reseña de

SELECCIÓN DE ANTENA PARA
LA MONITORIZACIÓN DEL AGUA
Las reservas de agua fresca se están reduciendo de manera peligrosa en muchas
regiones del mundo y el uso de tecnología para monitorizar mejor, controlar y
preservar el flujo de agua ayuda a proteger este recurso amenazado y valioso.
Los sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA) que
utilizan tecnología inalámbrica ofrecen muchos beneficios para la gestión
del agua, que incluye costos de instalación e implementación reducidos, una
mayor seguridad y una confiabilidad mejorada. La selección de la tecnología
de antena adecuada para monitorizar las redes SCADA es un elemento esencial
para garantizar el desempeño óptimo de la red.
Beneficios inalámbricos
La tecnología inalámbrica de los sistemas de monitorización de agua SCADA
proporciona una versatilidad adicional a medida que se añaden más demandas
a la red. Los sistemas de agua necesitan crecer junto con el crecimiento de la
población, y las redes inalámbricas pueden facilitar y rentabilizar las mejoras
y la expansión de estos sistemas. En lugar de excavar trincheras o añadir físicamente cables a las
instalaciones existentes, se pueden añadir componentes e instalaciones adicionales, los que se
pueden monitorizar a través de ondas de radiofrecuencia a los centros de control. Esta capacidad
se traduce en ahorros significativos en costos de materiales y mano de obra.
La tecnología también respalda operaciones de sistema más eficientes ya que los sistemas
inalámbricos pueden transmitir información de manera instantánea y monitorizar las unidades
terminales remotas (RTU, por sus siglas en inglés) inaccesibles hacia y desde una ubicación
centralizada. Esto permite una monitorización más frecuente y en tiempo real de los sitios y genera
menores requisitos de mano de obra para operar y reparar los equipos. Cuando se utilizan estos
sistemas, ocurren menos errores humanos que afectan los cálculos o las lecturas.
Además de los costos laborales reducidos, al mejorar los diseños SCADA con conexiones
inalámbricas se puede obtener mayores ahorros de energía y mayor protección del equipo,
evitando potencialmente el daño a la red que podría generar costosos daños a la propiedad o
un riesgo aumentado para la seguridad humana.
En última instancia, los sistemas de monitorización de agua inalámbricos proporcionan una
protección adicional al medioambiente, a los bienes materiales y a las personas que estos
sistemas están destinados a servir. Lecturas más frecuentes o en tiempo real de niveles de agua
extremadamente altos o bajos se traducen en una respuesta humana más rápida. Por ejemplo, las
respuestas más rápidas a los desbordamientos de aguas residuales, podrían evitar que se inunden
las casas de las personas. El manejo cuidadoso y la reducción del flujo de cientos de millones de
galones de agua contaminada volcada en lagos y ríos cada año debido a desbordamientos de
aguas residuales serían beneficiosos tanto para la salud humana como para el medio ambiente.
Seleccionar una antena
Sin embargo, un sistema SCADA inalámbrico para la monitorización de agua solo es tan efectivo
como la tecnología de antena utilizada en su diseño. Tradicionalmente utilizadas para los radios
de banda angosta convencionales y demás actividades relacionadas, las aplicaciones de antena
han sufrido un cambio masivo con el desarrollo de las tecnologías digitales, y ahora se utilizan
en una variedad de aplicaciones en muchas industrias. Aunque deben considerarse factores que
van desde la topografía, hasta el tamaño y la congestión de la radiofrecuencia (RF) en la etapa de
diseño de una red inalámbrica, la eficiencia de la tecnología y la durabilidad de la antena son las que
se vuelven cruciales para el sistema para obtener los beneficios de una arquitectura inalámbrica.
RESEÑA DE
APLICACIÓN
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A efectos ilustrativos, una arquitectura de monitorización de
agua SCADA inalámbrica típica utiliza computadoras centrales
para monitorizar los niveles en los tanques de agua. En este caso,
la sala de control se interconecta con válvulas, interruptores y
otros componentes instalados en las RTU y los tanques de agua.
La información es transmitida y recibida hacia y desde la sala de
control a través de ondas de radiofrecuencia (RF). Cada segmento
de la red incluye algún tipo de antena que recibe y transmite la
información. En una aplicación de lectura de medición de los
niveles de agua inalámbrica, por ejemplo, un medidor de agua, un
vehículo de servicio con equipo de monitorización, y la empresa
de servicios públicos están interconectados a través de la red
inalámbrica. Cada parte de la red está equipada con una antena
adecuada para recibir y transmitir señales al objetivo adecuado.
Según se muestra en el diagrama anterior, se pueden utilizar
múltiples antenas en sistemas de flujo de agua inalámbricos
para gestionar efectivamente la información. La selección de
la tecnología de antena correcta para soportar estos sistemas
depende de una cantidad de factores estrechamente vinculados
con la aplicación. En esta decisión influyen consideraciones que
deben sopesarse a efecto de alcanzar el desempeño de red
deseado.
