesalidaesdealrededorde1mWen laspicoceldasde10m.Encasode
aumentardetamao(hasta100m)serequieremuchamspotencia.
28
CapaBandaBase
AunqueparecidaalacapaMACpresentaciertasdiferencias.Aqu sedefineelcontrolde
las ranurasde tiempodonde las ranuraspares sondebajada (maestroesclavo) y las ranuras
imparesdesubida(esclavomaestro).Ofrececomunicacinasncronanoorientadoaconexin
paraenlacesdedatos(mximounapornodo)ycomunicacinsncronaorientadaaconexin
paraenlacesdevoz(mximo3pornodo).
Encadaranurasetransmiten625bitsdeloscualessedesechan366puessoloseutilizan
por redundancia para control de errores. Finalmente de los restantes, 126 son para el
encabezadoy240paradatos.Esaqudondeseapreciaclaramenteeldesperdiciodeanchode
bandadeBluetoothyporendesubajorendimientoapesardeofrecer1Mbps.
CapaL2CAP
Susprincipalesfuncionesson:
Aceptar paquetes de hasta 64KBde las capas superiores y subdividirlos en tramas.
Estase reensamblan enelreceptor.
Manejarlamultiplexinydemultiplexindelasfuentesdepaquetes.
Definirlacalidaddeservicioalestablecerlaconexinodurantelapropiaconexin.
Las siguientes capas se usan dependiendo del perfil que asuma la aplicacin.
Someramentecadacaparealiza:
LLC:Interfazconlascapassuperiores
SDP:Encontrarserviciosydispositivosdentrodelapicocelda
RFCOM:Emularconexionesdepuertoserial
TCS:Controldelosperfilesdevoz
Losperfiles son13, locual lo hacemuy especializadoperoasu vezmuy complicado
paraeldesarrollodeaplicacionesheterogneascondiferentes funcionalidades.Estosperfiles
sepuedenencuentrandescritosenlasiguientetabla.
29
Tabla4.Perfilesparaeldesarrollodeaplicaciones
Por ltimo podemos mencionar que Bluetooth ofrece seguridad con algoritmos de
cifrado simtrico y diferentes estados de escucha en espera o baja actividadpara ahorro de
energa.Estosestadosson:
Standby:Soloescuchanmensajecada1,28seg.Noestnconectados.
Page/Inquiry: Con page el esclavo solicita conexin con un dispositivo y maestro
difunde.EninquirymaestrointerrogadifundiendolaMacAddress.
Active:Modoutilizadodurantelatransmisindedatos.
Hold:Mododenotransmisinperoconelcontroldelenlace.
Sniff:Esclavoescuchacanalanivelreducidosinrolactivoenlapicocelda.
Park:Modomsreducidoqueholdpuessloescuchalasincronizacinylosmensajes
dedifusinsin MacAddress.
IEEE802.15.3yForumUltraWideBand:
Esteestndar fuedefinido hacealgn tiempoaunque restringidoalmbitomilitar.No
fuesinohastaladcadadelos90queseconsiderparaaplicacionescomerciales,enparticular
paraconexindedispositivosperifricosquerequierenaltavelocidaddetransferenciacomo
monitores, enlaces entre cmaras y reproductores DVD y en general para transferencia de
videoendispositivosamuycortadistancia.Elanchodebandaqueutilizasesolapaconelde
otros protocolos y debido a la muy baja potencia de transmisin se aprecia como ruido en
30
cualquierotroestndarqueuseelmismoanchodebanda.Normalmentesesitaentrelos310
GHzdispersandobillonesdepulsosamenos1nscadauno.
Esteestndar,adiferenciadelosdemsWPAN,sloofrecelaespecificacindelacapa
fsica.Msdetalladamentesuscaractersticasson:
Lapotenciadetransmisinesladiezmillonsimapartedelapotenciadeuncelularel
cualnodebesuperar1WsegnlaFCC.
La informacinsetransmiteenpulsotanestrechosytanbajapotencia,quenocausa
interferencia a seales ms potentes. La FCC est por demostrar su efecto cuando
UWBtransmiteamayorpotencia.
La velocidad de transferencia puede llegar hasta 400 Mbps a menos de 5 m. Sin
embargo aumentando la potencia puede llegar a 1 Gbps pero surge el problema de
posiblesinterferencias.
IEEE802.15.4yAllianceZigBee:
Laatencindelaindustriadecomunicacionesinalmbricasehaexpandidomsallde
laoficinayelhogar,paraincluirnuevosambientestalescomo:fbricas,hospitalesycampos
agrcolas. Las tecnologas inalmbricas tradicionales no son siempre aplicables en estos
ambientes,debidoarazonesprcticascomoelcostodelosdispositivosoelaltoconsumode
energa.Es por ello que surge la necesidad de nuevos estndares bajo la filosofa conocida
como Low Power Wireless Personal Network LPWPAN. Las metas del estndar IEEE
802.15.4son(Parker,2004):
MuyBajoconsumodepotencia:Enprcticamentecualquierdispositivo inalmbrico,
el radio o componente de transmisin y recepcin, es lo quems energa consume,
inclusoporencimadelCPUycualquierotroestadodeactivacinde latarjeta.Estos
dispositivosconocidoscomomotestienengrandeslimitacionesdeconsumoelctrico,
al tener que operar en exteriores con una pequea batera por periodos demeses o
aos.
