diseño y estudio radioeléctrico de un sistema zigbee en entornos

“Diseño y estudio radioeléctrico de un sistema de

comunicaciones inalámbricas basado en una red de

sensores con tecnología ZigBee en entornos

boscosos”

Master en Comunicaciones

Alejandro Eguizábal Garrido Tutor: Dr. Francisco Javier Falcone LanasPamplona, 24 Septiembre 2014

• Objetivo• Introducción• Estado del arte• Escenario de estudio• Simulaciones• Conclusiones• Líneas futuras

Objetivo

IntroducciónEstado del arte

Escenario de estudioSimulacionesConclusiones

Líneas Futuras

Objetivo

Analizar la propagación radioeléctrica para un sistema ZigBee en entornos

boscosos, con la finalidad de diseñar una red WSN (Wireless Sensor Network).

Masas tanto naturales como forestales con diferentes especies de arboles y distribuciones

Realización de simulaciones

+In situ

Recogida de datos del entorno y procesado

de los mismos

ObjetivoIntroducción

Estado del arteEscenario de estudio

SimulacionesConclusiones

Líneas Futuras

Introducción

Riesgos medio ambientales

Animales y vegetales Vidas humanas

Cambio climático

Concienciación social

Nuevas tecnologías

amientender.blogia.comecoportal.net

animalesenpeligro1238.blogspot.com.es noticias.masverdedigital.com


Estado del arte


Líneas Futuras

Clasificación del entorno

Masas Naturales y Forestales

Masas Forestales

Ordenadas No Ordenadas

Certificadas No Certificadas

Cuestiones económicas Conservación eco. “Departamento de Desarrollo Rural y Medio Ambiente de Navarra”


Estado del arte


Líneas Futuras

Caracterización del entorno

Enfoques

DinámicoEstático

Temporal

Modelos de estudio

Regulares Irregulares

Modelo KRAFT IUFRO (International Union of Forest Research Organisations)

SERRADA, R. 2008. Apuntes de Selvicultura


Estado del arte


Líneas Futuras

Espesura del entorno

Estudio de espesura arbórea

• Densidad

• N = (np x 10.000) / Sp , en pies/ha.

• LANIER (superficie cubierta)

• Fracción de cabida cubierta

• Fcc = (Scu x 100) / Sto

• Hart-Becking

LANIER (superficie cubierta)

Hart-Becking

SERRADA, R. 2008. Apuntes de Selvicultura

Planta

Perfil

Índice de espesura

En función de laseparación entre piesY altura

A1

A1 A.E; 23/09/2014


Estado del arte


Líneas Futuras

Propagación en bosques

Aspectos a considerar en la propagación en masas arbóreas

• Propagación multitrayecto• Efectos de la vegetación• Clima

• Pérdidas por espacio libre

• Variación constantes dieléctricas materialesDensidadHumedadTemperatura

• Dependiente de la estación del año

• Métodos: Weissenberger’s, ITU


Estado del arte


Líneas Futuras

Modelo de propagación

Lanzado de rayos 3D Determinista

• Se fundamenta en al óptica geométrica

• Lanzado de rayos, no ondas

• Algoritmo empleado RL (Ray Launching)

http://www.mdpi.com/1424-8220/13/4/4947/htm


Estado del arte


Líneas Futuras

WSN – ZigBee IEEE 802.15.4

La finalidad de las redes WSN es la de recoger parámetros del entorno para posteriormente o en tiempo real, analizarlos y realizar las acciones pertinentes.

• Soporte para múltiples topologías de red como de punto a punto,punto a multipunto y redes de malla.

• Ciclo de trabajo bajo - ofrece batería de larga duración.• Baja latencia.• Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS).• Hasta 65.000 nodos por red.• 128-bit AES de cifrado para las conexiones de datos seguras.• Prevención de colisiones, reintentos y reconocimientos.• Frecuencias 868MHz, 915MHz, 2.4GHz.


