Introducción a Redes Inalámbricas [Documento Técnico]

Diciembre 3 2008

DX80DR9M-H MultiHop with Solar Panel Network

Tabla de Contenidos:

Introducción
Bloques de Construcción de Redes
Topologías Comunes de Red
Configuración de Red
Sistemas Inalámbricos de Banner
Glosario

Introducción

Todos estamos familiarizados con las redes inalámbricas altamente conectadas, como las redes de telefonía móvil, pero las preocupaciones sobre la fiabilidad, el rendimiento y la seguridad han impedido que esta tecnología de redes clave llegue a la planta. En su lugar, la generación actual de productos inalámbricos utilizados en aplicaciones de automatización suele depender de pares transmisor/receptor simples, que no ofrecen una conexión avanzada.

Para aprovechar al máximo los productos inalámbricos, los ingenieros de automatización y procesos necesitan comprender cómo funcionan estos productos entre sí o con la red.

Este documento describe los fundamentos de la creación de redes:

Bloques Básicos de Construcción de Redes
Topologías Comunes de Red
Configuración de Red

Bloques de Construcción de Redes

Todas las redes están construidas de bloques de construcción básicos. En las últimas dos décadas, los ingenieros de red han utilizado estos bloques básicos de construcción de redes para crear un flujo continuo de productos cada vez más fiables, rápidos y eficientes que han penetrado en muchos aspectos de la vida cotidiana.

Los siguientes bloques de construcción se utilizan en redes de sensores inalámbricos.

El nodo es el bloque de construcción más básico de una red. Técnicamente, cada dispositivo de la red es un nodo, pero para este propósito un nodo es un dispositivo de red inalámbrica que contiene uno o más sensores y/o actuadores y una única radio. Cada radio en la red representa un solo nodo, aunque esa radio puede tener múltiples sensores.

Un repetidor permite que las señales de radio viajen a distancias más largas, recibiendo la señal, aumentando la señal y luego repitiendo la señal en el lado del transmisor de la radio.

Un enrutador actúa como una unión entre dos o más redes similares para permitir la transferencia de información entre ellos.

Una pasarela es un nodo que interactúa con otra red que utiliza un protocolo diferente. Traduce la información en una forma que la otra red pueda entender. Dado que la mayoría de las pasarelas también contienen funciones de enrutamiento, piensa en una pasarela como dos routers de pie espalda con espalda y hablando lenguas diferentes a sus redes respectivas.

Topologías Comunes de Red

En una discusión sobre redes, la topología se refiere a cómo los nodos de una red están conectados.

Punto a punto - La forma más básica de la red se llama punto a punto. Como su nombre indica, en esta red dos dispositivos están conectados entre sí.

Bus - En una red de bus, los nodos están conectados a través de una vía de comunicación común, llamada bus. En una red de buses, los dos métodos más comunes para decidir qué nodo puede enviar datos en un momento dado son Maestro/Esclavo y Sensor Portador, Acceso Múltiple (CSMA):

En el método maestro/esclavo, un dispositivo en el bus es el maestro, y periódicamente contacta o examina los otros dispositivos—los esclavos. Modbus es el protocolo de red de bus maestro/esclavo preferido para redes desplegadas en grandes áreas o conectadas a una red cableada existente.
En la estructura de bus CSMA, durante cada ciclo de temporización—a veces llamado una época— los dispositivos de la red se despiertan, perciben si pueden enviar un mensaje a la red y, de ser así, envíen su mensaje.

Multipunto a punto - Cuando muchos dispositivos están conectados a un único punto, por ejemplo, cuando varios nodos se conectan a una solo gateway, se llama multipunto a punto. Debido a su forma, esta red también se conoce como una red de hub y spoke, o una red en estrella. Una ventaja para una red en estrella es que cada nodo está conectado al gateway en su propia ruta de comunicaciones. Si la comunicación entre un nodo y el dispositivo maestro falla, el resto de la red no se ve afectada.

Árbol - Añadir un repetidor a la arquitectura básica de la estrella crea una topología de árbol. En el nivel más bajo están los nodos, denominados hojas. Su única función es transmitir información al siguiente nivel más alto. Los dispositivos de nivel medio son repetidores, y en la parte superior es el gateway. En este diseño, si uno de los repetidores falla, la conexión entre los nodos y el gateway se pierde.

Malla - Para mejorar la confiabilidad, los diseñadores de redes desarrollaron una arquitectura llamada malla. En una red de malla real, cada nodo tiene capacidades de enrutamiento limitadas y mantiene una conexión de red con al menos otros dos nodos. De esta forma, si un enlace se rompe, la información tiene una ruta alternativa al gateway. El gateway en este caso podría ser cualquier nodo en la red.

Configuración de Red

Direccionamiento

Para recibir mensajes, cada nodo en una red debe tener una dirección única. La dirección se define cuando se crea la red— es decir, cuando se establecen los enlaces de radio entre nodos, repetidores y gateways.

Una red de sensores inalámbricos no requiere el tipo de esquema de direccionamiento dinámico complejo utilizado para Internet. En su lugar, puede utilizar un esquema de direccionamiento estático simple que se basa en dos conmutadores rotativos fácilmente accesibles:

El interruptor giratorio izquierdo establece la ID de red, que es la dirección de nivel superior. Establece el patrón de saltos de radio que todos los nodos de esa ID de red específica utilizan para comunicarse con el gateway. Son posibles dieciséis identificadores de red, de 0 a 15.
El conmutador giratorio derecho establece una dirección de dispositivo para el nodo. Puede tener un valor de 0 a 15.

