Lanzando la red de sensores inalámbricos

No sabía esto antes, pero las plantas tienen relaciones sexuales, dice Kevin Delin. Señala dos enormes cícadas, fugitivos parecidos a palmeras de la Era de los Dinosaurios que crecen en un rincón de los Jardines Botánicos de Huntington, un santuario para 15.000 especies de plantas raras en San Marino, CA. La ignorancia de Delin sobre la botánica es excusable. Es un ingeniero del cercano Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, y lo que realmente le interesa no son las cícadas masculinas y femeninas, sino el par de cápsulas de red de sensores alojadas en el suelo debajo de las plantas. Cada módulo tiene el tamaño de una computadora de mano y contiene un procesador, batería, celda solar, radio, memoria y sensores para monitorear el calor, la humedad y la humedad del suelo. Las vainas son los ojos, oídos e incluso cerebros sustitutos de los curadores del jardín, que controlan la cantidad de luz solar y lluvia que reciben las plantas, factores críticos para las cícadas, que necesitan condiciones específicas para reproducirse.

Los sensores no son nada nuevo. Un automóvil, por ejemplo, usa docenas de ellos para monitorear factores como las condiciones del motor. Pero los sensores de los automóviles, las fábricas y los edificios de oficinas de hoy son, en su mayor parte, tontos. Carecen de inteligencia para analizar o actuar sobre sus hallazgos; en cambio, envían las mediciones a un procesador central. La mayoría de los sensores actuales también están atascados en su lugar, y cualquier movimiento requiere un costoso recableado. Las vainas de Delin son diferentes. Hablan de forma inalámbrica entre ellos y con otros 18 grupos en el jardín, formando su propia red inteligente. Cada pocos minutos, los grupos se actualizan entre sí sobre sus últimas lecturas, juntos procesan la información en una imagen general de la temperatura y las condiciones del suelo y envían este análisis a los curadores. Es como si una computadora autónoma y altamente consciente se extendiera por 40 hectáreas de paisaje.

Esta historia fue parte de nuestro número de julio de 2003

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Se trata de sintetizar el conocimiento global a partir de datos sin procesar sobre la marcha, dice Delin. Sus cápsulas presagian un futuro en el que los sensores inteligentes absorben grandes cantidades de datos vitales, por ejemplo, tensiones mecánicas en las vigas de un puente o el estruendo de un convoy enemigo en una noche desértica sin luna, que actualmente no se registran. Inalámbricos y alimentados por baterías, se accederá a dichos sensores de forma remota y se colocarán donde no sería práctico conectar datos y líneas eléctricas. Pequeños y baratos, se distribuirán generosamente y se espaciarán poco, lo que producirá imágenes detalladas de fenómenos como el clima que actualmente solo se registran a gran escala. Y debido a que actuarán de manera cooperativa, organizándose y compartiendo cálculos a través de la malla, proporcionarán a las personas fragmentos utilizables de información predigerida en lugar de una confusión de números.

De hecho, las redes de sensores inalámbricos son uno de los primeros ejemplos del mundo real de computación omnipresente, la noción de que los dispositivos de detección y computación pequeños, inteligentes y baratos eventualmente impregnarán el medio ambiente. Esa noción se ha estado filtrando en los círculos de tecnología de la información durante más de una década. Pero ahora, después de varios años de inversiones en investigación por parte de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU., La Fundación Nacional de Ciencia y un puñado de gigantes de la alta tecnología como Intel, están surgiendo el hardware y el software fundamentales para la computación generalizada.

Aunque la tecnología aún se encuentra en sus inicios, la gama de aplicaciones potenciales es alucinante ( ver Sintiendo el potencial ). Los científicos de Intel y la Universidad de California, Berkeley, han desarrollado un chasis inalámbrico del tamaño de un buscapersonas que se puede personalizar con muchos tipos de sensores. Los investigadores están utilizando los dispositivos para rastrear microclimas y plagas en viñedos, monitorear los hábitos de anidación de aves marinas raras y controlar los sistemas de calefacción y ventilación. Y 600 kilómetros más adelante en la Universidad de California, Los Ángeles, otros investigadores están desplegando sensores inalámbricos para obtener mediciones detalladas de los efectos de las ondas sísmicas en los edificios. Otros están trabajando en formas de permitir que las empresas monitoreen y controlen sus espacios de trabajo, desde oficinas locales hasta líneas de montaje a medio continente de distancia. Las aplicaciones son En todas partes , dice David Culler, un investigador líder en sensores en red en UC Berkeley.