MuyBajocosto:Elcostofinalde loscomponentesque implementenunaLPWPAN
debe sermuypequeo, yaqueporel tipodeaplicacionesalque seesperaapliquen,
31
deben estar compuestas de numerosos dispositivos, baratos e incluso hasta
desechables.
ZigBeeoperaenlabandadefrecuenciasISMde2.4GHz,lamismadeWiFi,Bluetooth,
microondas yotrosdispositivos,brindando la capacidadde interconectar65536dispositivos
porred.Lasespecificacionessoportantasasdetransmisindehasta250Kbpsadistanciasque
vandelos70alos300metros.
La tecnologa ZigBee permitir a los consumidores emplear los ltimos adelantos en
flexibilidad,movilidadyfacilidaddeusomediantecapacidadesdeinteligenciainalmbricaen
cada dispositivo. La tecnologa de ZigBee puede estar inmersa en un amplio rango de
productos y aplicaciones en los mercados de consumo, comerciales, industriales y
gubernamentalesentodoelmundo.MedianteZigbeeseleestbrindandoalasempresasuna
plataforma inalmbrica basada en estndares, optimizada para necesidades nicas de
monitorizacinremotaycontroldeaplicaciones,queincluyensimplicidad,muybajocostoy
muybajoconsumodepotencia.
SeesperaqueZigBeeseaampliamenteempleadaenaplicacionesdeautomatizacinen:
el hogar, edificaciones, instrumentacin a nivel industrial, adems de en redes sensores,
aplicacionesdemonitorizacindecomponentesysistemasenespaciosabiertos.
ElGrupodeTrabajodeRedesInalmbricasdereaPersonalIEEE802.15.4ascomo
ZigBeeAlliancehantrabajadoarduamenteen laestandarizacinde lasLPWPAN.Mientras
IEEE802.15.4especificalacapafsica(PHY)ydeaccesoalmedio(MAC),ZigBeeAlliance
propusoenjuniodel2005,ZigBee1.0paralascapasdered(NWK)yaplicacin(APL).
32
Fig.9. CapasPHYyMAC(IEEE802.15.4)ycapasMWKyAPL(ZigBeeAlliance)
CapaFsica(PHY)
La especificacin IEEE802.15.4 indica que esta capa debe cumplir con las siguientes
funciones:
Activacindedesactivacindenodos.
Deteccindeenerga.
Indicadordecalidaddelenlace.
Deteccindeactividaddelcanal.
Recepcinytransmisindedatos.
Ofrece la capacidad de operar en tres bandas de frecuencias libres, no sujetas a las
regulacionesyreservacinexplcitadeloscanales:
868MHz(bandalibreEuropea)loquepermiteuncanalde20Kbps.
902928MHz,queporsermsancha(26MHz)permite10canalesde40Kbps.
2.42.4835, GHz an ms ancha que la anterior (83.5 MHz) por lo que da la
posibilidadde16canalesde250Kbps.
33
Lasdistanciasposiblespuedenllegarhasta300m peroporelaumentoexponencialdela
potencia con respecto a la distancia, el consumo de energa sera enorme.As quemientras
mscortasealadistanciaentrelosdispositivos,menorserelconsumodeenerga.
Enlabandade2.4GHzsemodulaelcanalconOQPSKelcualdefineunaconstelacin
de4fases(45,135,225y315grados)porlotransmiteenelenlaceltimamillaadosbitspor
baudio.Labandade868MHzmodulaconBPSK.
Por ltimo ZigBee usa el ancho de banda mediante la tcnica DSSS, expuesta en la
seccin3.1.2delpresentecaptulo.
CapadeAccesoalMedio(MAC)
Estacapa,tambindefinidaenIEEE802.15.4,aseguraelcontroldelasconexionespunto
apuntoentrenodosparabrindarconfiabilidadalatransferenciadedatos.Lasfuncionesque
deberealizarson:
Transmisin delatramadesondeoobaliza.
Sincronizacindelatramabalizadentrodelasupertrama.
Asociaciny disociacin denodos.
CSMA/CAadosvas(sinCTSniRTS).
Todoestoparalograrunenlaceconfiableentre losnodos involucrados.Justamente los
nodosodispositivospuedenserdetrestipos:
Dispositivosfinales
Coordinadores
Enrutadores
Lasupertramaeselmedioparacomunicarsetodoslostiposdenodospresentesenlared.
EstafuncionaporTDM,conranuraspredefinidasparaquelosnodoscoloquensusdatosenel
mediodetransmisin.Estdivididaen4perodosdetiempo:
Perododecontencin
Ranurasdetiempogarantizadas
Ranuradelatramabaliza
Perododeinactividadobloqueo
34
Fig.10. SupertramadesincronizacinportiempoenMAC
En el perodo de contencin los nodos se disputan el uso de alguna de las ranuras y
puedehabercolisiones.EncambioenGTSlaconexinestaseguradapuessonranurasquese
reservandeantemano.Todoestosenegociaatravsdelatramabaliza.Duranteelperodode
bloqueo o inactividad todos los nodos, hasta el coordinador, duermen para ahorrar energa.
Estosintervalospuedenirdesde15mshasta4min.
CapadeRed(NWK)
Las especificaciones de esta capa, definidas por ZigBee Alliance, se centran en el
enrutamientodelainformacinsegnlaconfiguracindelaredylaseguridaddelenlace.Las
configuracionesderedprevistasson:
Estrella:centralizadoconusodelatramabalizaosondeo.
Rejillaomalla:sinbalizaconconexionespuntoapuntousandoCSMA/CA.
rbol:hbridoparaformarunaconfiguracinjerrquica.