Estado del arte


Líneas Futuras

Proyectos relacionados

Financiación

+ +

FireSens (2009-2013) Protección de yacimientos arqueológicos

próximos a los bosques

Scier (2006-2009) Prevención de catástrofes naturales

“Firesens.eu”




Líneas Futuras

Mediciones en Orgi

• ÁREA APROXIMADA 40X40m

Localización Bosque de Orgui. “Imagen satélite google mapas”




Líneas Futuras

Mediciones en Orgi

• 9600 bps• Ptx = 18 dBm• Altura tx = 1.47m• Atura rx = 1.5m

• Medidas : Radiales Prx, PER

Waspmote “Libelium.com”

Módulo XBee-Pro “Libelium.com”

Analizador RF Field Fox N9912A utilizado como rx




Líneas Futuras

Mediciones en Orgi



Simulaciones

ConclusionesLíneas Futuras

Modelado de escenarios

Suelo

• Constantes dieléctricas“handbook of Dielectric Properties of Material at Microwave Frequencies,VYACHESLAV V.KOMAROV”

Hayas

Abeto

Pino

Roble



Simulaciones



1ª Sim 2ª Sim 3ª Sim

Escenarios regulares



Simulaciones



Escenarios Irregulares Mixtos



Simulaciones


Parámetros simulados

Parámetros simulados

POTENCIA DE TRANSMISIÓN 0 dBm, 15 dBm

FRECUENCIA 868MHz, 2.4GHz

RESOLUCIÓN CUBOIDE 1mx1mx1m, 2mx2mx2m

REFLEXIONES 6

RESOLUCIÓN ANGULAR 1º

Parámetros utilizados en las diferentes simulaciones

Constantes dieléctricas de los materiales que conforman el entorno

Madera de pino

Epsilonr = 1.4;Conductivity = 0.021;

Epsilonr=-4*10^-6*t^3+0.0002*t^2-0.0212*t+21.483;Conductivity=3*10^-7*t^3-0.0003*t^2-0.004*t+7.3238;

Madera de roble (t) Follaje árboles (h)

Epsilonr=137*h^3-69.688*h^2+23.385*h+1.4984;Conductivity=1.1541*h^3-0.5489*h^2+0.1669*h-0.0004;



Simulaciones


Masas Regulares

Área: 38x38x16 mNº: 64 pinosAltura: 12mAntena: Centrada, h=4, 6, 8m

Influencia destructiva del multitrayecto

• Niveles de potencia muy similares para las tres alturas

Mayor atenuaciónen alturas próximasal suelo



Simulaciones


Masas Regulares

Área: 42x42x15 mNº: 64 hayasAltura: 12mAntena: Centrada, h=4, 6, 8m

• Mayor atenuación para 2.4 GHz, necesarias áreas más extensas

Mayor atenuaciónen alturas de copa



Simulaciones


Masas Irregulares

Área: 20x20x15 mNº: 12 RoblesAltura: AleatoriasAntena: Centrada, h=4, 6, 8m

Mayor atenuaciónen alturas de copa

• Potencia obtenida in situ muy similar a los datos recogidos en las simulaciones



Simulaciones


Masas Irregulares

Área: 46x46x18 mNº: 32 hayas 32 pinosAltura: AleatoriasAntena: Centrada, h=4, 6, 8m…

• Menor atenuación en general para 868MHz, necesario escenarios mayores

Resolución óptima2m para escenariosde 45m



Simulaciones


Masas Irregulares

Influencia en altura

• Atenuaciones similares en ambos casos tanto para alturas bajas como altas• Influencia de altura de antena es menor que en los escenarios con masas regulares• Mayor influencia del índice de espesura



Simulaciones


Masas Irregulares

BPSK

No=Nt+Interf = -90 dBm/Hz • Influencia del multitrayecto

Diferencia temporal entre la primera y la última componente multitrayectoNt=K*T*BW




Líneas Futuras

Conclusiones

• El método de RL no es apropiado para escenario grandes (divergencia)

• La propagación en entornos arbolados es muy compleja a consecuencia del multitrayecto

• La mejor forma de determinar la atenuación por vegetación es in situ

• La realización de una caracterización del entorno es algo fundamental

• Debemos determinar de forma muy clara la vida útil del sistema

• La madera es considerablemente menos influyente que el follaje

• Los radios de cobertura superan los 50m sin problemas




Líneas Futuras

Líneas Futuras

• Caracterización dieléctrica de los materiales con mayor exactitud

• Ampliación del área geográfica de estudio

• Creación de nuevos modelos de árboles para su simulación

• Diseño total y despliegue de una red WSN para la prevención de incendios y parametrización del entorno

“Diseño y estudio radioeléctrico de un sistema de

comunicaciones inalámbricas basado en una red de

sensores con tecnología ZigBee en entornos

boscosos”

Alejandro Eguizábal Garrido Tutor: Dr. Francisco Javier Falcone LanasPamplona, 24 Septiembre 2014

¡¡¡ GRACIAS POR SU ATENCIÓN !!!

diseño y estudio radioeléctrico de un sistema zigbee en entornos

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