En la mente de muchos, se trata de una tecnología que podría resultar tan importante como Internet: porque así como Internet permite que las computadoras accedan a información digital sin importar dónde esté almacenada, las redes de sensores ampliarán la capacidad de las personas para interactuar de forma remota con el mundo físico. Culler llama a los dispositivos una nueva clase de sistemas informáticos, que se distinguen del hardware del pasado por su ubicuidad y su habilidad analítica colectiva. Dentro de esta década, predice, la detección y la informática distribuidas se introducirán en cada hogar, edificio, oficina, fábrica, automóvil, calle y granja.

No es sorprendente que haya muchos desafíos antes de que eso suceda. En muchos sentidos, las redes de sensores inalámbricos están tan avanzadas como lo estaba Internet en la década de 1970, cuando la red conectaba menos de 200 universidades y laboratorios militares, y los investigadores todavía estaban experimentando con protocolos de comunicación y esquemas de direcciones. Hoy en día, la mayoría de las redes de sensores inalámbricos conectan menos de 100 puntos o nodos; más y las líneas de comunicación se vuelven tan enredadas que se rompen. El costo del nodo promedio es cercano a los $ 100, mientras que la duración de la batería se mide, en el mejor de los casos, en meses. Y nadie está seguro de qué aplicación transformará la tecnología en una bonanza comercial. Todos y sus tíos están interesados, dice Deborah Estrin, directora del Centro de Detección Integrada en Red de UCLA. Pero es una lucha encontrar el modelo de negocio.

Los investigadores dicen que es probable que ninguno de estos problemas sea prohibitivo. Algunos sensores inalámbricos ya están en el mercado, y dentro de unos años podrían estar disponibles productos con nuevas e interesantes capacidades. Sensoria en San Diego, por ejemplo, está desarrollando sensores que podrían convertir los autos en nodos de viaje en redes inalámbricas urbanas, permitiendo que grupos de vehículos ensamblen automáticamente imágenes en tiempo real del tráfico local o compartan deberes de comunicación al acceder a información sobre destinos locales. William Kaiser, ingeniero eléctrico de UCLA y fundador de Sensoria, sostiene que Internet cambió la forma en que hacemos negocios con las computadoras. Esto cambiará la forma en que vivimos nuestra vida diaria.

Industria del cableado

De vuelta en los jardines de Huntington, Delin entra en una sala de conferencias con un maletín de aluminio, el tipo que usan los agentes del gobierno en la televisión para llevar aparatos ultrasecretos. Saca cuatro de sus últimas cápsulas de sensores y saca la tapa de una; debajo hay placas de circuito que sostienen las entrañas de la cápsula, incluido el microprocesador y el transceptor de radio que le permite comunicarse con sus compañeros. Extiende las cápsulas por la habitación y en segundos se ubican entre sí y se autoorganizan en una red inalámbrica que monitorea la temperatura y la humedad, entre otras cosas. Un módulo cercano, aunque cualquiera de ellos lo haría, reenvía información desde la red a la computadora portátil de Delin para su visualización. Para mostrar cómo reacciona la red a su entorno, Delin desconecta uno de los dispositivos. La pantalla de la computadora portátil muestra los módulos restantes que se compensan enrutando los datos alrededor del módulo que falta. Conecta un ventilador eléctrico a una cápsula, luego sostiene otra cápsula en la mano; la red detecta el calor corporal de Delin y enciende el ventilador.

La capacidad de las cápsulas para comunicarse por radio, explica Delin, significa que pueden estar esparcidas en áreas donde el teléfono y las líneas eléctricas no llegan y se pueden mover a voluntad. Pero para que los datos fluyan, los nodos deben encontrar a sus vecinos automáticamente y configurar conexiones de radio. Esas conexiones pueden cambiar rápidamente, dice Delin, por lo que compartir datos a través de la red es un acto de malabarismo. El software que se ejecuta en todos los pods coordina cuáles de ellos se comunican entre sí y cuándo. Los nodos sensores se escuchan entre sí y configuran tiempos para compartir datos, mientras que un reloj de red mantiene los nodos sincronizados. La red se asemeja a una malla en lugar de la disposición de hub y radio que se usa para los teléfonos celulares; en lugar de vincular cada sensor directamente a un punto de comunicación central, los nodos envían datos solo a los vecinos dentro del alcance de la radio, lo que ahorra energía.

