Redes de sensores inalámbricas orientadas a localización en interiores usando ultrasonidos

Resumen

El objetivo de esta tesis es el desarrollo, implementación y evaluación de un sistema de localización en interiores capaz de estimar la posición de un dispositivo móvil con precisión subcentimétrica y ofrecer buenas prestaciones en cuanto a escalabilidad, flexibilidad de configuración, poco consumo y bajo coste. Este sistema ha sido bautizado con el nombre de TELIAMADE, cuyas siglas responden a Tecnologías de localización en aplicaciones de inteligencia ambiental para atención a la dependencia. Aunque el sistema TELIAMADE ha sido concebido inicialmente para ser utilizado en aplicaciones de localización de personas dependientes en su entorno y para, mediante el uso de ambientes inteligentes, facilitar su estancia y seguridad en base a dicha información de localización, lo cierto es que la excelente precisión del sistema en la medida de distancia y posicionamiento, junto a la versatilidad de sus nodos para operar con diferentes configuraciones, permiten que TELIAMADE pueda ser utilizado en otros sectores. El sistema TELIAMADE presenta una topología maestro-esclavo y está compuesto de un nodo central (denominado nodo coordinador) y un conjunto de nodos finales que operan como sensores ultrasónicos. Todos ellos forman una red inalámbrica de sensores inteligentes. El nodo coordinador está físicamente conectado a un ordenador (PC) a través de la interfaz serie y actúa de pasarela entre la aplicación de usuario y los nodos finales de la red. La comunicación entre nodos se basa en el intercambio de mensajes radio usando el protocolo ZigBee. Este protocolo se caracteriza por un bajo consumo de potencia, una baja tasa datos y una comunicación segura, lo que resulta ideal para ser implementado en redes de sensores inalámbricos. La baja complejidad de este estándar hace que el tamaño de la pila de protocolos sea pequeño y pueda ser implementado usando pocos recursos de memoria. Los nodos del sistema TELIAMADE están equipados con un microcontrolador de bajo consumo (PIC18LF4620) y un chip radio (CC2420) que implementa la capa física del protocolo ZigBee basada en el estándar IEEE 802.15.4. El resto de capas del protocolo han sido implementadas vía software y almacenadas en la ROM (read-only memory) del microcontrolador. La transmisión y recepción de señal de radiofrecuencia es realizada a través de una antena microstrip acoplada al chip radio. El usuario o administrador de la red puede configurar y monitorizar el modo de operación de los nodos finales mediante el envío de mensajes ZigBee a través del nodo coordinador. Para ello utiliza un terminal del PC a través del cual puede escribir y leer la información transmitida en los paquetes radio que circulan por la red. De este modo, una vez realizado el despliegue de los nodos, el sistema puede ser reconfigurado a través de comandos, sin necesidad de desmontar los nodos para reprogramar su microcontrolador. La facilidad de despliegue del sistema y su flexibilidad de configuración, son algunas de las características que diferencian a TELIAMADE de otros sistemas de posicionamiento. El sistema TELIAMADE utiliza señales de ultrasonido para inferir distancias entre un dispositivo emisor y un dispositivo receptor. Los nodos finales del sistema están equipados con una pareja de transductores cerámicos ultrasónicos de frecuencia de resonancia 40 kHz. Uno de los transductores es utilizado para la transmisión de señal de ultrasonidos y el otro para la recepción de señal de ultrasonidos. Dependiendo de su configuración, los nodos de la red pueden operar como transmisores o receptores ultrasónicos, aunque también pueden hacerlo de forma dual, es decir, soportando ambas funcionalidades. La medida de distancia entre nodos puede ser estimada midiendo el tiempo de vuelo de señal. Los ultrasonidos, a diferencia de otras señales, presentan la ventaja de tener una lenta velocidad de propagación. Esto permite medir el retardo de propagación de señal con alta precisión y con él la distancia entre un nodo emisor y un nodo receptor considerando el valor de la velocidad del sonido. A diferencia de otras tecnologías, el rango de frecuencias de los ultrasonidos está libre de un control regulatorio y el coste de los transductores de ultrasonido es relativamente barato. Sin embargo, el corto radio de alcance y la característica direccional de la mayoría de los transductores comerciales implica el uso de un gran número de nodos para cubrir con garantías un área de localización grande, ya que es necesario una visión directa entre los nodos para estimar correctamente el tiempo de vuelo de señal. Las posibles reflexiones de la señal en paredes u