Enestacapaelcoordinadorescapazdefijarparmetrosparalosnodosenrutadoresyda
mantenimientoalosdispositivosfinales.Elalgoritmodeenrutamientocumpleconlasmismas
premisasdelosprotocolosestiloAODVaunquelanormanoexigequeseaningnalgoritmo
en particular. La seguridad se garantiza mediante algoritmos de clave simtrica con claves
predefinidasdeantemanoalmomentodelainstalacindelnodo.
35
Los productos comerciales an no implementan esta capa pues la especificacin de
ZigBee Alliance es muy reciente y no tiene claramente definido los algoritmos ni detalles
necesariosparadesarrollarestacapaenunnodo.
CapadeAplicacin(APL)
Aqu se definen los perfiles de aplicaciones y sus agrupamientos, descubrimiento de
dispositivosyseguridadaniveldeaplicacin.Sedivideendossubcapas:
APS:manejalaseguridadconunaclavemaestraparanegociarclavesdesesin.
ZDO:define losperfiles y susagrupamientosademsde hacerel descubrimientode
nodos.
En lneas generales APS se comporta como una capa transporte mientras que ZDO
definelosobjetosnecesariosparadesarrollaraplicaciones.Aligualquelacapadered,noest
implementada en productos comerciales por lo reciente de la especificacin de ZigBee
Alliance
.
3.3.4. ModeloFuncionalparaRIS
Lasprincipales funcionalidadesde lasredesdesensorespuedenserseparadasencinco
grupos de actividades, como est propuesto en (Ruiz, 2002): establecimiento de la red,
administracin,monitoreo, procesamiento y comunicacin.Estas fases pueden realizarse de
formasimultneaypuedenestaractivasendistintosmomentosdeltiempodevidadelasredes
desensores.
EstablecimientodeunaReddeSensores:
Elestablecimientodeunareddesensoresincluyeactividadesdeinstalacindelosnodos
y de formacin de la red. Los nodos sensores pueden ser lanzados sobre una rea de
monitoreo,demaneraaleatoriayellosmismos forman lared.Antesdeempezar sutareade
monitoreo, los nodos pueden realizar actividades para ubicar su localizacin y/o formar
agrupacionesoclusters.
36
Las redesdesensores sonsistemasautoorganizados formadospornodossensoresque
pueden espontneamente crear una red, agrupndose y adaptndose dinmicamente en caso
que ocurran fallos o degradacin de algunos de sus componentes, administrando el
movimientodelosnodosyreaccionandoa loscambiosdetareasyrequisitosde lared.Los
nodospuedentambinorganizarseparaexplotarlaredundanciaresultantedelaaltadensidad,
ascomoprolongareltiempodevidadelsistema.
Lalocalizacinesotroaspectoimportantedelasredesdesensores.Engeneral,lasredes
desensoreshacenelnombramientodelosdatosenvezdenombrarlosnodos,comoesusual
en una red como la Internet. As que, en las redes de sensores podemos usar coordenadas
espacialesparanombrardatosquesonasociadosconelcontextofsicodelfenmenoqueest
siendo monitoreado. Existen algunos pasos relacionados con la localizacin de nodos
(Meguerdichianetal.,2001):
Medida:lasformasdemedidaylosalgoritmosdedescubrimientodelocalizacinson
muy estudiados. Durante las mediciones una o ms caractersticas de la seal de
comunicacininalmbricasonmedidasparaestablecerladistanciaentreeltransmisor
yelreceptor.Algunastcnicasquepuedenserusadasson:RSSI(Indicadordepotencia
de la seal recibida), TOA (Tiempo de llegada), TDOA (Diferencia en tiempo de
llegada)yAOA (ngulodellegada).
Algoritmos de descubrimiento de localizacin: los procedimientos para descubrir la
localizacinpuedenserclasificadosendosgrandesgrupos:aquellosqueusansistemas
inalmbricos sobre una infraestructura (AVL, LORAN, GPS, sistemas usados por
estaciones radio basepara rastrearelusuariomvil, sistemaCricket),y losqueusan
sistemasadhoc.
La red de sensores puede ejecutar la fusin de datos agregando informacin de los
sensoressiguiendoalgunamtricadecalidadespecificadaporelusuariofinal.Laagregacin
dedatosesunejemplodelusodecluster.Unnodopodraserelcabezadelclusterypodra
resumir la informacin de los objetos localizados en su cluster para dar una visin menos
detalladapara los nodosdistantes.La informacin resumidapuedeserenviada yusadapara
localizacindelosobjetos.
37
En muchos sistemas distribuidos cada nodo tiene una direccin nica de red. Estas
direcciones aparecen en todos los paquetes para identificar la fuente y el destino. Las
direcciones en los sistemas tradicionales pueden ser usadas como identificacin para
especificarunacomunicacinconotropuntodelaredytambinparaobtenerinformacinde
latopologaquepuedeserusadaenlosprotocolosdeenrutamiento.Unadelaspropuestasde
(Bulusu et al., 2001) para asignar direcciones en las redes de sensores es la utilizacin de
coordenadasespacialesparanombrardatos,porque losdatosdelossensoresestnasociados
conelcontextofsicodondeelfenmenoocurre.