Suena complicado y lo es. Pero las redes inalámbricas descentralizadas como las de Delin ya son rentables para la industria pesada: Ember en Boston, MA, ha vendido tecnología similar a clientes frustrados con los sensores cableados convencionales en su fabricación o equipos de calefacción y ventilación. Un cliente solía revestir las tuberías de su planta de tratamiento, donde el petróleo y el gas se separan de las aguas residuales, con costosos sensores de temperatura con cable, conectados a calentadores que evitan que el fluido del interior se vuelva demasiado espeso. Si un sensor funcionaba mal, un tanque podría explotar, lo que obligaría a cerrar la planta a un costo de $ 100,000 por hora, dice Robert Poor, cofundador y director de tecnología de Ember. Con una red inalámbrica, se pueden instalar más sensores a un precio asequible, ofreciendo redundancia y produciendo información más confiable. El silicio es barato. El cableado no lo es, dice Poor. (Para conocer más opiniones de Poor sobre la tecnología, consulte Sensores del mundo, ¡Uníos!).

Sin embargo, varios problemas restantes obstruyen una amplia aplicación comercial de la tecnología. El primero es su alto consumo de energía. La conversación periódica entre los nodos, en particular, consume pilas. Cada bit transmitido acerca a un nodo sensor un momento más cerca de la muerte, dice Greg Pottie, cofundador de Sensoria.

Un problema relacionado es que las radios de los nodos sensores tienen un alcance limitado, generalmente de decenas de metros. Entonces, conectar en red un espacio más grande, digamos, una gran fábrica, requiere muchos nodos. Numerosos nodos que envían una gran cantidad de datos crean oportunidades para fallas localizadas que podrían dejar partes de la red aisladas, dice Rick Kriss, CEO de Xsilogy, con sede en San Diego. No existe una red confiable, a menos que realice una administración de red muy agresiva, dice Kriss. Entonces, los nodos de Xsilogy transmiten periódicamente su estado, lo que le permite a la red saber si sus baterías se están agotando o su recepción se está debilitando. Entonces, la red puede compensar enrutando los puntos de falla y alertando al usuario sobre problemas inminentes.

Pero hay otro problema que es más difícil de solucionar y es el precio. En un proceso que es todo lo contrario a la producción en masa, la mayoría de los fabricantes de redes de sensores todavía improvisan piezas listas para usar a mano, lo que eleva el costo de cada nodo en el rango de $ 80 a $ 100. Ese precio debe caer por debajo de los 20 dólares para que las redes de sensores despeguen comercialmente, dice David Tennenhouse, director de investigación de Intel.

La estandarización podría ayudar. Tener estándares abiertos y muchos grupos desinteresados ​​que prueban enfoques competitivos definitivamente hará o deshará si esto se vuelve ampliamente utilizado, dice Culler de UC Berkeley. Pero con tantas empresas y laboratorios universitarios desarrollando sus propios prototipos, los estándares de diseño para sensores inalámbricos y protocolos de red apenas están comenzando a surgir. Un diseño potencialmente dominante se llama mota; su sistema operativo, TinyOS, fue desarrollado por el grupo de Culler en Berkeley y está experimentando mejoras adicionales en Intel y Crossbow Technology en San José, CA. Las motas de Berkeley, que han sido probadas por cientos de grupos de investigación en todo el mundo, son más pequeñas y consumen menos energía que la mayoría de los sensores inalámbricos comerciales. La compensación es que no pueden procesar tantos datos. Pero muchos investigadores dicen que su adaptabilidad (es fácil colocar sensores de luz, sonido, temperatura o movimiento, por ejemplo) los convierte en el equivalente en el mundo de los sensores en red a una PC con Windows.