obstáculos, pueden hacer que ésta llegue al receptor a través de un camino no directo, provocando errores en la estimación de la distancia y por tanto de posicionamiento. La señal de ultrasonidos es generada usando la EUSART (Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter module) del microcontrolador. Una secuencia alternada de unos y ceros es transmitida a una tasa igual al doble de la frecuencia de resonancia de los transductores, donde los unos se transmiten como un nivel de tensión alto y los ceros con un nivel de tensión bajo. De este modo, la señal a la salida del microcontrolador resulta en una portadora cuadrada de frecuencia igual a la frecuencia de resonancia de los transductores. La generación digital de señal usando el microcontrolador ofrece la posibilidad de implementar técnicas avanzadas de modulación de señal para incrementar la robustez del sistema frente a ruido y efectos multipath. Una de ellas es la técnica de modulación BPSK (Binary Phase-Shift Keying), la cual es implementada en los nodos TELIAMADE. Esta modulación, además de ser robusta al ruido, ofrece la posibilidad de utilizar códigos pseudoaleatorios para permitir la transmisión simultánea de señal ultrasónica desde varios nodos transmisores, incrementando así la tasa de medidas de posicionamiento por segundo. El diseño hardware de los nodos TELIAMADE incluye un módulo de acondicionamiento de la señal de ultrasonidos para su transmisión y recepción. La señal a la salida de la EUSART se hace pasar por una etapa de potencia formada por un integrado de puertas digitales inversoras en configuración push-pull, antes de ser enviada al transductor. Esto permite incrementar la potencia de señal en transmisión y aumentar el radio de alcance del sistema. La versatilidad del sistema para generar distintas señales de ultrasonido configurando distintos parámetros de señal o la posibilidad de implementar distintas técnicas de modulación, son algunas de las características que lo diferencian frente a otros sistemas de posicionamiento. Parámetros de señal relativos a los bits de información de la ráfaga, el periodo de bit, la frecuencia de muestreo en recepción o la tasa de medidas por segundo, son algunas de las variables que pueden ser configuradas fácilmente mediante el envío de mensajes ZigBee. De este modo, el sistema puede operar con diferentes configuraciones para adaptarlo a escenarios con distintos requerimientos. En recepción, la señal ultrasónica registrada por el transductor es amplificada y filtrada aplicando un filtro paso banda analógico de frecuencia central igual a la frecuencia de la señal portadora y un ancho de banda estrecho. Esta etapa de acondicionamiento de señal requiere el uso de un amplificador operacional dual y varios componentes pasivos, lo que permite reducir el ruido fuera de banda e incrementar la SNR (signal-to-noise ratio) de la señal utilizando muy pocos recursos hardware. Seguidamente la señal es muestreada y almacenada en un buffer de la memoria RAM (Random-access memory) del microcontrolador. El muestreo de señal es realizado utilizando el conversor A/D (analógico/digital) del microcontrolador con una resolución de 10 bits (cada muestra de señal es representada por 2 bytes), lo que permite un adecuado rango dinámico. El diseño de un sistema con nodos de bajo coste implica utilizar un microcontrolador con reducidas capacidades de c_omputo y memoria. El modelo de microcontrolador utilizado en TELIAMADE dispone únicamente de 2 Kbytes de memoria RAM útil para almacenar las muestras de señal. Esta limitación de memoria plantea un problema de implementación que es solventado mediante la utilización de un esquema de muestreo paso banda de la señal de ultrasonidos. El muestreo paso banda permite utilizar frecuencias de muestreo inferiores a la frecuencia portadora y únicamente está condicionado por el ancho de banda de la señal. Un caso particular del muestreo paso banda es el denominado muestreo en cuadratura, que permite recuperar las muestras de las componentes en fase y en cuadratura de la señal modulada. La característica de ancho de banda de los transductores utilizados en el diseño de los nodos (inferior a 2 kHz) limita el ancho de banda de la señal de ultrasonidos y posibilita el uso del muestreo en cuadratura. El sistema puede ser configurado para utilizar frecuencias de muestreo de 32 kHz, 17.78 kHz o incluso 12.31 kHz, reduciendo el número de muestras por segundo sin pérdida de información. Esta aproximación logra optimizar los recursos de memoria disponibles y posibilita el registro de un menor número de muestras de señal. Suponiendo la transmisión de una ráfaga corta, el radio de alcance del sistema puede verse incrementado al permitir un