Una red de sensores inalámbricos, a menudo abreviada como WSN por sus siglas en inglés, es un conjunto de sensores repartidos por una zona que miden algo físico (temperatura, vibración, nivel de agua, calidad del aire, si una puerta está abierta) y envían sus lecturas por radio a un punto de recogida, que las pasa a un software donde las personas pueden verlas y actuar en consecuencia. Hasta los sensores no llega ningún cable. La mayoría funciona durante años con batería.

El término abarca dos cosas bastante distintas, y por eso al buscarlo salen resultados tan dispares. Los cursos universitarios describen redes de nodos diminutos que se retransmiten los mensajes unos a otros, salto a salto. La mayoría de los despliegues comerciales que se construyen hoy son diferentes: miles de sensores que se comunican directamente con unos pocos receptores de largo alcance. Qué diseño encaja depende del emplazamiento, y esa elección condiciona el coste, la autonomía de la batería y cuánto puede crecer la red.

Lo esencial

  • Una red de sensores inalámbricos conecta por radio sensores con batería a un software, sin cablear cada punto de medida.
  • Sus piezas son los nodos sensores, las pasarelas o estaciones base, un servidor de red y una aplicación.
  • Las redes en malla retransmiten los mensajes entre nodos, mientras que las redes en estrella envían cada lectura directamente a una pasarela a larga distancia.
  • Para grandes despliegues industriales y ambientales, lo habitual son radios de largo alcance como LoRaWAN y mioty.

Topología de una red de sensores inalámbricos

Toda red de sensores inalámbricos tiene las mismas cuatro capas, use la radio que use:

  • Los nodos sensores miden y transmiten. Un nodo es un sensor, un pequeño microcontrolador, una radio y una batería en una misma carcasa.
  • Las pasarelas o estaciones base reciben las señales de radio y las reenvían por Ethernet, wifi o una conexión móvil.
  • Un servidor de red comprueba, descifra y elimina los duplicados de los mensajes, y lleva el control de qué dispositivos pertenecen a la red.
  • Una aplicación almacena las lecturas, dibuja los gráficos y decide qué debe ocurrir cuando un valor se sale de rango.

La topología describe cómo se comunican entre sí las dos primeras capas, y hay tres formas habituales.

En una topología en malla, los nodos van pasando los mensajes a sus vecinos hasta que el mensaje llega a la pasarela. Así funcionan Zigbee, Thread y el estándar industrial WirelessHART. La malla sortea bien las paredes dentro de un edificio, porque ningún nodo necesita llegar lejos. El precio es la energía: un nodo que retransmite tráfico de otros tiene que escuchar a menudo, así que los nodos que retransmiten suelen ir conectados a la red eléctrica, mientras que los nodos con batería quedan en la periferia.

En una topología en estrella, cada nodo se comunica directamente con una pasarela. El IoT celular y las radios de largo alcance como LoRaWAN y mioty usan esta forma. Los nodos solo se despiertan para transmitir, lo que alarga la autonomía de la batería, y una pasarela puede cubrir kilómetros en lugar de metros.

LoRaWAN usa una variante que suele llamarse estrella de estrellas: un mismo mensaje de un sensor puede oírse en varias pasarelas a la vez, y el servidor de red se queda con una copia y descarta los duplicados. Ese solapamiento es útil, porque un nodo que está en el límite del alcance de una pasarela suele quedar bien dentro del de otra.

Las topologías en árbol o por clústeres, en las que grupos de nodos informan a un nodo cabecera local que reenvía hacia arriba, aparecen sobre todo en investigación y en algunos sistemas industriales propietarios.

Protocolos de redes de sensores inalámbricos

La elección del protocolo depende del alcance. Los protocolos de corto alcance cubren una sala o una planta: Bluetooth Low Energy para wearables y balizas, Zigbee y Thread para edificios y viviendas, y wifi cuando hay alimentación disponible y los volúmenes de datos son altos. Los protocolos de largo alcance, agrupados bajo el nombre LPWAN (redes de área amplia y bajo consumo), cubren un campus, un barrio o una explotación agrícola.

Predominan tres familias LPWAN. NB-IoT y LTE-M funcionan sobre las redes de los operadores móviles y necesitan una suscripción por dispositivo. LoRaWAN funciona en espectro sub-GHz sin licencia, con pasarelas que instala usted o un proveedor, y tiene el mayor catálogo de sensores listos para usar. mioty, estandarizado por ETSI como TS 103 357, también usa espectro sub-GHz sin licencia, pero divide cada mensaje en muchas ráfagas de radio cortas que se envían en frecuencias e instantes distintos. La estación base puede reconstruir un mensaje aunque se pierda parte de esas ráfagas, lo que hace que mioty rinda bien donde miles de sensores comparten una banda saturada.