Si los sensores no pueden ser cuidadosamente colocados en relacin a los otros una
estrategiavlidaparaencontrarbuenacoberturasebasaentenerredundanciadesensores,para
generarmayordensidaddeelementos.Avecesunadistribucinhomogneadesensoresnoes
buena debido a las condiciones ambientales tales comoobstculos o fuentes de ruido.Otra
aplicacin de la redundancia est relacionada al hecho de que el costo de colocar nodos
sensoresadicionalesalahoradedesplegarunaredes,enmuchoscasos,inferioralcostodela
renovacindestos,enelcasodequelosnodospresentenproblemasdefallosodestruccin.
Enestecaso,podemosusarlaredundanciaparaaumentareltiempodevidadelaredajustando
elusodelosnodossensoresenfuncindeladensidadydemanda.
Laredundanciatambinpuedesertratadaporprocesosdesoftware.Losdatoscomunes
recolectadospordistintosnodossensorespuedensercorrelacionados.Deestamanera,enel
caso de existir una buena correlacin podemos reducir la redundancia de la informacin
transportadaporlared.
Administracin:
El objeto de la administracin es aumentar el tiempo de vida de la red, reducir los
imprevistosyatendera los requisitosde laaplicacin.A lo largodel tiempoalgunosnodos
llegan a niveles de energa que pueden restringir de forma parcial o total su capacidad
operativa.La administracin o elmantenimiento de esta redpuede ser reactiva, preventiva,
correctivaoadaptativaaestetipodeeventos,oaotrosquepuedanocurrir(Ruiz,2002).La
administracinyelmantenimientosontareascontinuasquedebenrealizarsedurantetodoel
38
tiempodevidade la red.Sus funciones sonutilizadaspor lasdems fases: establecimiento,
monitoreo,procesamientoycomunicacin.
Lasactividadesdeestablecimientodelared,monitoreo,procesamientoycomunicacin
nosonsecuenciales.Esosepuedeverporejemplocuandoocurreunfalloenunodelosnodos
delared.Enestoscasospodemosllegaratenerunatopologadinmicaenredesdesensores
aunquelosnodosseanestacionarios.Mecanismosdemantenimientoyadministracindeestas
redes deben ser propuestos de forma de aumentar su tiempo de vida. Este mantenimiento
puedeexigirunanuevadistribucindenodosyunanuevaorganizacindelared.
Monitoreo:
Las actividades de monitoreo estn relacionadas con la percepcin del ambiente y la
recoleccindedatos.Dependedeltipodeaplicacinylostiposdesensores,estafaseincluye
unadeterminacinderuidosdeambiente,tipodedatorecolectados,volumendeinformacin
y frecuencia de muestreo. La determinacin de las reas de superposicin de los nodos
sensores tiene la misma importancia. El descubrimiento de estas reas puede resultar en el
cambiodelestadodelnodosensor.Porejemplo,sielreadepercepcindedossensoresposee
una interseccin,esopuederesultarenunacorrelacindedatosantesdelatransmisinoen
unaalteracindelestadodeunodeestossensoresdeformaqueslounopermanezcaactivoo
transmitasusdatosporlared.
Sabemos que si un nodo falla por falta de energa, destruccin o sin operacin
temporaria, es importante evaluar si el nmero de sensores activos es adecuado para la
ejecucin de la tarea y proveer mecanismos de tolerancia a fallos para mantener la
operatividaddelared.
Las redesde sensores realizanelmonitoreodistribuidodeunrea.Otraposibilidades
usar un sistema centralizado, como imagen de satlite o radar. Entretanto, la solucin
distribuidatieneventajascomo:
Permitemayortoleranciaafallosatravsdelaredundancia.
Posibilitalacoberturadeunagranreaatravsdelaunindevariossensores.
Ajustaelsistemaalaaplicacindeterminandoaselnmerodesensores.
39
Aumentaelreadecoberturaydensidad, reconfigurandoel sistemacuandounnodo
sensorfalla.
Garantiza la calidad de monitoreo por la combinacin de informacin de distintas
perspectivasespaciales.
Mejoraeldesempeodelmonitoreocondistintostiposdesensores.
Monitoreaunfenmenodemaneracontinua.
Localizaun fenmenodiscretoatravsdelusodenodo individual y la habilidadde
combinarinformacinconotrosnodos.
Usadistintastecnologascomounsensordepequeadistanciacapazdemonitorearel
fenmenosloendistanciasprximas.
Supera los efectos ambientales colocando los sensores prximos de los objetos de
inters.
RecoleccindeDatos:
El objetivo de una red de sensores es colectar informaciones de una regin de
observacin especfica, procesar la informacin y transmitir a uno o ms puntos de la red
(llamadossinksoestacionesbase).Laactividadderecoleccinincluyeelclculodelreade
coberturadelossensores.
La exposicin puede ser definida como la integral de una funcin de monitoreo que
dependede ladistanciade los sensores sobreuncaminodesdeunpunto inicialPS hastaun
punto final PF. Los parmetros de la funcin de monitoreo dependen de la naturaleza del
dispositivosensor.Laexposicinestdirectamenterelacionadaconlacobertura.
Lacoberturadeconectividadesmsimportanteenloscasosdelasredesdesensoresad
hoc ya que las conexiones son punto a punto. La cobertura debe, en general, responder a
cuestiones sobre calidad de servicio que pueden ser provedas por una red de sensores
particular.Unpuntoinicialesdefinirelproblemadelacoberturadesdevariospuntosdevista
incluyendolosdeterminsticos,estadsticos,mejoropeorcasoypresentandoejemplosencada
dominio.
