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En el INAOE se desarrolla el primer nodo sensor de permitividad dieléctrica conectado a una red inalámbrica de corto alcance

El pasado 6 de febrero se publicó en la prestigiada revista Scientific Reports de Nature el artículo "Microwave-sensor-node integrated into a short-range wireless sensor network", escrito por el M. C. Miguel Hernández Águila, estudiante del doctorado en Electrónica del INAOE, y el Dr. José Luis Olvera Cervantes, investigador de la Coordinación de Electrónica de este Instituto.

El M. C. Miguel Hernández Águila, estudiante de doctorado. Foto: archivo INAOE.

Las redes de sensores son una tendencia tecnológica que cada día cuenta con más aplicaciones. Se estima que para 2025 más de 75 billones de dispositivos estarán conectados a internet, y que para el año 2030 existirán 31 dispositivos por persona. Hoy en día ha surgido gran interés en aprovechar redes masivas de dispositivos conectado entre sí para hacer realidad el concepto del Internet de la Cosas (ioT). El ioT tiene múltiples aplicaciones en la salud, el transporte, la agricultura, la industria, el hogar, la educación, el pronóstico del clima, etc.

Una pieza fundamental para el ioT son las redes inalámbricas de sensores (WSN). Las WSNs pueden clasificarse como WSN de corto alcance, largo alcance e híbridas. Las redes inalámbricas de corto alcance por lo general son implementadas a través de diferentes protocolos de comunicación como ZigBee, RuBee, Wibree, Z-Wave, RFID, WiFi, etc. Las redes de corto alcance basadas en ZigBee son ampliamente utilizadas debido a que cuentan con una velocidad de transferencia de datos máxima de 250 Kb/s, pueden alcanzar un rango de alcance de hasta 75 m, permiten trabajar con redes de hasta 64000 nodos sensores y admiten topologías tipo malla, ad hoc y estrella. Las redes ZigBee están conformadas por un cliente, un coordinador y un nodo sensor.  El cliente provee al usuario de una interfaz para el control de la red mientras que el coordinador se encarga de comunicar las órdenes del cliente y de recolectar los datos de los nodos sensores.  

Dr. José Luis Olvera. Foto: cortesía.

Un nodo sensor está dotado principalmente por una unidad de potencia, una unidad de procesamiento, un transceptor y una unidad de sensado. La unidad de potencia es la encargada de energizar a todo el nodo sensor, la unidad de procesamiento controla todas las operaciones que son llevadas a cabo por el nodo sensor y el transceptor permite al nodo sensor establecer comunicación con la WSN. La unidad de sensado es la parte del nodo sensor encargada de captar magnitudes físicas como humedad, gases, ph, temperatura, sonido, permitividad dieléctrica, etc.

Los sensores de permitividad dieléctrica son un tipo de sensores que relacionan la permitividad dieléctrica en frecuencias de microondas con variables físicas. Alrededor del mundo se han propuesto muchos sensores de permitividad dieléctrica para aplicaciones en la detección no invasiva de glucosa, monitoreo de la calidad de leche, medición de humedad, caracterización de líquidos, cromatografía, calidad de la carne, adulteración de alimentos, medición de la temperatura, medición del ph, detección de gases, detección de ulcera en pie diabético, detección de cáncer de mama, detección de luz ultravioleta, medición de concentración de sal y azúcar en agua, caracterización de electrolitos en orina, evaluación de humedad en tejidos, reacciones químicas en gases, etc.  Este tipo de sensores son los que se investigan en el grupo del Dr. José Luis Olvera Cervantes.

En la consulta de patentes y artículos científicos se ha encontrado solamente un sensor conectado a una WSN de corto alcance mediante el uso de un analizador de redes vectoriales (VNA-equipo de laboratorio) integrado con un módulo Bluetooth. El uso del VNA tiene dos principales desventajas: alto costo del sistema y la inviabilidad para implementar redes con múltiples sensores de permitividad ya que se requiere de un VNA por cada sensor.

En el INAOE se desarrollo un nodo sensor conectado a una WSN y fue publicado en la revista Scientific Reports (https://www.nature.com/srep/) con el título “Microwave-sensor-node integrated into a short-range wireless sensor network”. En este trabajo se presenta un prototipo de nodo sensor integrado a una red inalámbrica de corto alcance basada en tecnología ZigBee. El nodo sensor mide la apertura de grietas estructurales a través del coeficiente de reflexión medido a la entrada de un sensor de microondas de un puerto el cual se fija entre la hendidura de la grieta. El nodo sensor utiliza un sensor de desplazamiento basado en una antena de parche y un circuito Front-end analógico para realizar la lectura del sensor. El circuito Front-end analógico consiste en un sintetizador, un aislador, dos divisores de potencia tipo Wilkinson y un mezclador. La señal de salida del Front-end es digitalizada con un ADC de Arduino UNO. La unidad de procesamiento y el transceptor son implementados a través de un Arduino UNO y un módulo XBee respectivamente. Por su parte, la red consiste en una PC cliente realizada a través de una PC con Matlab 2018 comunicada al nodo sensor mediante un dispositivo coordinador implementado mediante un módulo XBee y un convertidor TTL-USB.  

El M. C. Miguel Hernández Águila explica la relevancia de este trabajo de investigación: “En la última década en la literatura se han reportado diferentes trabajos que han propuesto diferentes modelos de sensores de permitividad. La permitividad te posibilita medir diferentes magnitudes físicas. Basados en esto se han propuesto sensores de microondas para medir la glucosa de manera indolora, los contaminantes en el agua, la alteración en los alimentos, incluso hay algunos trabajos en los cuales se ha tratado de detectar cáncer de mama también, todo esto es no invasivo ya que, como se transmiten ondas electromagnéticas, estas pueden llegar a interactuar con el tejido dañarlo.  El problema es que todos estos trabajos necesitan de un equipo de laboratorio para su medición, un VNA, es decir, un analizador de redes vectoriales, y ese es el principal problema debido a que el equipo es caro, voluminoso y por lo general necesita de un personal especializado para su interpretación. En contraste, nosotros proponemos un reflectómetro que permite medir este tipo de sensores sin la necesidad de utilizar un VNA. Nosotros diseñamos un circuito reflectómetro con diferentes componentes de microondas que puede ser construido a bajo costo, de pequeñas dimensiones y que puede leer este tipo de sensores”.

Otra aportación del proyecto, es que este tipo de sensores pueden ser integrados a una red inalámbrica de sensores. “El problema es que cada sensor necesitaría de un VNA para su lectura y el VNA difícilmente puede conectarse a una red inalámbrica porque necesitaría de un módulo con algún tipo de tecnología como Bluetooth, Zigbee, WiFi, para conectarse y, aunque existen modelos de VNA que pueden hacerlo, son caros. Lo que proponemos es integrar a nuestro circuito reflectómetro un pequeño módulo Zigbee que permite hacer la lectura a distancia de este circuito y poder monitorearlo a través de una computadora simple o integrarlo a una red inalámbrica de dispositivos Zigbee. La ventaja de esta tecnología es que puedes conectar hasta 64 mil dispositivos al mismo tiempo y hacer una red inalámbrica gigantesca. Estos son los puntos fuertes de nuestro trabajo. Es el primer trabajo en la literatura que permite conectar sensores de permitividad a una red inalámbrica pero que no requiere de un VNA”.