mayor tiempo de vuelo de señal, debido a una menor tasa de muestras por segundo. Si la separación máxima entre nodos es limitada a una cierta distancia, el uso de bajas frecuencias de muestreo reduce el coste computacional en el receptor al trabajar con un menor número de muestras de señal. También ofrece la posibilidad de utilizar ráfagas de señal más largas para mejorar la robustez del sistema frente a ruido y otras interferencias del canal. La medida de tiempo de vuelo de la señal ultrasónica es estimada usando un detector en cuadratura a partir de las muestras de señal registradas en el receptor. En un muestreo en cuadratura, las muestras de la señal paso banda corresponden a las muestras entrelazadas de las componentes en fase y cuadratura. Dado que ambas señales están correctamente muestreadas, hacemos uso de un proceso de interpolación para recuperar los valores de las componentes en fase y cuadratura en aquellos instantes donde a priori son desconocidas. Dicha interpolación es realizada aplicando una pareja de filtros en cuadratura obtenidos a partir de un filtro interpolador paso baja, que a su vez permite reducir el ruido fuera de la banda de interés de la señal. De esta forma, el filtro interpolador mejora la precisión en la medida de tiempo de vuelo al proporcionar señales con mayor SNR. El diseño de los filtros en cuadratura es optimizado para alcanzar una buena estimación con el mínimo coste computacional, utilizando un total de 7 coeficientes por filtro, que son cuantificados con 3 bits para evitar las operaciones de punto flotante en el microcontrolador. Las muestras interpoladas pasan por un filtro adaptado a la señal transmitida. Por simplicidad, la experimentación realizada en este trabajo de tesis ha sido realizada considerando una ráfaga ultrasónica de un solo bit y duración 1 ms. Las componentes en fase y cuadratura obtenidas a la salida del filtro adaptado se utilizan para estimar la envolvente de señal, a partir de la cual la medida de tiempo de vuelo es estimada como el instante de tiempo donde la envolvente alcanza su máxima amplitud. Dicho instante de tiempo es calculado a partir del índice de muestra correspondiente al máximo valor de envolvente considerando el valor de la frecuencia de muestreo seleccionada. Esta forma de calcular el tiempo de vuelo de señal hace que la precisión del sistema dependa fuertemente de la frecuencia de muestreo seleccionada. El error máximo en la medida de tiempo de vuelo está condicionado por la mitad del periodo de muestreo. Este error es minimizado aplicando interpolación parabólica usando las muestras de señal adyacentes al máximo detectado, es decir, un total de 3 muestras. Dicha corrección de interpolación permite obtener errores inferiores a medio periodo de muestra, reduciendo así la desviación típica del error en las medidas de tiempo de vuelo de señal. La excelente precisión de medida usando interpolación, permite utilizar la información de fase de la señal para mejorar la estimación de la medida. La fase presenta una mayor resolución y su valor no está condicionado por la frecuencia de muestreo. Dadas las características de nuestro detector digital, la medida de fase es estimada usando las componentes en fase y cuadratura a la salida del filtro adaptado. Aunque su valor es periódico con cada longitud de onda de señal, de él es posible extraer la corrección fraccionaria que debemos aplicar a la medida de tiempo de vuelo, obteniendo una gran precisión incluso con frecuencias de muestreo muy bajas. La distancia entre nodos es calculada usando el tiempo de vuelo estimado y la velocidad de propagación del sonido. El sistema TELIAMADE utiliza información de temperatura para estimar la velocidad del sonido. La precisión del sistema ha sido evaluada tomando varias parejas de nodos en las cuales uno de los nodos opera como transmisor de ultrasonidos y el otro como receptor. Los nodos fueron separados considerando diferentes distancias en un rango de 2 a 6 m. La distancia de separación entre nodos fue medida usando un telémetro láser comercial de precisión +/-1.5 mm. Las distancias medidas con el telémetro fueron utilizadas como referencia para determinar el error de distancia cometido por el sistema. Los resultados experimentales muestran un error absoluto de distancia inferior a 3 mm para el percentil 99 de las medidas realizadas. Sin embargo, una porción de este error es atribuido a posibles errores humanos en la colocación de los nodos y a la propia precisión del telémetro láser. La desviación típica de las medidas de distancia estimadas por el sistema toma valores inferiores a 0.5 mm. Dado que la desviación típica proporciona información acerca de la repetitividad de las medidas, podemos