Sensores de visión de bajo consumo de potencia para vigilancia y monitorización en red.

Resumo

Esta Tesis constituye una contribución a la incorporación eficiente de hardware de visión en sistemas empotrados. Específicamente, nos centramos en la integración de chips de visión en los nodos de una red inalámbrica de sensores. Este tipo de redes de nodos inteligentes permite la implementación de lo que se conoce como computación ubicua. En esta nueva era para los ordenadores, los dispositivos de sensado, procesamiento y actuación se integran en nuestro contexto vital de manera totalmente transparente. El desarrollo de esta inteligencia ambiental se basa fundamentalmente en la eficiencia energética de sus elementos constitutivos. En el contexto de las redes inalámbricas de sensores, el objetivo es extender al máximo la vida útil de los nodos, evitando ciclos frecuentes de mantenimiento de cientos o miles de dispositivos geográficamente dispersos. En estas circunstancias, la incorporación de la visión dentro del catálogo de capacidades sensoriales de los nodos no es un asunto trivial en absoluto. Se requieren nuevas estrategias para abordar, con un coste energético acorde al escenario descrito, el procesamiento del flujo masivo de información asociado a una secuencia de imágenes. Nuestro enfoque parte de un nivel muy bajo, es decir, del diseño de circuitos simples formados por transistores MOS. Estos circuitos conforman elementos de procesamiento que, aislados, apenas presentan utilidad, pero que organizados e interconectados adecuadamente pueden llegar a procesar una enorme cantidad de datos en paralelo con muy bajo consumo de potencia. La posibilidad que ofrecen las actuales tecnologías CMOS de integrar circuitos de estas características con dispositivos fotosensores, hacen de los arrays de sensores-procesadores una herramienta fundamental para implementar, con reducido coste energético, el procesamiento de imágenes. Basándonos en este marco conceptual, hemos diseñado un chip de visión prototipo en el que diferentes primitivas de procesamiento pueden ser programadas. Dichas primitivas hacen uso de la implementación VLSI eficiente de un proceso de difusión controlable en el tiempo así como de un plano focal reconfigurable en regiones definidas por el usuario. Los resultados obtenidos sitúan a nuestro prototipo como uno de los más competitivos en relación con aquellos reportados en la literatura que llevan a cabo un procesamiento similar. Es de reseñar especialmente el bajo consumo de potencia, que ha permitido su integración en un nodo de red inalámbrica de sensores comercial, suponiendo sólo un 5.2%, en el peor de los casos, del consumo de potencia total del sistema resultante. Finalmente, hacemos una incursión en profundidad en una aplicación que se ve especialmente favorecida por la disponibilidad �ubicua� de procesar imágenes. Hablamos de la detección temprana de incendios forestales. Así, se presenta un concepto de sistema de detección en el que, a diferencia de los actuales basados en cámaras que vigilan grandes extensiones, cada sensor de la red lleva a cabo la monitorización de pequeñas áreas de vegetación. Estos sensores deben estar constantemente ejecutando un algoritmo de detección, por lo que se hace fundamental la eficiencia a la hora de realizar el correspondiente procesamiento. De hecho, se presenta un algoritmo de detección que hace uso de las primitivas implementadas en el prototipo. Este algoritmo, testado en diferentes plataformas, ha sido capaz de llevar a cabo, con muy alto grado de fiabilidad y robustez contra falsas alarmas, la detección in-situ de humo en la plataforma de visión inalámbrica diseñada.