Adaptive nodes algorithm to solve the orphan nodes problem in a ZigBee Tree WSN

Algoritmo de nodos adaptativos para solucionar el problema de los nodos huérfanos en una Red Inalámbrica de Sensores ZigBee en topología de árbol

Para solucionar el problema de los nodos huérfanos en una topología tipo árbol en una red ZigBee, se ha desarrollado un algoritmo basado en nodos híbridos compuesto por un módulo XBee S2C configuradoen modo API con escape conectado a un microcontrolador ATMEGA 328P. Los nodos sensores cuentancon las características de End Device y Router simultáneamente, las cuales pueden ser alternadasdependiendo de la situación, de esta forma, el nodo puede adaptarse por sí mismo para mantener laintegridad de la red. Por otro lado, el nodo coordinador está conformado por un módulo XBee S2C y elsistema embebido Raspberry Pi 3 que soporta el algoritmo y está configurado como punto de acceso,servidor de base de datos y servidor web. Empleando el algoritmo propuesto, la cobertura de la red puedeser recuperada hasta en un 42,8%, pero viene con un costo de energía debido al cambio de End Devicea Router. Adicionalmente, una aplicación móvil integrada con servicio de notificaciones y Google Maps fue desarrollada para monitorizar el comportamiento de cada nodo en la Red Inalámbrica de sensores.

INTRODUCCIÓN

Las redes inalámbricas de sensores (WSN) suelen estar formadas por nodos sensores desplegados en una zona para alcanzar determinados objetivos. Cada nodo está equipado con un transceptor para comunicarse con los nodos vecinos y un microcontrolador para almacenar y procesar los datos 1.

Un protocolo habitual en las WSN es ZigBee, que admite tres tipos de nodos: ZigBee Coordinator (ZC), ZigBee Router (ZR) y ZigBee End Device (ZED). El ZC es el nodo central responsable de establecer y gestionar la red y otras funciones como la seguridad y el funcionamiento general. El ZR tiene todas las funcionalidades del protocolo ZigBee. Puede unirse a la red para enviar, recibir y enrutar información al nodo coordinador. El ZED tiene las mismas funciones que los routers pero no tiene función de enrutamiento; se encarga principalmente de cargar la recopilación de datos al nodo coordinador con un consumo de energía inferior al de un router.

Las redes ZigBee pueden construirse en topología de pares, topología de estrella y topología de malla para dar a la red su estructura, como se muestra en la figura 1. Las tres estructuras de red pueden combinarse en la topología de árbol en racimo para ampliar el ámbito de cobertura de la red (2.