De hecho, la eventual elección de una plataforma de sensores inalámbricos podría ser tan importante como la aparición de Windows como el sistema operativo de consumo dominante, o incluso, a los ojos de un experto, como la estandarización de la electricidad. Es algo así como la batalla histórica entre AC y DC, dice Larry Smarr, director del Instituto de Telecomunicaciones y Tecnología de la Información de California en San Diego. Hasta que no hubo un ganador omnipresente, la industria de los electrodomésticos no podría despegar.

Divide y conquistaras

Como si estuvieran listos para despegar, 50 motas del tamaño de una mariposa se adhieren al techo y las paredes del laboratorio de Deborah Estrin en UCLA, monitoreando la temperatura, la luz y el movimiento. Otros yacen desmantelados sobre escritorios y bancos. Algunas de las motas incluso tienen ruedas; ruedan por el suelo bajo su propia propulsión, practicando durante un día en el que se moverán para encontrar la mejor recepción de radio o entregar una recarga de batería a un vecino que falla. Aquí hay una imagen de la conectividad, dice Estrin, sosteniendo una hoja de papel con una maraña incomprensible de líneas. Parece un plato de espaguetis: la cantidad de vías de comunicación explota a medida que se agregan más nodos, lo que hace que la red sea cada vez más propensa a fallas.

La solución que se está probando en el laboratorio de Estrin: divide y vencerás. Piense en ello como si estuviera organizando una gran cena, dice. Las conversaciones significativas no pueden ocurrir a menos que las personas se turnen para hablar y escuchar. Y la comunicación de alto nivel es más eficiente si las personas se organizan en grupos y eligen a una persona para que hable por cada grupo. Por lo tanto, los nodos se agrupan y se ajustan sobre la marcha, cambiando los grupos de manera oportunista para optimizar tanto el consumo de energía como el flujo de información a través de la red.

El siguiente desafío es simplemente cómo canalizar la avalancha de datos. La idea es poner procesamiento en cada nodo, lo que le permite condensar datos sin procesar en patrones y pasar menos bits de los que recibió. Las motas sobre la cabeza de Estrin, por ejemplo, podrían seguir sus movimientos y alertar a sus vecinos, que averiguan la dirección en la que camina y transmiten solo esa información, no el registro completo de sus movimientos, a una base de datos en un nodo madre. Este nodo puede recomendar que se apaguen las luces, por ejemplo, si decide que Estrin ha abandonado la habitación y no hay otras personas presentes. Procesar datos poco a poco en toda la red, dice Estrin, es un primer paso hacia la programación del sistema para ayudar a tomar decisiones inteligentes. También ahorra una valiosa energía de la batería.

Para ser realmente útil, una red de sensores debe enviar a los usuarios solo sus análisis de eventos interesantes, no los bits en bruto en sí. La gente quiere respuestas, no números, señala Steven Glaser, profesor de ingeniería civil y ambiental en UC Berkeley, cuyo grupo usa redes de sensores para estudiar la actividad sísmica.

Entre las respuestas que los ingenieros y sismólogos como Glaser quieren: ¿cómo afectan los terremotos a los componentes individuales de los edificios y cómo responden las estructuras a las variaciones localizadas en la fuerza de un terremoto? Un equipo de UCLA dirigido por Paul Davis, geofísico e investigador principal en el centro de Estrin, está desplegando una matriz de 50 nodos de sensores sísmicos en todo el campus en un intento de aprender parte de la respuesta. El primer paso es simplemente acumular los datos, registrados desde el suelo a intervalos de 100 metros, una resolución mucho más alta que la proporcionada por los sensores sísmicos actuales, que están separados por kilómetros, dice Davis. Luego, los investigadores compararán cómo tiembla el suelo con las vibraciones medidas al mismo tiempo dentro de un edificio del campus conectado por el Servicio Geológico de EE. UU. Después del terremoto de 1994 en Northridge, California.

Detección sísmica

Los investigadores de UCLA están implementando una red de sensores de 50 nodos para monitorear la actividad sísmica a una escala más fina que nunca. Superpuestos en este mapa del campus de UCLA están las ubicaciones de los sensores de vibración del suelo (estrellas), espaciados a 100 metros de distancia.

