Anais do XV Encontro de Iniciação Científica da PUC-Campinas - 26 e 27 de outubro de 2010
ISSN 1982-0178
CRIAÇÃO DE REDES AD HOC PARA REDES DE SENSORES
SEM FIO
Andrius Henrique Sperque
Prof. Dr. Omar Carvalho Branquinho
Faculdade de Engenharia Computação
CEATEC
[email protected]
Faculdade de Engenharia Elétrica
CEATEC
[email protected]
Resumo: Com o advento das comunicações sem fio
foram estabelecidas as Redes Sensores Sem Fio
(RSSF), contribuindo assim com estudos nas áreas
de sensoriamento, algoritmos de roteamento,
protocolos de roteamento, aplicabilidade de sensores
e diversos outros fatores que integram esse tipo de
rede.
Este relatório apresenta o estudo de protocolos MAC
utilizando o protocolo SimpliciTI como uma solução
para criação de redes AD-HOC para redes de
sensores sem fio. O protocolo possibilitou a criação
de redes AD-HOC simples e com baixo consumo de
energia, como é descrito no relatório. Também são
descritos os estudos realizados para a concepção
das redes e aspectos que levaram a criação da
MAC.
Palavras-chave: Wireless Sensor Network,
protocolos, MAC.
Área do Conhecimento: Sistemas de
Telecomunicações – Gestão de Redes e Serviços –
Qualidade de Serviço de Telecomunicações – CNPq.
1. INTRODUÇÃO
Redes AD-HOC são um novo paradigma de redes
sem fio para dispositivos (nós) móveis. Diferente das
tradicionais redes móveis sem fio, as redes AD-HOC
não retransmitem dados sobre uma infra-estrutura
fixa tal como um roteador ou estação base de
transmissão.
Em
vez disso, nós móveis
retransmitem os dados uns sobre os outros,
mantendo a rede conectada [1], tendo, portanto cada
nó uma parcela da função de roteador.
Essa retransmissão da informação mostra a
importância do processo de roteamento entre os nós
da rede AD-HOC no contexto das redes de sensores
sem fio (RSSF), devido a esse fato, esse documento
trata de protocolos MAC ligados a esse tipo de rede,
apresentando o Protocolo SimpliciTI como uma
possível opção para implementações de RSSFs.
Protocolos de Controle de Acesso ao Meio (Medium
Access Control Protocol – MAC) tem o propósito de
resolver uma simples questão: coordenar os tempos
nos quais os nós da rede acessam o meio [2]. Esse
é o primeiro protocolo acima da camada física, por
isso está intimamente ligado ao hardware e suas
propriedades.
Alguns dos principais requerimentos para o
desenvolvimento de um protocolo MAC para redes
sem fio são: melhores taxas efetivas de
comunicação (throughput), eficiência, estabilidade,
distância, baixos atrasos e baixo nível de colisões.
[2] Devido a essa proximidade com hardware e
controle do mesmo, é de fundamental importância a
preocupação do protocolo para com o consumo
energético, uma vez que redes de sensores sem fios
geralmente utilizam como fonte energética baterias
com cargas finitas. Portanto, o fator energético é um
aspecto vital na sobrevivência da rede de sensores
sem fios e algumas técnicas de diminuição do
consumo são apresentadas neste documento.
2. MONTAGEM DA BANCADA PARA REDE DE
SENSORES
Os objetivos deste trabalho tratam-se do
desenvolvimento e análise de protocolos de controle
de acesso ao meio (MAC) para Redes de Sensores
Sem Fio (RSSF), os quais visão sempre à
otimização do alcance entre os nós e a eficiência
quanto ao consumo de energia para aumento da
vida útil da RSSF.
2.1. BANCADA PARA REDE DE SENSORES
Buscando atingir os objetivos propostos,
foi
montada uma bancada para testes utilizando os kits
de desenvolvimento EZ430-RF2500 da Texas
Instruments, projetados para redes de sensores sem
fio de baixo consumo de energia. Os kits de
desenvolvimento
estão
integrados
com
microcontroladores MSP430 (Ultra Low Power) e
transceptores CC2500, ambos de baixo de potência.
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Com a bancada pronta, por intermédio do orientador,
adquirimos uma licença gratuita do software “IAR
Embedded Workbench® para TI MSP430”, versão
4.11A, como mostrado na figura 2, com duração de
1 ano para ser utilizada nessa nova bancada. Abaixo
a Figura 1 mostra uma imagem da bancada já
pronta para utilização.
MSP430F2274 (modelo integrado ao kit de
desenvolvimento). Como cada processador possui
seus próprios conjuntos de Instruções, foi necessário
estudar sua biblioteca de instruções, assim como
suas características técnicas, como tensão de
energização, freqüências de trabalho e seus
periféricos. Periféricos tais como portas seriais,
controladores Analógicos Digitais, LCD, e outros.
