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

Carlos Arturo Suárez Fajardo; Martha Aurora Gonzalez Jaramillo; Cesar Aníbal Echeverry Moreno; Gustavo Puerto Leguizamón

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

Suárez Fajardo, Carlos Arturo ^[1] ; Gonzalez Jaramillo, Martha Aurora ^[1] ; Echeverry Moreno, Cesar Aníbal ^[1] ; Puerto Leguizamón, Gustavo Adolfo ^[1]
1. [1] Universidad Distrital Francisco José de Caldas
  
  Universidad Distrital Francisco José de Caldas
  
  Colombia
Localización: INGE CUC, ISSN 0122-6517, ISSN-e 2382-4700, Vol. 16, Nº. 2, 2020 (Ejemplar dedicado a: (Julio-Diciembre))
Idioma: español
Títulos paralelos:
- Wireless sensor nodes featuring single or double band directive antennas for agriculture applications.
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Resumen
- español
  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.
- English
  Abstract Introduction: This paper presents the design of two wireless sensor nodes, with communications systems that integrate in one case a broadband antenna for operation in the 900MHz and 2.4GHz bands, along with a circuit that allows to select the appropriate radio for operation in some of these bands with the same antenna and the other makes use of a high gain antenna for operation in the 2.4GHz band. The proposed design offers a solution to the problem of propagation of radio frequency (RF) signals in forests and plantations for applications in smart agriculture that make use of wireless sensor networks (WSN).
  
  Objective: Design of two wireless sensor nodes, with communications systems that integrate directive antennas in one case for dual band operation (900MHz-2.4GHz) and in the other with high gain antennas (2.4GHz) for applications in smart agriculture.
  
  Method: The design of the wireless nodes makes use of the PSoC (programmable chip system) model CY8CKIT-059 5LP, which integrates temperature, humidity, inclination, distance, light intensity and movement sensors that use ZigBee as a wireless communication protocol. The antennas are designed with appropriate electromagnetic simulators and the resulting prototypes from this process are characterized in impedance by means of a vector network analyzer (VNA) and radiation patterns in an anechoic chamber. The full operation of the nodes is validated in the laboratory and in open spaces.
  
  Results: The double-band node with logarithmic antenna allows packet transfer at distances of 4.1km (915MHz) and 938m (2.44GHz), along with a switching circuit that allows one of the bands to be selected depending on the propagation characteristics of the medium where the node will be installed. On the other hand, the node with SPA antenna allows transfer of packets up to 2.5km (2.44GHz). The antenna characterization results are as follows: The logarithmic antenna has a maximum gain of 2.74dBi (915MHz) and 3.06dBi (2.44GHz) respectively, with an impedance bandwidth of 3.196:1, for an S11 <-10dB. The SPA antenna resonates at a center frequency of 2.44 GHz with a gain of 7.2 dBi; an impedance bandwidth of 16.8%, for an S11 <-10dB.
  
  Conclusions: This proposal improves the performance in wireless sensor networks since the approaches allow modularity, versatility and application in different areas including agriculture, enabling longer reaches and a more extensive coverage compared to the nodes that make use of conventional XBee antennas.