En los grandes despliegues, la comparación práctica es la oferta de dispositivos frente a la densidad. LoRaWAN ofrece más modelos de sensor para casi cualquier medida. mioty está diseñado para cantidades muy altas de dispositivos por estación base y para entornos de radio ruidosos. Muchos proyectos no tienen que elegir uno solo, porque ambos pueden funcionar en paralelo.

Sea cual sea el protocolo, la autonomía de la batería depende del tiempo en el aire. Un sensor apenas consume nada mientras duerme y gasta la mayor parte de su energía cuando su radio transmite, así que lo que importa es con qué frecuencia informa, cuántos bytes envía y cuánto dura cada transmisión. Largo alcance con velocidades de datos bajas significa transmisiones más largas. En LoRaWAN, un sensor alejado de la pasarela usa un factor de dispersión (spreading factor) más alto, que llega más lejos pero mantiene la radio encendida muchas veces más tiempo para el mismo mensaje. Las redes usan la velocidad de datos adaptativa (ADR) para pasar a los sensores cercanos a una pasarela a transmisiones más cortas y que gastan menos. Añadir una pasarela cerca de un grupo de sensores lejanos puede alargar la vida de sus baterías además de mejorar su señal.

En Kilo, el servidor de red LoRaWAN viene integrado en la plataforma, y mioty funciona a través del Kilo mioty Service Center de código abierto, que usted aloja, o a través de mioty integrado en Kilo Cloud, donde añade un conector mioty y conecta sus estaciones base sin tener que mantener un servidor de red propio. Las lecturas de ambos alimentan los mismos paneles, reglas y alarmas, de modo que un sensor de fugas LoRaWAN y un contador mioty de la misma organización aparecen uno junto al otro. Si su red va a combinar radios, compruebe cada familia de sensores con las conexiones de dispositivos que admite Kilo antes de cerrar el plan de pasarelas.

¿Qué es una red de sensores industriales?

Una red de sensores industriales vigila máquinas y procesos: vibración y temperatura en motores y bombas, presión en tuberías, niveles en depósitos, el estado de las válvulas. La idea no es nueva. Las plantas de proceso llevan décadas usando señales cableadas de 4–20 mA, y dos estándares inalámbricos, WirelessHART (IEC 62591) e ISA100.11a, se desarrollaron específicamente para la automatización de procesos con redes en malla en la banda de 2,4 GHz.

Lo que ha cambiado es la modernización de equipos existentes. Tender cable nuevo en una planta en funcionamiento es caro y a menudo exige una parada, así que muchas plantas añaden ahora sensores inalámbricos con batería a equipos que nunca se monitorizaron, como los cientos de pequeños motores, ventiladores y bombas que nunca compensó cablear.

En una instalación industrial la radio lo tiene más difícil que en una oficina. Las estructuras de acero reflejan y bloquean las señales, los variadores de frecuencia y los equipos de soldadura generan ruido eléctrico, y la banda de 2,4 GHz suele estar saturada de wifi y Bluetooth. Las radios sub-GHz como LoRaWAN y mioty tienen longitudes de onda mayores, que rodean los obstáculos mejor que las señales de 2,4 GHz. Las zonas peligrosas añaden otro requisito: los sensores que se usan en atmósferas explosivas necesitan una certificación como ATEX en Europa o IECEx a nivel internacional, y esa certificación es del dispositivo, no del protocolo de radio.

Una red de sensores industriales suele enviar resúmenes en lugar de señales en bruto. Un sensor de vibración puede enviar un valor de velocidad y una temperatura cada 15 minutos, lo que basta para detectar una máquina que se sale de su rango normal sin agotar la batería.

Veamos cómo queda en números, a modo de ejemplo. Una planta con 300 motores pequeños, cada uno con un sensor de vibración que informa cada 15 minutos, genera 28 800 lecturas al día. Es una carga modesta para una sola pasarela o estación base de largo alcance. La mayor parte de la planificación está en otro sitio: qué valor se considera anómalo para cada tipo de máquina, a quién se avisa cuando un motor se desvía y quién sustituye un sensor cuya batería se agota.