40
Procesamiento:
Elprocesamientoenredesdesensorespuedeserdivididoendoscategoras:
Procesamiento de soporte, el cual incluye procesamientos como: gestin,
comunicacinymantenimientodelared,porejemplolasactividadesrelacionadascon
losprotocolos.
Procesamiento de la informacin, en el cual los datos colectados por el nodo sensor
puedenserprocesadosenfuncindelaaplicacinodelaparticipacindelnodosensor
en relacin a una tarea comn. Los datos podrn ser comprimidos, correlacionados,
encriptados,autenticados,etc.Otroprocesamientoimportantesonlosestmulosparala
recoleccindelosdatos.Porejemplo,losnodossensoresdetemperaturapuedentener
su procesamiento estimulado en funcin de una variacin o ruptura de los lmites
establecidoscomotolerables.
Comunicacin:
Las redes de sensores representan una conexin que faltaba entre Internet y elmundo
fsico. Estas redes son distintas de otros tipos de redes inalmbricas, como adhoc y sobre
infraestructuras. En las redes sobre infraestructuras toda la comunicacin entre los nodos
mvilesesrealizadaatravsdelautilizacindeestacionesdesoporteamovilidad(estaciones
bases).En las redes adhoc, los nodosmviles realizan la comunicacin directamente entre
ellos, noexistenestacionesde soportea lamovilidad.Los nodosdeuna redadhocpueden
moversedemaneraarbitrariahaciendoquelatopologacambiefrecuentemente.
En las redes de sensores los nodos son, en sumayora, estacionarios.La topologa de
estasredesesaltamentevariabledadoqueelrecursodeenergaes limitado.Lascapacidades
de las redes inalmbricas adhoc es restringida por una interferencia mutua en las
transmisiones concurrentes entre los nodos. Una caracterstica de las redes inalmbricas
mvileseslavariacindeltiempodelcanalenfuncindelosenlacesdecomunicacin.Existe
esta variacin por problemas como mltiples trayectos, prdidas por atenuacin e
interferenciasdeotrasentidadescomolospropiossensores.
41
Lasdistintastecnologasdecomunicacininalmbricasposeenlimitacionesencuantoa
losobstculosyalcance,asqueelenvodelainformacinpuedeinvolucrarcaminosatravs
deotrosnodos.Lascondicionesderuidopuedenafectarelmonitoreo,lacomunicacinentre
losnodosysignificarungastodeenerganonecesario.
3.4. AlgunasaplicacionesactualesdeRIS
A continuacin describimos algunas de las aplicaciones en las que estn siendo
utilizadas RIS para mejorar diferentes procesos en ambientes industriales, comerciales,
organizacionales,ascomoenlaboresdemonitoreoycontrolenotrasreas.
Estalistadeaplicacionesbuscaidentificaraquellosnichosenloscualessehaexplotado
exitosamente la tecnologa de RIS con el fin de que la industria tenga conocimiento y
posteriormentepuedaintentarreplicardealgunaformaestoscasosdexito.Lasaplicaciones
incluyendescripcionesdecadaproyectoascomolasempresasparticipantes.
3.4.1. IndustriaenGeneral
MonitoreodeTuberasdeAgua
Objetivo: detectar fugas en la tubera, determinar su localizacin y cuantificar las
prdidasqueestas fugasgeneran.Enelcasode lasaguasnegrassebuscamedirelniveldel
aguaenlastuberasyencasoquelosnivelesseanaltospoderredireccionarlosflujosdeagua
paraquestosnolleguenalro.
Descripcin:colocarsensoresdeultrasonidoenlas lneasdetuberasdeaguasservidas
quemedirnelniveldelagua.Enlaslneasdetransmisinydistribucindeaguasblancasse
colocarantransductoresdepresin,hidrfonosysensoresdepH,queenestecasomedirnel
pHdelaguaylapresin.Estossensoresformanunclusterqueenvalosdatosalgatewayva
Bluetooth.Ladistanciamximaentrelossensoresyelgatewayserde70100m,elcualse
instalarenedificacionescercanas.Estosequiposserncomputacionalmentemspoderosos,
conaccesoaInternetvaWiFi oGPRSparatransmitirlosdatosrecabadosalabasededatosy
42
con la capacidad de almacenar volmenes de informacin considerables. Estarn
sincronizadosatravsdeunGPSycontrolarnelrgimendemuestreo.
Empresa:Intel,MIT&BostonWaterAuthority
Cliente:BostonWaterandSewerCommission
Referencia:(Tokmoulineetal.,2005)
MonitorearlasCadenasdeproduccinabajastemperaturas
Objetivo: hacer el seguimiento de los estndares de temperaturas desde la produccin,
centrosdedistribucinytiendashastaelconsumidor.Losclientesrecibenunaadvertenciaen
casoquenosehayacumplidolatemperaturarequeridaenalgunodelospasosdelacadena.
Descripcin: nodos sensores son transportados con los productos para recolectar la
temperatura, los datos medidos son enviados a unidades repetidoras que disponen de
suministroconstantedecorriente.Lasunidadesrepetidorasformanunredadhocmultihop,a
estaredseuneunaccessbox(equipomaspoderosoqueunaunidadrepetidora)quesirve
comogatewayentrelaredeInternet.Undatawarehousefuncionacomoservidorcentralque
recibelainformacindetodoslosaccessboxyproveeunaimagenactualizadadelossensores
ysirvecomorepositorioalasaplicaciones.