Una red con dos conmutadores rotativos soporta 256 direcciones únicas, que son las posibles combinaciones de 16 ID de red y 16 direcciones de dispositivo.

La Encuesta del Sitio

Antes de instalar una red inalámbrica, una encuesta de sitio confirma que todos los componentes pueden comunicarse en el área donde se ubicarán. Aunque este proceso puede ser complicado y costoso, el equipo de red inalámbrica puede ser diseñado para incluir una herramienta integrada de levantamiento de sitios. Cuando el usuario solicita que un gateway inicie una encuesta de sitio con un nodo en particular, la herramienta realiza todas las pruebas automáticamente.

Cómo Mover Mensajes Alrededor de la Red

La información transmitida entre direcciones en una red inalámbrica está contenida en un bloque formateado llamado paquete, que consta de tres elementos: el encabezado, que incluye información como la dirección a la que se envía el paquete y el tipo de información que se envía, la carga útil, que es la propia información; y un remolque, que indica el final del paquete.

Para transmitir de forma confiable este mensaje, las redes eficientes regulan las comunicaciones entre dispositivos. En general, la mayoría de las redes soportan el concepto de maestro/esclavo, donde en cualquier momento un dispositivo en la red es el maestro que controla la red y el resto son esclavos que responden. Un gateway puede ser el maestro y todos los nodos esclavos. Alternativamente, si el gateway está conectado a través de una computadora en red, esa computadora puede ser el maestro.

El modo en que la red está configurada para recibir mensajes afecta el rendimiento del sistema. Para comprender correctamente las capacidades de cualquier sistema inalámbrico, es importante comprender los tipos de mensajes que admite la red.

Encuestado. El maestro consulta a los esclavos para ver si tienen mensajes que enviar a través de la red. Si un esclavo tiene un mensaje, genera un paquete para una dirección específica y, cuando es señalado por el maestro, envía esta información a través de la red. De esta manera, el maestro controla el acceso a la red, asegurando que cada nodo tenga un intervalo específico para comunicar su mensaje.
Cíclico. El esclavo genera periódicamente un mensaje al maestro basado en una configuración de parámetros específica como "Enviar la temperatura cada tres minutos". El esclavo se despierta del modo de reposo, toma una lectura de la temperatura, enciende su radio, escucha para ver si hay cualquier tráfico reconocible en la red, y si no, ensambla un paquete y envía el paquete sobre el transmisor.
Evento conducido. Un evento —como una temperatura excesiva o una batería baja— dispara un mensaje. En esta situación, el nodo generalmente necesita acceso rápido a la red, por lo que puede notificar al maestro.

Sistema SureCross de Banner

El producto inalámbrico SureCross ™ de Banner Engineering incorpora la funcionalidad de los cuatro bloques básicos de las redes en dos paquetes de hardware diferentes: Nodo y Gateway. El Nodo puede conectarse a hasta cuatro sensores y/o actuadores distintos. El gateway realiza funciones de enrutamiento y puede configurarse como un repetidor o un gateway a una red Modbus.

SureCross está diseñado para ser confiable y simple para la red:

SureCross utiliza la arquitectura de topología en estrella, permitiendo que los nodos transmitan información solamente al gateway, reduciendo así el tráfico innecesario de radio. Cada puerta de enlace de Banner, que sirve como un concentrador, puede admitir hasta 16 radios o nodos, y cada nodo puede admitir varios sensores.
Las direcciones SureCross se configuran utilizando dos conmutadores rotatorios que soportan 256 direcciones únicas.
La configuración de Gateways SureCross para utilizar canales diferentes permite que hasta 16 redes hub y spoke diferentes ocupen el mismo espacio de radio.
Para garantizar la seguridad, el usuario puede configurar sensores en los nodos para realizar una acción específica, como cerrar una válvula, si el enlace de radio a los repetidores se pierde durante un período preestablecido.
Cada nodo y gateway de Banner SureCross incluye una herramienta integrada de levantamiento de sitios y la pantalla LCD de Gateway muestra los resultados restantes.
El Gateway SureCross admite tres modos de salida: serie, Ethernet y Modbus.

Definiciones

Term	Definition
cyclic reporting	information is transmitted to the gateway on a specific schedule
event-driven messaging	information is transmitted to the gateway when defined conditions, or events, occur
gateway	a node that interfaces with another network using a different protocol
network ID	identifier for every device in a given network
network topology	how the nodes within a network are connected
node	a wireless networking device containing one or more sensors and a radio
packet	a formatted block of data transmitted from one network node to another
polling	the network master polls the slave devices to ask for information
radio link loss	loss of the signal between a transmitter and receiver
RF	radio frequency
router	a junction between two or more similar networks that expedites data transfer
site survey	a wireless network tool to analyze the strength of the radio signal between the gateway and a node

Productos Destacados

Performance Series Industrial Wireless Gateways and Nodes

Gateways y Nodos de la Serie Performance

Cree redes punto a multipunto que distribuyan E/S en áreas grandes. Los tipos de entrada y salida incluyen discreto (contacto seco, PNP/NPN), analógico (0 a 10 V CC, 0 a 20 mA), temperatura (termopar y RTD) y contador de impulsos.