Para empezar, es importante que el planificador determine el
área de cobertura objetivo, incluso aquellas áreas que no se
desee cubrir por seguridad u otras razones, y la distancia entre
los puntos de propagación (p. ej. la torre, el tanque de agua, el
centro de control, etc.) con relación a la RTU más lejana (p. ej., los
lectores de medidores, etc.) Esto ayudará a delinear los límites del
territorio cubierto. El planificador también debería familiarizarse
con las estadísticas de uso esperadas para su red propuesta ya
que el volumen de datos típicamente transmitido y la ubicación
de la red son una consideración importante para la selección de
las tecnologías de RF que se utilizarán para respaldar el sistema
inalámbrico.
Después de estos pasos iniciales, se debe realizar un estudio del
sitio que cubra la topografía, la vegetación y las características
climáticas del área de cobertura objetivo para tener en cuenta
la línea visual y otros potenciales problemas de interferencia de
RF. El mapa de sitio resultante debe marcar el(los) punto(s) de
propagación, las RTU deseadas y las posibles áreas de expansión
de la red. A continuación, se debe preparar un presupuesto de
enlace de la RF para calcular los requisitos de potencia en cada
punto de acceso basado en la tecnología escogida. Por último, se
debe elegir el equipo que satisfará estos requisitos y los de la FCC.
Red inalámbrica de sistemas de flujo de agua
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Una vez seleccionada la tecnología RF, el mapa del sitio
proporcionará orientación a los diseñadores del sistema para
seleccionar la solución de antena óptima para el sistema de
monitorización de agua. Una red típica incluirá una combinación
de antenas direccionales y omnidireccionales con distintos
factores de forma, requisitos de ganancia y configuraciones de
montaje. El tipo de antena utilizado dependerá de los límites del
presupuesto de enlace, las condiciones
ambientales, los requisitos estéticos y
cualquier otra consideración especial.
Si son debidamente seleccionadas,
las antenas deberían proporcionar
la directividad de señal deseada y la
fortaleza requerida para cumplir con
los objetivos de la arquitectura de la
red. Por ejemplo, una antena acoplada a
un medidor de agua residencial tendrá
una estética y requisitos ambientales
muy diferentes de los de una instalada
encima de un tanque de agua.
Muchos de los sistemas de agua que
La serie Yagi
utilizan SCADA inalámbrico emplean
Bluewave de PCTEL
diversas bandas de frecuencia. Para
proporciona elementos
aplicaciones de lectura del medidor
completamente soldados
de agua, se utilizan comúnmente
resistentes y un dipolo
frecuencias de espectro que no
doblado para una máxima
durabilidad en condiciones
requieren licencia, parcialmente para
ambientales extremas
simplificar el proceso de lectura del
medidor y para rentabilizar el sistema.
También se utilizan en muchos SCADA inalámbricos, tecnologías
de radio y de radio móviles de tierra VHF/UHF. Las frecuencias de
RF utilizadas tendrán una longitud de onda y velocidades de datos
diferentes, y esas consideraciones deben haber sido consideradas
durante el estudio del sitio y en la etapa de selección del equipo.
descendente eléctrica ya que esta característica podría ayudar a
redireccionar el ángulo del haz radiado más próximo al perímetro
de la antena.
Hay varios tipos de antenas direccionales y omnidireccionales
diseñadas para lograr formas de patrones específicos. Las antenas
omnidireccionales emiten señales RF
en todas las direcciones, mientras que
las antenas direccionales concentran
la energía en una sola dirección.
Las antenas Yagi direccionales,
comúnmente en el punto del sitio
de propagación, tienen elementos
reflectores y directores que envían
o reciben señales RF, ofreciendo
una mayor ganancia (la intensidad
concentrada de la energía radiada).
Las antenas omnidireccionales, de bajo
perfil, más pequeñas se seleccionan
típicamente para la instalación de un
lector de medidor en aplicaciones de
monitorización de agua inalámbricas.
En estos casos, se recomienda un
montaje a prueba de vandalismo para
impedir la remoción de la antena.
Por ejemplo, el Sistema de Aguas
de San Antonio (SAWS, por sus
siglas en inglés) utiliza antenas
omnidireccionales sobre las torres de
agua y otras estructuras altas para transmitir información a la sede
central SAWS sobre el flujo, la presión y las posibles escaseces.
Entre tanto, se han utilizado las antenas Yagi direccionales para
centrar las señales entre algunos medidores de agua y puntos
de recolección de agua para facilitar la lectura de los medidores.
Aunque las redes SCADA inalámbricas que operan a 900 MHz o
frecuencias VHF/UHF pueden ser menos susceptibles a problemas
de línea visual, muchos sistemas ahora utilizan las bandas de
frecuencia con espectro ensanchado de 2,4 GHz y 5,8 GHz
que ofrecen transmisiones de velocidad de datos más rápidas.