Empresa:Lab.Investigacin Berkeley
Referencia:(RiemVis,2002)
3.4.2. IndustriadePetrleoyGas
VigilanciadePozosdeBajaProduccin(MEOWS)
Descripcin:esteesunsistemainalmbricodevigilanciaparapozosdebajaproduccin
quemonitoreaeldesempeodel sistemay laproduccindepozos debombeomecnicoen
tiemporeal,parapozosquesonoperadosporVaqueroEnergyenEdisonField,enelCondado
KemenCalifornia.Estesistemafuediseadodemaneraexitosayprobadoencampo.
Elsistemadevigilanciaincluyeunsensordeflujopropietario,unaunidadprogramable
detransmisin,unreceptorbaseconantena,yunaestacinbase(computadora)consoftware
43
parainterpretarlosdatosrecolectados.Primero,sepresentaeldiseodelsistema.Segundo,se
presentan losdatosobtenidosencampo, loscualesprovienende4pozos.Losresultadosdel
estudiomuestranqueunsistemadevigilanciaefectivo,competitivoencostosyentiemporeal
puedeserintroducidoen campospetrolerosenlosEstadosUnidosyenelmundo.
Empresa:VaqueroEnergy
Contratista:Petrolects,LLC.
Referencia:(Medizadeetal.,2004)
MonitoreodeMaquinaraCrticadelasaladeMquinasdeunTanqueroPetrolero
Objetivos:
1) A travs de una aplicacin piloto corroborar la efectividad del uso de Nodos en
ambientesindustriales(hostiles).
2)Enbasealosdatosdevibracinentendercomolamaquinariasedesgastaypredecir
cuandoseledebehacermantenimiento.
Descripcin: acelermetros y tacmetros instalados en lamaquinaria son conectados a
los nodos, que estn instalados a aproximadamente 61 cm. (2 pies) de ellas en una caja
especialmenteconstruidapara suproteccin.Clustersdenodoscreansubredesquevanaun
gateway,comunicndoseatravsdeRF.Losgatewaysasuvezsecomunicanconungateway
controladorelcualenvalosdatosaunabasededatosbackend.
Empresa:Crossbow
Cliente:BP
Referencia:(Kevan,2006)
Refinera que utiliza identificacin por Radio Frecuencia para su Sistema de
Evacuacin
Objetivos: hacer seguimiento de todo el personal que tiene acceso a la refinera que
constadealrededorde2000personasentreempleados,contratistasyvisitantes.Permitiendoa
los operadores determinar donde estn en caso de emergencia, como una explosin o un
incendio.Elprocedimientoenestoscasosrequierequeelpersonalvayarpidamenteaunrea
44
de evacuacin previamente designada ya sea a pie o en un vehiculo y es necesario
identificarlosdeformarpiday confiable.
Descripcin:lasetiquetasRFIDactivassoncolocadasenelcarnetdelpersonal,loquele
permite aBP determinar rpidamente si alguien permanece en las instalaciones, cual es su
nombre y localizacin. Se utiliza un software basado en WebSphere con una interfaz de
localizacin llamada Atlas para recolectar los datos. Dicha etiqueta RFID transmite un ID
nico cada segundo, que es recibido por alguno de los 10 lectores instalados en el rea de
cobertura,poralgunodeloslectoresmanualesoporloslectoresquecapturanlasealdelos
empleadosquepasanporlapuertadesalidadelreadeevacuacin.
Empresa:MultiSpectralSolutions
Cliente:BPCherryPoint
Referencia:(Swedberg,2006)
3.4.3. AgriculturayMedioAmbiente
ObservacindelaveLeach'sStormPetrelenlaislaGreatDuck(Maine,EEUU)
Objetivos: estudiar el hbitat del ave, especficamente establecer los patrones de sus
nidos, cambios en las condiciones ambientales y sitios preferidos para criar a sus poyuelos.
Con este proyecto se desea desarrollar un kit que permita el estudio del hbitat de otros
animales.
Descripcin: se trata de un ave muy susceptible a la presencia humana, lo que ha
dificultadosuestudio.Sehancolocadonodostantodentro,comofueradelosnidosquemiden
temperatura,presinyniveldeluz.Adicionalmentesehanagregadosensoresinfrarrojosalos
nodosdentrodelosnidosparadeterminar lapresenciadelasaves.Losequiposseinstalaron
enclusterformandounaredmultihopadhoc.Cadaclusterposeeunnodoquedisponedeuna
antenadireccionaldelargoalcance,quelepermiteconectarseconlaestacinbase.Losdatos
recolectadossonenviadosvasatlitedesdelaestacinbasehacialabasededatosbackend.
Empresa:Lab.Investigacin Berkeley
Referencia:(Culler,2002)
45
MonitoreodeGlaciares
Objetivo:monitoreode losdesplazamientosydinmicasdentrode losglaciaresconel
fin de comprender los cambios en el clima. Se utilizan cpsulas que son insertadas en el
interiordelglaciaryquesecomunicanconlasuperficieatravsdeenlacesderadio.Dichas
cpsulascontienensensoresquepermiten,desdelasuperficie,medirsuposicinyorientacin.
Descripcin: las cpsulas son colocadas en el glaciar taladrando huecos a distintas
profundidades, dichas cpsulas estn equipadas con sensores que miden la presin, la
temperaturaylaorientacindelnodo.Secomunicanconlaestacinbaseinstaladaenlacima
del glaciar, la estacin base mide los desplazamientos supraglaciales usando un GPS
diferencialy transmitiendo losdatos recolectadosvaGSM.A2.5Km. hayunaestacinde
referenciaquerecibelainformacinenviadaporlaestacinbaseatravsdeunradiomdem.