decir que 0.5 mm es la máxima precisión de distancia que el sistema TELIAMADE puede lograr usando una adecuada calibración. La medida de tiempo de vuelo exige una precisa sincronización de los nodos de la red para permitir que los procesos de transmisión y recepción de señal se inicien en el mismo instante de tiempo. Esto es especialmente complejo en TELIAMADE, donde cada nodo dispone de una referencia de tiempo o señal de reloj particular, afectada por diferentes derivas relativas. A diferencia de otros sistemas, TELIAMADE reutiliza su interfaz radio con propósitos de sincronización de red además de la transmisión de datos. Esto reduce la complejidad del sistema y por tanto su coste. El despreciable retardo de propagación de la señal radio permite aplicar una estrategia de sincronización basada en el envío de paquetes ZigBee desde el nodo coordinador al resto de nodos de la red, proporcionando una referencia de tiempo común a todos ellos. La sincronización es lograda usando las marcas de tiempo correspondientes a los instantes de envío y recepción de los paquetes ZigBee. Esto ha supuesto modificar parcialmente la capa MAC (Media Access Control) del protocolo ZigBee para medir esos instantes con una precisión de un ciclo de reloj. Los paquetes de sincronización emitidos por el nodo coordinador llegan a todos los nodos en el mismo instante de tiempo. La marca de tiempo de la recepción de los paquetes es usada como referencia para programar el inicio de la transmisión o recepción de señal de ultrasonidos según la configuración del nodo. Estos procesos son gestionados mediante rutinas controladas por interrupción que conllevan la ejecución de un número diferente de ciclos de instrucción. El tiempo empleado en ejecutar estas rutinas está condicionado por la carga de trabajo del microcontrolador, introduciendo un retardo aleatorio. Todo esto implica cierta desincronización entre los instantes de inicio de transmisión y recepción de señal, que puede llevar a errores rms (root mean square) de distancia del orden de 17 cm. Este problema es solventado fijando un retardo de tiempo común a todos los nodos, antes de habilitar los servicios de interrupción que inician la medida. Este retardo es implementado tomando como referencia la marca de tiempo del último paquete de sincronización y permite compensar la diferencia de tiempo de ejecución entre ambas rutinas. Esta aproximación logra la sincronización de los procesos de medida con una precisión igual a la resolución nominal del reloj, reduciendo el error rms de distancia a un valor típico de 0.14 mm. Por otro lado, el sistema TELIAMADE permite realizar medidas de forma programada sin la intervención de un nodo supervisor que indique cuando iniciar los procesos de medida en los nodos. Dicho esquema utiliza la técnica de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) para gestionar el canal de ultrasonidos. Los nodos son programados para iniciar la transmisión o recepción de señal ultrasónica en determinados instantes de tiempo. Esos instantes son establecidos usando una estructura temporal que es organizada en periodos de cierta duración y que denotamos con el nombre de multitramas. Cada multitrama es dividida a su vez en periodos de tiempo más cortos denominados tramas. El inicio de cada multitrama es señalizado por el nodo coordinador mediante el envío de un mensaje de sincronización. Su recepción, proporciona a los nodos la referencia de tiempo común que les permite calcular los instantes de tiempo en los cuales deben iniciar el proceso de medida. En este caso, la medida es programada para ser iniciada al comienzo de una trama. En un escenario con múltiples nodos, cada nodo transmisor puede tener asignado una o más tramas de la multitrama, en las cuales debe iniciar la transmisión de señal. Esto garantiza un acceso ordenado al canal ultrasónico y evita colisiones de señal en transmisión. Por su parte, el nodo receptor es programado para muestrear la señal al comienzo de todas las tramas. El sistema permite cambiar la duración de trama y modificar la tasa de medidas dependiendo de los requisitos del escenario de medida. Los recursos utilizados en el diseño de los nodos y el esquema de medida propuesto en TELIAMADE están orientados a reducir el consumo del sistema. El consumo promedio de un nodo operando como transmisor o receptor de ultrasonidos es de 30 mA y 27 mA respectivamente. Sin embargo, los nodos pueden ser forzados a un modo de bajo consumo (el transceptor radio y los periféricos son deshabilitados) cuando no están transmitiendo o recibiendo señal de ultrasonidos, reduciendo su consumo a 1.7 mA. Por otro lado, la tasa de envío de mensajes de sincronización está limitada al periodo de multitrama (típicamente del orden de 7 segundos), reduciendo significativamente el tráfico de red. Todo ello contribuye a un menor consumo que permite prolongar la vida media de las baterías de los nodos. Sin embargo, la reducida tasa de envío de paquetes de sincronización hace que la precisión del sistema se vea afectada por derivas en la señal de reloj de los nodos. La referencia de tiempo en los nodos es obtenida a partir de la señal de reloj del microcontrolador que utiliza un oscilador de cristal de cuarzo de 16 MHz. La frecuencia real de resonancia de los cristales comerciales suele presentar derivas del orden de varias decenas de partes por millón con respecto a la frecuencia nominal de resonancia. Por tanto, todas las medidas de tiempo realizadas con el reloj de un nodo están afectadas por una deriva. Las diferentes derivas en las señales de reloj de los nodos provocan un error de sincronización que degrada la precisión del sistema al introducir un bias desconocido en la medida de tiempo de vuelo. Este error es mayor para periodos de multitrama largos y cuando la diferencia entre las derivas relativas de los relojes aumenta. Los resultados experimentales muestran que la medida de distancia puede verse afectada por errores rms típicos del orden de 1 cm debido a dicha deriva en los relojes. En TELIAMADE, la deriva de reloj de los nodos es compensada usando una base de tiempos común proporcionada por el nodo coordinador. Cada nodo realiza una estimación del tiempo del coordinador aplicando una transformación lineal de su tiempo local. Para ello se utilizan las marcas de tiempo relativas al instante de envío y recepción de los paquetes de sincronización emitidos periódicamente desde el coordinador. La compensación de la deriva permite reducir el error rms de medida a un valor inferior a 0.5 mm. La excelente precisión proporcionada por la medida de tiempo de vuelo puede resultar innecesaria en aplicaciones con requisitos de precisión más relajados. El sistema TELIAMADE ofrece la posibilidad de estimar distancias usando la medida de potencia de señal recibida. En este caso, la distancia entre nodos es estimada aplicando un modelo de propagación de la señal de ultrasonidos, donde las pérdidas de potencia por divergencia esférica y absorción atmosférica son consideradas. El modelo incluye parámetros de temperatura y humedad relativa para ajustarse a las condiciones cambiantes del entorno. Sin embargo, la medida de potencia puede verse afectada por las características de los transductores. En TELIAMADE, el uso de transductores con un patrón de radiación direccional y un ancho de haz estrecho, condiciona la medida de potencia dependiendo del ángulo de incidencia entre los transductores. La pérdida de potencia debida a la orientación de los transductores es estimada aplicando un modelo teórico que se ajusta a la forma de la superficie de resonancia del transductor. Por otro lado, el nivel de voltaje de las baterías también puede afectar a la medida de potencia. Dependiendo de la configuración del nodo y su carga de trabajo, el consumo de las baterías puede ser mayor o menor y causar diferencias de voltaje en los nodos. La ganancia de señal en transmisión es menor cuanto menor es el nivel de voltaje de las baterías. Por su parte, una caída de voltaje en recepción reduce el rango dinámico del conversor A/D y hace que la señal sea detectada con mayor amplitud y por tanto con mayor potencia. El efecto de las baterías es compensado usando el nivel de tensión actual de los nodos para ajustar la medida de potencia a unas condiciones de tensión de referencia. Ambas compensaciones permiten reducir el error de distancia en un factor 10, logrando errores inferiores a 5 cm. Pese a su menor precisión, y comparada con la medida de tiempo de vuelo, la medida de potencia requiere un menor coste computacional y no necesita de una precisa sincronización temporal de los nodos de la red. Esto permite simplificar el diseño de los nodos y la complejidad del sistema. Por otro lado, la característica de no penetración en muros de la señal de ultrasonidos y sus múltiples reflexiones, puede resultar adecuada en entornos de localización cerrados. A pesar de no disponer de visión directa entre el emisor y el receptor, es posible detectar potencia de señal debido a las múltiples reflexiones en paredes y obstáculos. De este modo, aunque la medida de distancia no sea fiable, es posible conocer la localización aproximada de un objeto móvil (al menos a nivel de habitación), sin necesidad de utilizar un despliegue elevado de nodos. La posición del móvil es calculada aplicando trilateración o multilateración a partir de las medidas de distancia estimadas a tres o más nodos de referencia. La precisión