Sin embargo, la selección de antenas para estos sistemas es
crítica debido a las limitaciones de línea visual (LOS) inherentes
de la tecnología. Por esta razón, la ubicación de la antena de
propagación debería ser bien por encima de las líneas de árboles
u otras estructuras artificiales y naturales, ya que estas podrían
potencialmente absorber o reflejar las señales radiadas.
Si la trayectoria de la señal radiada está relativamente libre de
obstrucciones, se pueden establecer enlaces cortos de baja
densidad utilizando una sola antena omnidireccional con suficiente
ganancia como para alcanzar las antenas RTU. Sin embargo, las
antenas omnidireccionales con demasiada ganancia podrían
propagar sobre las antenas RTU porque, al aumentar la ganancia,
la forma del patrón radiado se vuelve más plana, reduciendo la
cobertura directamente debajo de la antena. Por lo tanto, si se
necesita una antena de alta ganancia para alcanzar las RTU, debe
considerarse una antena omnidireccional con una inclinación
Las antenas del reflector parabólico ofrecen propiedades de gran
ganancia para facilitar una energía radiada direccional centrada.
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SAWS utiliza la tecnología de espectro ensanchado por salto
de frecuencia (FHSS, por sus siglas en inglés) que envía señales
sobre una frecuencia fija de banda ancha antes de “saltar” a una
frecuencia diferente. Los beneficios reportados incluyen una
confiabilidad del sistema mejorada.
Otro punto que considerar es la congestión RF en el área
objetivo de cobertura. Por ejemplo, en los entornos urbanos,
una cantidad mayor de señales que se desplazan en una zona
pueden cruzarse y causar una deficiencia de señales. A esto se
lo conoce comúnmente como interferencia de cocanales. Las
antenas altamente direccionales con haces radiados angostos son
frecuentemente seleccionadas para estas aplicaciones debido a
que el haz angosto es el que tiene menos probabilidades de cruzar
la señal de otras antenas cercanas. En estos casos, la adaptabilidad
de la orientación vertical u horizontal es de ayuda, ya que las
antenas polarizadas vertical u horizontalmente pueden utilizarse
para radiar las señales de los radiadores en las proximidades,
reduciendo la exposición a la interferencia de cocanales.
Un importante aspecto de la selección de antenas incluye la
evaluación de las condiciones ambientales y climáticas a las cuales
el sistema inalámbrico se ve expuesto. Todos los componentes
de un sistema de monitorización de agua típico deberían ser
diseñados para soportar las fluctuaciones de temperatura,
humedad y la exposición ultravioleta sin degradación. Las antenas
con alojamientos ventilados que permiten que el agua escurra y
no se condense dentro de la antena, son usualmente una buena
inversión ya que el costo de remoción y reinstalación de una
antena fallida debido al ingreso de agua puede ser significativo.
Las antenas unidas a medidores de agua deben diseñarse para
ser impermeables al agua y la humedad, y deberían incluir una
junta de goma de buena calidad para aumentar la protección
del sistema.
Otras consideraciones ambientales incluyen la exposición a
golpes de impacto (p. ej., aves, hielo, etc.), cargas de viento o
vibraciones severas. Para las instancias donde están presentes
estas influencias, se recomiendan las antenas con alojamientos
construidas con materiales resistentes y estabilidad superior
ante la radiación UV. Además, las estructuras de montaje de alta
resistencia para las antenas instaladas en mástiles o torres son
igualmente importantes para evitar el movimiento de la antena
que podría afectar la estabilidad de la señal radiada. Los diseños
de montaje eficiente proporcionan una flexibilidad adicional y
reducen la falla del sistema debido a daños de la antena.
Otros factores que determinan la antena más adecuada para
una función específica incluyen el tamaño, los requisitos de
estética y la vulnerabilidad al robo o al vandalismo. Para abordar
estos problemas, frecuentemente se utilizan diseños compactos,
montajes versátiles y alojamientos orientados al consumidor.
Mientras que las antenas fáciles de alcanzar, como las instaladas
en los recintos del lector del medidor del consumidor, pueden
requerir mecanismos de montaje a prueba de vandalismo,
aquellos instalados en la cima de los tanques de agua municipales
generalmente presentan un riesgo de robo más bajo. Sin embargo,
los aspectos estéticos son un factor importante en estos casos.
En el ejemplo de SAWS, las antenas son del mismo color que el
tanque de agua para que sean menos notorias.
Conclusión
Para terminar, es importante entender que las antenas son un
componente muy importante, y muchas veces ignorado, de un
sistema de comunicaciones inalámbrico sólido. La seguridad, la
confiabilidad y la eficiencia de los sistemas de agua pueden verse
mejorados con tecnología inalámbrica, si se realiza la debida
planificación de red y la correcta selección de la antena.
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