El objetivo es desarrollar un modelo de cómo la actividad sísmica a escala fina afecta a diferentes estructuras. Tal modelo, programado en redes de sensores portátiles que podrían implementarse temporalmente en los vecindarios de la ciudad, podría ayudar a los planificadores urbanos a aprender dónde las condiciones geológicas tienden a magnificar los terremotos y cómo hacer que los edificios en esas áreas sean más seguros. En el futuro, los sensores colocados cerca de las fallas podrían incluso detectar las ondas sísmicas que se aproximan y activar alarmas, lo que les dará a los ocupantes del edificio unos segundos preciosos para llegar a áreas más seguras. Pero, dice Davis, eso es cosa de cielo azul.

Google para el mundo físico

Inteligente, autónomo y consciente de sí mismo: esa es la visión definitiva para las redes de sensores. En muchos sentidos, es un cielo azul. Pero dos proyectos de la industria brindan vislumbres de un futuro interconectado.

Existe el peligro de que acceder a los datos recopilados por las redes de sensores sea como beber de una manguera contra incendios, solo que peor, dice Feng Zhao, gerente del área de investigación Embedded Collaborative Computing en el Palo Alto Research Center en California. En otras palabras, estar inundado de demasiados datos puede ser tan paralizante como no tener suficiente. Es un dilema que cualquiera que utilice la Web conoce bien. Y, dice Zhao, la solución para redes de sensores puede ser similar. En un esfuerzo por construir interfaces fáciles de usar para redes de sensores, el grupo de Zhao está experimentando con una nueva generación de motores de búsqueda que él describe como Google para el mundo físico.

Imagínese, explica Zhao, iniciando sesión en Internet y escribiendo: ¿Mi césped necesita más agua? La red traduciría la pregunta en una consulta de base de datos estandarizada, examinaría las cifras de los sensores de humedad en su hogar y enviaría un mensaje de respuesta sí o no. Sistemas similares para la gestión y la seguridad de la cadena de suministro podrían estar disponibles en cinco a siete años, dice Zhao. En los almacenes, los gerentes podrían interrogar a los sensores montados en estantes sobre las tendencias del inventario, mientras que los guardias en instalaciones seguras podrían programar redes inteligentes de sensores de movimiento para que suenen alarmas cuando noten patrones de movimiento sospechosos.

Eventualmente, las redes de sensores pueden incluso parecer vivas. En una base del ejército de los EE. UU. En Fort Leonard Wood, MO, este abril, los ingenieros de Sensoria demostraron un sistema inquietantemente consciente de sí mismos que se reorganiza físicamente en respuesta a las condiciones cambiantes. Mientras 80 espectadores observaban, un tanque de batalla M1-A1 Abrams retumbó a través de un campo con un arado unido a su frente, abriendo un camino a través de un matorral de minas desarmadas de 12 centímetros de diámetro. Después de que el tanque aplastó una media docena de minas y siguió su camino, las minas restantes se redistribuyeron para llenar el espacio detrás de los tanques que saltaban por el aire con estallidos de petardos que emanaban de pequeños propulsores de cohetes.

Las minas lograron esta hazaña al emitir y escuchar pulsos acústicos que les ayudaron a ubicar a sus vecinos a unos pocos centímetros, dice Kaiser. Una perturbación en la red hace que las minas averigüen qué vecinos se han movido o destruido y calculan cómo redistribuirse. En un campo de batalla real, estas minas inteligentes podrían derrotar los esfuerzos de limpieza de minas del enemigo, o incluso apartarse del camino para las fuerzas amigas y luego restablecer las defensas detrás de ellas.

A pesar de demostraciones tan dramáticas del poder de las redes de sensores inalámbricos, es difícil predecir si la defensa, la fabricación o algún campo aún desconocido albergarán su aplicación asesina. Es como las PC de principios de la década de 1980. La gente pensaba que se utilizarían principalmente para equilibrar las chequeras, dice Delin. En cuanto al mercado comercial a corto plazo, será un entorno deliciosamente desordenado durante un tiempo, con muchas oportunidades para los recién llegados, predice Ember's Poor. Esto se debe a que las aplicaciones potenciales están a nuestro alrededor, en cualquier lugar donde se pueda extraer información útil de nuestro entorno. Cuando la investigación actual se traduce en productos económicos y a prueba de choques, puede significar nada menos que una fusión entre el mundo virtual y el mundo físico. Va a suceder, dice Zhao. La pregunta es, ¿qué tan pronto?

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