de localización del sistema ha sido evaluada en un entorno real de oficina. Los nodos de referencia operan como transmisores ultrasónicos y están fijados al techo. Por su parte, el nodo móvil opera como receptor de ultrasonidos y puede ocupar distintas posiciones en el espacio tridimensional. Dicha experimentación ha requerido la fabricación de un banco de medida que ha sido utilizado como soporte para colocar el nodo móvil en distintas posiciones con un error de posicionamiento de pocos milímetros. Estas posiciones fueron tomadas como referencia para evaluar la precisión de localización del sistema. Los nodos fijos fueron localizados a una altura aproximada de 2.7 m y separados por una distancia de 2 m. La trilateración o la multilateración exigen conocer de forma exacta sus coordenadas para obtener una buena estimación de la posición del móvil. Sin embargo, la ubicación de estos nodos (típicamente en el techo) dificulta la medida de sus coordenadas. En TELIAMADE proponemos el uso de un algoritmo de calibración para estimar de forma precisa las coordenadas de los transmisores a partir de medidas de distancia obtenidas a ciertas posiciones conocidas del nodo móvil. Los resultados experimentales muestran que la precisión de localización del sistema es subcentimétrica cuando la medida de distancia es estimada a partir del tiempo de vuelo de señal de ultrasonidos. Dicha precisión se degrada cuando la distancia entre nodos es estimada utilizando la medida de potencia de señal. En este caso, el error rms de posicionamiento es del orden de 10 cm, lo cual es asumible en muchas aplicaciones cotidianas de localización. Las características y prestaciones anteriormente citadas, hacen del sistema TELIAMADE un sistema versátil de localización en interiores basado en una red inalámbrica de sensores que pueden operar como transmisores y/o receptores de ultrasonidos. Su diseño proporciona una nueva arquitectura de bajo consumo de potencia, precisión de localización subcentimétrica y gran flexibilidad de configuración, con bajos requerimientos de memoria y un reducido coste computacional. La posición de un objeto móvil es calculada aplicando multilateración a partir de las distancias estimadas a varios nodos de referencia fijos. La medida de distancia es estimada a partir del tiempo de vuelo de señal de ultrasonidos usando un detector digital en cuadratura basado en un esquema de muestreo paso banda. El sistema también ofrece la posibilidad de medir distancias a partir del nivel de potencia de señal recibida, usando un modelo de propagación de señal. Esta aproximación permite simplificar el diseño del sistema aunque a costa de reducir la precisión de localización. El sistema utiliza un esquema de medidas periódicas programadas donde la sincronización de red es lograda mediante el envío periódico de mensajes de sincronización a través de la interfaz radio que implementa el protocolo ZigBee. La medida de distancia puede verse afectada por errores de sincronización debido a derivas en la señal de reloj de los nodos cuando se utiliza la medida de tiempo de vuelo. Por su parte, las características de los transductores ultrasónicos y el nivel de voltaje de las baterías también condicionan la precisión del sistema cuando se utiliza la medida de potencia para estimar distancias. En este trabajo, dichas fuentes de error son teóricamente caracterizadas y parcialmente corregidas aplicando técnicas de compensación. Si bien el sistema TELIAMADE ha sido diseñado originalmente con un propósito de localización de personas dependientes en su entorno, su excelente precisión en la medida de distancia y posicionamiento permite utilizarlo en múltiples aplicaciones. Por ejemplo, en el ámbito comercial podría ser utilizado en parking de vehículos para detectar plazas de aparcamiento libres o analizar la trayectoria de clientes en grandes superficies para realizar estudios de mercado orientados a la disposición de productos o pautas de compra de los usuarios. En el ámbito industrial podría ser utilizado como herramienta de test para certificar el grosor o tamaño de determinados materiales y piezas, y también para medir el nivel de llenado en tanques. Por otro lado, y en el contexto de la ingeniería de las telecomunicaciones, el sistema TELIAMADE puede ser utilizado como una herramienta de enseñanza. Su diseño simple, la versatilidad de su configuración y las características de las señales implicadas en la comunicación, lo convierten en una herramienta apropiada para la enseñanza de conceptos básicos relacionados con sistemas de localización, sistemas de comunicación digital, programación de microcontroladores, protocolos radio o avanzadas técnicas de procesado de señal. Su diseño permite a