Cómo crear una red de sensores ambientales

Una red de sensores ambientales mide condiciones al aire libre o en una zona extensa: la calidad del aire en una ciudad, la lluvia y la humedad del suelo en tierras de cultivo, el nivel del agua a lo largo de un río, el ruido alrededor de una obra. Los sensores están muy dispersos, a menudo lejos de la red eléctrica y de los edificios, y por eso la radio de largo alcance con batería es la opción natural.

Una implantación típica sigue estos pasos:

  1. Poner la pregunta por escrito. «¿Sube el río más rápido de lo normal aguas arriba del pueblo?» lleva a sensores y ubicaciones distintos que «¿cuál es la calidad media del aire en el barrio?».
  2. Elegir los sensores y el intervalo de envío. Un sensor de nivel de río que informa cada 15 minutos envía 96 lecturas al día; uno que informa cada hora dura bastante más con la misma batería.
  3. Estudiar la cobertura de radio. Recorrer la zona a pie o en coche con un equipo de pruebas de campo antes de montar nada de forma permanente, porque las colinas, los árboles y los edificios cambian el alcance de forma drástica.
  4. Colocar las pasarelas en alto. Una pasarela en un depósito de agua o en una azotea municipal cubre mucho más terreno que una a ras de calle. Donde no hay red eléctrica, las pasarelas pueden funcionar con paneles solares y una batería.
  5. Contrastar la precisión con una referencia. Los sensores de calidad del aire de bajo coste derivan y reaccionan a la humedad, así que compararlos con una estación oficial de medición cercana indica hasta qué punto fiarse de ellos.
  6. Planificar el mantenimiento. Los sensores a la intemperie se ensucian, se encharcan y de vez en cuando los roban. Conviene presupuestar una visita al año a cada punto.

Pongamos que una red de alerta de inundaciones tiene 12 sensores de nivel de agua a lo largo de 20 km de río, cada uno informando cada 15 minutos. Son 1152 lecturas al día, y dos o tres pasarelas bien situadas suelen bastar para cubrir el tramo, según el terreno. Los propios sensores suelen medir la distancia hasta la superficie del agua por radar o ultrasonidos; Kilo Electronics tiene sensores de nivel de ese tipo, y los sensores de cualquier proveedor compatible funcionan de la misma manera.

Preguntas frecuentes sobre redes de sensores inalámbricos

¿Qué diferencia hay entre una red de sensores y el IoT?

Una red de sensores es la parte que mide y transmite: los sensores, la radio y los receptores. El IoT, el internet de las cosas, es la idea más amplia de conectar objetos físicos a internet y a un software, lo que incluye dispositivos que actúan además de medir, como enchufes inteligentes, válvulas y luces. Todo proyecto de monitorización IoT contiene una red de sensores, pero no toda red de sensores está conectada a internet.

¿De dónde vienen las redes de sensores inalámbricos?

Gran parte de la investigación inicial salió de proyectos militares y académicos de los años ochenta y noventa. Uno de los más conocidos fue Smart Dust, en la Universidad de California en Berkeley, que exploró nodos sensores de escala milimétrica. Las radios baratas y de bajo consumo que hicieron viables las redes comerciales llegaron más tarde, con IEEE 802.15.4 en 2003 y las tecnologías LPWAN en la década de 2010.

¿Es segura una red de sensores inalámbricos?

La seguridad depende del protocolo y de cómo se gestionen las claves. LoRaWAN cifra el tráfico con AES-128 y usa claves separadas para la red y para la aplicación, de modo que el operador de red puede encaminar un mensaje sin leer su contenido. Los puntos débiles suelen ser operativos: claves por defecto que nunca se cambian, claves de dispositivo guardadas en hojas de cálculo compartidas y pasarelas que siguen con la contraseña de fábrica.

¿Qué alcance tiene una red de sensores inalámbricos?

Depende de la radio. Zigbee y Bluetooth suelen cubrir decenas de metros por salto. Una pasarela LoRaWAN suele llegar a 2–5 km en ciudad y a 15 km o más en campo abierto. El alcance siempre se reduce en interiores, bajo tierra y detrás de hormigón denso, así que las mediciones sobre el terreno valen más que las cifras de la ficha técnica.

Cinco sensores de nivel de agua en un mismo emplazamiento, una sola pasarela y un panel que muestre los cinco forman una pequeña red ambiental que se puede observar durante unas semanas. Añada una regla que envíe una alarma cuando un nivel supere la cota que le interese y déjela funcionar el tiempo suficiente para saber qué es lo normal antes de planificar algo más grande. Toda la configuración cabe en el plan gratuito de Kilo.