EstelosrespaldaendiscoylosenvaaSouthamptoncadanoche,usandolneastelefnicas.
Empresa:UniversidaddeSouthampton
Referencia:(Pahdyetal.,2005)
3.4.4.SeguridadyDefensaMilitar
SeguimientodeVehculosatravsdeunaRIS
Objetivo:poderhacerunseguimientoexhaustivodelosvehculosquesemuevenenun
reaespecifica.Pararealizarestosebuscaquenohagafaltaponerriesgoningunavidaporlo
quesepersiguequeseaunsistemanotripulado.
Descripcin: utilizando un vehiculo areo no tripulado se distribuyen una serie de
sensoresenunreaespecifica.Unavezdesplegadossobreelterrenodichosnodosformauna
redmultihopsincronizadaquedetectalosvehculosquepasanatravsdelaredytransfieren
la informacin recolectada a la unidad area, quien a su vez enva la informacin a un
observadorenelcampobase.Elnodoposeeunmagnetmetro,porlocualcuandomateriales
magnticossemuevencercadelmagnetmetro,causanuncambioenelcampomagntico,y
esestecambio loqueelnododetecta.Elnodoescapazdedetectarvehculosdepasajerosa
msdecincometrosybusesycamionesamsde10m.
46
Referencia:(Culleretal.,2000)
SistemadeDeteccindeTiradoresBasadoenunaReddeSensores
Objetivo:localizartiradoresocultosylatrayectoriadelasbalas,dandounainformacin
muyvaliosaparalasautoridadesenelcumplimientodelaley.
Descripcin:losnodosutilizansensoresacsticosquedetectanlasondasdechoqueylas
rfagas,formandounaredadhocmultihopsincronizada.Enbasealacomparacindeltiempo
dearriboalossensoresdistribuidossepuedelocalizaraltiradormediantetriangulacin,con
unacertezadeunmetroyconunalatenciade2segundos.
Referencia:(Simonetal.,2004)
47
3.5. Mtodosbsicosdeproduccindepetrleo
En virtud de la variedad de tcnicas de produccin que se emplean para extraer el
petrleo de los yacimientos, se procede a explicar el funcionamiento de 3 tipos de pozo, a
partirdeloscualessedefinirnparmetrosamedircomopartedelainstrumentacinasociada
alosprocesosdemonitoreoycontrol.
3.5.1.ProduccindeFlujoNatural
Cuando un yacimiento tiene suficiente presin para expulsar el petrleo hasta la
superficiesinningntipodebombeo,se lecatalogacomodeflujonatural.Laterminacin
del pozo se elije para responder a las condicionesmecnicas y geolgicas impuestas por la
naturaleza del yacimiento.Adems de las varias opciones para terminar el pozo demanera
vertical, ahoraexisten las siguientesmodalidadesde terminacindepozos:pozosdesviados
normalmente, desviados de largo alcance, inclinados y los que penetran el yacimiento de
manerahorizontal (Barberii,1998a).
3.5.2.ProduccinporBombeoMecnico
Unyacimientoqueproduceporbombeomecnicotiene suficientepresinparaque el
petrleo suba hasta cierto nivel. A partir de este nivel, el bombeomecnico se encarga de
sacar el petrleo hasta la superficie. Esto se hacemediante la instalacin deun balancn de
produccin,queaplicaunmovimientoverticalalasartadevarillasdesuccinquemuevenel
pistn de una bomba que est colocada en la sarta de produccin o educcin, a cierta
profundidaddelpozo.
Una vlvula fija permite que el petrleo entre al cilindro de la bomba. En la carrera
descendente de las varillas, la vlvula fija se cierra y se abre la vlvula viajera para que el
petrleopasedelabombaalatuberadeeduccin.Enlacarreraascendente,lavlvulaviajera
secierraparamoverhacia la superficieelpetrleoqueesten latuberay lavlvula fijase
abre para permitir que entre petrleo a la bomba. La repeticin continua del movimiento
48
ascendente y descendente mantiene el flujo hacia la superficie (Barberii, 1998b). En el
siguientegrficosepuedeobservarelsistemadebombeomecnicoaqudescrito:
Fig.11. SistemadeBombeoMecnico
49
3.5.3.ProduccinporBombeodeCavidadProgresiva(BCP)
LasbombasdeCavidadProgresivasonmquinasrotativasdedesplazamientopositivo,
compuestas por un rotormetlico, un estator cuyomaterial es elastmero generalmente, un
sistemamotoryunsistemadeacoples flexibles.Elefectodebombeoseobtieneatravsde
cavidadessucesivaseindependientesquesedesplazandesdelasuccinhastaladescargadela
bombaamedidaqueelrotorgiradentrodelestator.Elmovimientoestransmitidopormedio
deunasartadecabillasdesde lasuperficiehasta labomba,empleandoparaellounmotor
reductoracopladoalascabillas.
Estetipodebombassecaracterizaporoperarabajavelocidadesypermitirmanejaraltos
volmenesdegas,slidosensuspensinycortesdeagua,ascomotambinsonidealespara
manejarcrudosdemedianaybajagravedadAPI.
LoscomponentesbsicosdeunsistemadeBombeodeCavidadProgresivaincluyen:
Equiposdesuperficie:
o Cabezalgiratorio:su funcinprincipales ladesoportarelpesode la sartade
cabillas.Adems,evitaquestaltimaretrocedacuandoelsistemaseapaga.
o Movimientoprimario(motor):sufuncinprincipales ladeproveer laenerga
necesariaparamoverelequipodesuperficie,yporendelasartadecabillasyla
bomba.