los estudiantes muestrear, cargar y analizar señales en diferentes puntos del circuito usando osciloscopios convencionales. Además, su flexibilidad para configurar diferentes parámetros de señal (ráfaga binaria, duración de bit, frecuencia de muestreo, etc), permite a los alumnos analizar algunas características relevantes de los sistemas de comunicación y localización tales como la probabilidad de error de bit, la inmunidad al ruido, la precisión de localización usando distintas técnicas de medida, el estudio de técnicas de señalización, la implementación de esquemas de modulación digital o el estudio de algoritmos de sincronización en redes inalámbricas de sensores. El trabajo realizado y los resultados obtenidos de esta investigación han dado lugar a varias publicaciones científicas enumeradas al final de este resumen. Los trabajos 1) y 2) son contribuciones en congresos nacionales. En 1) se describe por primera vez la arquitectura y funcionamiento del sistema TELIAMADE. En 2) se profundiza en el esquema de medida del sistema y en el mecanismo de sincronización de red que permite su funcionamiento. En este trabajo también se describe a grandes rasgos la técnica utilizada para medir el tiempo de vuelo de señal de ultrasonidos y se proporcionan algunos resultados de la precisión del sistema en la estimación de distancias. Por su parte, los trabajos 3), 4) y 5) corresponden a publicaciones en revistas indexadas. En 3) se aborda el problema de una sincronización de tiempo precisa en redes de sensores inalámbricas orientadas a medir fenómenos físicos que deben ser monitorizados periódicamente, como por ejemplo el tiempo de vuelo de señal de ultrasonidos en sistemas de posicionamiento. Derivas en los relojes de los nodos y variaciones aleatorias en los instantes de tiempo que indican el inicio de medida, son presentadas aquí como las principales fuentes de error de sincronización de estos sistemas. En este trabajo se describe un mecanismo de sincronización de red que utiliza el estándar IEEE 802.15.4 para permitir un esquema de medidas programadas compensando dichas fuentes de error. En 4) se analizan a fondo las fuentes de error debidas a la deriva y la resolución finita de los relojes de los microcontroladores de los nodos. Dichas fuentes son caracterizadas teóricamente para proporcionar un modelo teórico del error de medida capaz de predecir el rendimiento del sistema. En 5) se presenta una descripción completa del sistema TELIAMADE. En este trabajo se proporcionan los detalles del diseño hardware de los nodos y la forma en la cual éstos transmiten y muestrean la señal de ultrasonidos. Aquí se presenta la formulación completa que permite describir el receptor digital de correlación en cuadratura basado en un esquema de muestreo paso banda en cuadratura. En él se describe el procedimiento que permite calcular la medida de tiempo de vuelo de señal de ultrasonidos y con ella la distancia usando la velocidad del sonido, además de la formulación que describe la técnica de multilateración utilizada para estimar la posición de un nodo móvil a partir de las distancias estimadas a varios nodos de referencia fijos. En este artículo se proporcionan resultados experimentales que muestran la precisión de distancia y de localización del sistema. Por último, los trabajos 6) y 7) corresponden a publicaciones en congresos internacionales. En 6) se analiza el rendimiento de un sistema de localización basado en la medida de potencia de señal de ultrasonidos. Esto viene motivado por el hecho de que la medida de potencia resulta más fácil de estimar que la medida de tiempo de vuelo, y ello podría significar una simplificación del diseño del sistema. El estudio es realizado tomando como referencia el sistema TELIAMADE, donde la distancia es estimada a partir del valor de potencia de señal recibida usando un modelo de propagación de señal. Los factores asociados al patrón de radiación de los transductores ultrasónicos o el nivel de voltaje en los nodos, pueden afectar a la medida de potencia. En este artículo se analizan los efectos de estos factores y se proporcionan los algoritmos que permiten compensarlos. En este artículo se presentan resultados experimentales que muestran la precisión de localización del sistema usando esta aproximación y permiten demostrar la bondad de los algoritmos de compensación propuestos. Finalmente en 7) el sistema TELIAMADE es presentado como una herramienta de enseñanza que podría ser utilizada en el contexto de la ingeniería de las telecomunicaciones. En este trabajo se describe la versatilidad del sistema para estudiar algunas características relevantes de los sistemas de comunicación y localización en laboratorios docentes convencionales.