Design of a WSN for the sampling of environmental variability in complex terrain

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Design of a WSN for the sampling of environmental variability in complex terrain

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Título: Design of a WSN for the sampling of environmental variability in complex terrain
Autor: Martín Tardío, Miguel Ángel; Felicísimo Pérez, Ángel Manuel
Resumen: Las mediciones de parámetros ambientales in situ utilizando sistemas de sensores conectados a una red inalámbrica se han generalizado, pero el problema de monitorear áreas grandes y montañosas por medio de una red de sensores inalámbricos (WSN) no está bien resuelto. Las principales razones de esto son: (1) la distribución de la variabilidad ambiental es desconocida en el campo; (2) sin este conocimiento, sería necesario un gran número de sensores para asegurar la cobertura completa de la variabilidad ambiental y (3) los requisitos de diseño de WSN, por ejemplo, la conectividad efectiva (intervisibilidad), las distancias límite y la redundancia controlada por prueba y error. Utilizando la temperatura como variable ambiental objetivo, proponemos: (1) un método para determinar las clases ambientales homogéneas a muestrear utilizando el modelo de elevación digital (DEM) y simulaciones geométricas y (2) un procedimiento para determinar un diseño eficaz de WSN en complejos Terreno en términos de número de sensores, redundancia, coste y distribución espacial. La metodología propuesta, basada en sistemas de información geográfica y programación de números enteros binarios, se puede adaptar fácilmente a una amplia gama de aplicaciones que requieren un monitoreo ambiental exhaustivo y continuo con alta resolución espacial. Los resultados muestran que el diseño WSN es perfectamente adecuado para la topografía y las especificaciones técnicas de los sensores, y proporciona una cobertura completa de la variabilidad ambiental en términos de exposición al sol. Sin embargo, estos resultados aún deben ser validados en el campo y el procedimiento propuesto debe ser refinado.In-situ environmental parameter measurements using sensor systems connected to a wireless network have become widespread, but the problem of monitoring large and mountainous areas by means of a wireless sensor network (WSN) is not well resolved. The main reasons for this are: (1) the environmental variability distribution is unknown in the field; (2) without this knowledge, a huge number of sensors would be necessary to ensure the complete coverage of the environmental variability and (3) WSN design requirements, for example, effective connectivity (intervisibility), limiting distances and controlled redundancy, are usually solved by trial and error. Using temperature as the target environmental variable, we propose: (1) a method to determine the homogeneous environmental classes to be sampled using the digital elevation model (DEM) and geometric simulations and (2) a procedure to determine an effective WSN design in complex terrain in terms of the number of sensors, redundancy, cost and spatial distribution. The proposed methodology, based on geographic information systems and binary integer programming can be easily adapted to a wide range of applications that need exhaustive and continuous environmental monitoring with high spatial resolution. The results show that the WSN design is perfectly suited to the topography and the technical specifications of the sensors, and provides a complete coverage of the environmental variability in terms of Sun exposure. However these results still need be validated in the field and the proposed procedure must be refined.
URI: http://hdl.handle.net/10662/5132
Fecha: 2014


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