Equipo de transmisin depotencia: a travs deun conjunto depoleas, cadenas y un
sistemahidrulico,seencargadetransmitirlepotenciaalmotor.
Equipos de subsuelo: en este grupo de componentes se encuentran la bomba de
subsuelo, el ancla de gas, el ancla antitorque y la sarta de cabillas. La bomba de
subsueloconsistedeunrotorhelicoidalsingularquerotaalrededordeunmismoeje,
dentro de un estator helicoidal doble de mismo dimetro (menor) y del doble de
longitud.Elrotoryelestatorformanunaseriedecavidadesselladasalolargodeuna
mismadireccin,quesedesplazandesdelasuccinhastaladescargadelabomba.El
desplazamiento de una bomba de Cavidad Progresiva adems de ser funcin de la
velocidadderotacin,esdirectamenteproporcionalatresconstantes:eldimetrodela
seccin transversal del rotor, la excentricidad (o radio de la hlice) y la longitud
50
pitchde lahlicedelestator.Eldesplazamientoporrevolucinpuedevariarconel
tamaodelreadelacavidad(Aguirre,1999).
EnlaFig.12sepuedeobservarundiagramadelaestructuradeunpozoBCP.
Fig.12. SistemadeBCP
51
Lasiguientefiguraobtenidade(Reyes,1999)presentaunabombadecavidadprogresiva
endetalle:
Fig.13. Detalledeunabombadecavidadprogresiva
CAPTULO4:DESARROLLODELASFASESDELPROYECTO
A continuacin se procede con el desarrollo del proyecto de acuerdo a las fases
presentadasenelCaptulo2:Objetivo yFases,empezandocon elestudiode los3 tiposde
pozo que se plasmaron en el Captulo 3, seccin 3.5. Estudio deMtodos de Produccin
Bsicos.
4.1. Identificar y estudiar los parmetros de operacin de los pozos, as como los
mtodosyestrategiasaemplearparasurecoleccin
En un proceso tan complejo como lo es la produccin de petrleo, en su fase de
extraccindelpozo,seveninvolucradasunacantidaddevariablesfsicasbastantegrande.En
cadapuntodelaestructuradelpozosepuedemedirtemperatura,presinyflujodecualquier
fluido involucrado, ya sea petrleo, queroseno, aceites, agua, etc. Tambin en sistemas de
extraccin mecnicos se puede monitorear las cargas, torques, vibraciones y esfuerzos de
piezasclavedelensamblajemecnico.Adicionalmente,sepuedenhacermedicioneselctricas
paramonitorear el consumode energa del sistema, si ste resulta ser un factor clave en el
desempeodelpozo.
Para instrumentar un pozo bajo las mejores prcticas posibles, habra que tomar en
cuenta todas las variables que se puedanmedir, y controlar las que tengan un efecto en la
salidadelsistema,enestecasoelvolumendeproduccin.Enunpozodebajaproduccinno
resultarentablehacerusodeunainstrumentacintanminuciosa,queademsrequeriradeun
cuartodecontrolyoperadores.Almomentodeinstrumentarunpozodebajaproduccin,se
plantea hacerlo bajo los requerimientos mnimos de monitoreo, es decir, controlando las
variablesmsesenciales.
Como parte del proyecto, PDVSA hizo entrega de una lista de lo que se considera
parmetros esenciales de instrumentacin, as como tambin hizo entrega de las mejores
prcticasparaefectosdecomparacin.Acontinuacinsepresentanestosparmetrosconsu
definicin, laperiodicidadmximaconlaquePDVSArecomiendahacermuestreosyenque
tipodepozo(delos3explicadosenelCaptulo3,Seccin3.5)estnpresentes.
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4.1.1. Estudiodeparmetrosamedir
Presindelnea:estaeslapresinqueejercelamezcladepetrleo,aguaygasalsubir
por el ducto. Se plantea medirla cada 2 minutos para verificar la condicin y
rendimientodelyacimiento.Semideenpozosdeflujonatural
Presindecasing:estaes lapresinejercidasobreelcasingocubiertaprotectora, la
cual es una infraestructura que recubre todo el camino de terminacin hacia el
yacimientoparaevitarqueelductoy,porende,elpozocolapsen.Seplanteamedirla
cada 2 minutos para verificar la condicin y rendimiento del yacimiento.
Adicionalmenteindicalaexistenciadecomunicacinentreelespacioanularylalnea
deproduccin.Semideenpozosdeflujonatural
Presindecabezal:eslapresinconlaqueseliberalamezcladepetrleo,aguaygas
a la superficie, ya que el cabezal se encuentra en la interfaz ductosuperficie. Se
planteamedirlacada2minutosparaverificarsielpozoestabiertoono.Semideen
lastresmodalidadesdeproduccinestudiadas
Presin a vlvula de seguridad en subsuelo: esta es la presin en el extremo de
subsuelo con la que lamezcla empieza a subir. Se planteamedirla cada30minutos
paraverificarcondicionesdebajaproduccinqueindiquenuncierredelavlvula.Se
mideenpozosdeflujonatural
Temperaturadelnea:es latemperaturacon lacualviene lamezcladehidrocarburos
porelducto.Seplanteamedirlacada2minutosparapredecirpresenciadebachesde
aguaogas.Semideenpozosdeflujonatural
Temperaturadecabezal:eslatemperatura