Nodos sensores inalámbricos con antenas directivas de banda simple o doble para aplicaciones en agricultura

Resumen

Introducción: Este artículo presenta el diseño de dos nodos de sensores inalámbricos, con sistemas de comunicaciones que integran en un caso una antena de banda ancha para operación en las bandas de 900MHz y 2.4GHz, junto con un circuito que permite seleccionar el radio apropiado para operación en alguna de estas bandas con la misma antena y el otro hace uso de una antena de alta ganancia para operación en la banda de 2.4GHz. El diseño propuesto ofrece una solución al problema de propagación de señales de radio frecuencia (RF) en bosques y plantaciones para aplicaciones en agricultura inteligente que hacen uso de redes de sensores inalámbricos (WSN).

Objetivo: Diseñar dos nodos de sensores inalámbricos, con sistemas de comunicaciones que integran antenas directivas en un caso para operación en doble banda (900MHz-2.4GHz) y en el otro con antenas de alta ganancia (2.4GHz) para aplicaciones en agricultura inteligente.

Metodología: El diseño de los nodos inalámbricos hace uso del PSoC (sistema programable en chip) modelo CY8CKIT-059 5LP, al cual se integran sensores de temperatura, humedad, inclinación, distancia, intensidad de luz y movimiento que utilizan ZigBee como protocolo de comunicación inalámbrica. Las antenas son diseñadas con simuladores electromagnéticos apropiados y los prototipos resultantes de este proceso son caracterizados en impedancia mediante un analizador de redes (VNA) y en diagrama en una cámara anecoica. La operación integral de los nodos se valida en el laboratorio y en espacios abiertos.

Resultados: El nodo de doble banda con antena logarítmica permite transferencia de paquetes a distancias de 4.1km (915MHz) y de 938m (2.44GHz), junto con un circuito de conmutación que permite seleccionar una de las bandas dependiendo de las características de propagación del medio donde se instalará el nodo. Por otra parte, el nodo con antena SPA permite transferencia de paquetes hasta 2.5Km (2.44GHz). Los resultados de la caracterización de las antenas son: La antena logarítmica presenta una ganancia máxima de 2.74dBi (915MHz) y 3.06dBi (2.44GHz) respectivamente, con un ancho de banda de impedancia de 3.196:1, para un <-10dB. La antena SPA resuena a una frecuencia central de 2.44 GHz con una ganancia de 7.2 dBi; un ancho de banda de impedancia del 16.8%, para un <-10dB.

Conclusiones: La propuesta consigue mejorar el desempeño en redes inalámbricas de sensores por su modularidad, versatilidad y su aplicación en diferentes áreas incluida la agricultura, lo que permite obtener mejores alcances y cobertura más amplia cuando se compara con los nodos que hacen uso de antenas XBee convencionales.