Devido à grande importância do transceptor, sendo o
componente que realiza toda a comunicação pelo
espaço, e um componente que necessita de atenção
quanto ao consumo de energia, também nesse
período e com o passar do tempo, foram estudadas
suas características.
3.2 Estudos referentes ao software
Os tópicos sobre protocolos MAC estudados seguem
uma referência bibliográfica principal [2], e os
mesmos foram abordados em reuniões periódicas
com o orientador. Os temas estudados foram:
Figura 1: Bancada para pesquisas em RSSFs
•
Fundamentos
de
Protocolos
MAC.
(Fundaments of (wireless) MAC Protocols);
O software é fundamental para a realização da
compilação de códigos fontes para os processadores
utilizados nos nós. Além disso, através dele são
feitas gravações e testes dos programas nos kits de
desenvolvimentos utilizados.
•
Conceitos de Acordar e Dormir (Low duty
cycle protocols and wakeup concepts);
•
Protocolos
baseados
em
(Contention-Based Protocols);
•
Protocolos baseados em Agendamentos.
(Schedule-based protocols);
•
Protocolos MAC IEEE 802.15.4. (The IEEE
802.15.4 MAC protocols).
Contendas.
Cada protocolo apresenta uma característica
especial, que pode vir a ser utilizada em uma
determinada aplicação da rede de sensores sem fio.
Redes que buscam a eficiência na energia tendem a
ser customizadas. Portanto, uma análise de todo o
sistema onde a rede sem fio será implantada é
extremamente importante no momento do projeto da
rede.
Figura 2: Software IAR Embedded Workbench® para TI
MSP430
3. PESQUISAS E ESTUDOS
3.1 Estudos referentes ao hardware
Após a montagem da bancada iniciamos o período
de pesquisas estudando o microcontrolador
Após o período de estudos dos conceitos e
protocolos atuais, iniciamos pesquisas e estudos
sobre o
SimpliciTI Stack Protocol (Pilha de
Protocolo SimpliciTI), também da empresa Texas
Instruments. SimpliciTI é um protocolo baseado em
conexões ponto - a - ponto para redes de sensores
sem fio com baixo consumo de energia.
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4. REDES CRIADAS
4.1. Hardware adotado
Um nó básico é composto por aproximadamente
cinco componentes físicos: microcontrolador,
memória, transdutores e/ou atuadores, transceptor e
fonte de energia. [2]
permitem dimensionar o tempo aproximado em que
um sensor permanecerá em funcionamento até que
sua bateria acabe.
Portanto, para a criação das RSSFs apresentadas
nesse
documento
foram
utilizados
o
microcontrolador MSP430F2274 cuja memória
interna é 32kB Flash, 1KB de RAM, o transceptor
CC2500 trabalhando na freqüência de 2.4GHz,
ambos integrados no kit de desenvolvimento eZ430–
RF2500. A fonte de energia utilizada foi uma bateria
de 3 Volts (2 pilhas AAA ligadas em série,
fornecendo 600 mAH quando em série). O sensor
utilizado é um sensor interno ao microcontrolador
cujo qual mede a temperatura de funcionamento do
mesmo.
Modo
Consumo (mA)
Tensão (V)
Normal
26,0
3,0
LPM0
0,495
3,0
LPM1
0,495
3,0
LPM2
0,291
3,0
LPM3
0,223
3,0
LPM4
0,268
3,0
O microcontrolador e o transceptor possuem
recursos para minimizar o consumo de energia, eles
podem ser colocados em modo de baixo consumo
quando não estão sendo utilizados.
O MSP430F2274 possuí 5 modos de baixo consumo
que são ativados durante a execução do programa e
de acordo com a escolha do programador, como
mostra a Tabela 1.
Tabela 2. Consumo de energia do kit eZ430-RF2500
O transceptor CC2500 pode ser desligado quando
não houver a necessidade de transmissão. Além
dessa opção, o mesmo pode entrar em modo de Idle
Listen (Escuta inativa) o que permite que ele possa
transmitir mas não ouvir o meio. E com isso
economizar energia.
A Figura 3 mostra os dispositivos que integram o kit
de desenvolvimento eZ430-RF2500.
Tabela 1. Modos de operação do MSP430F22x4
Modo
Descrição
Normal
Funcionamento normal, CPU ativa e todos
os sinais de clock ativos
LPM0*
CPU parada e o sinal de clock principal é
desativado. Os sinais de clock auxiliares
(SMCLK e ACLK) permanecem ativos.
LPM1
Idem ao LPM0, mas o DCO é desativado
caso não esteja sendo utilizado para gerar o
SMCLK ou o ACLK
LPM2
Idem ao LPM1, mas o sinal SMCLK é desativado
LPM3
Idem ao LPM2, mas o gerador DC do DCO
é desativado
LPM4
A CPU e todos os sinais de clock são desativados
* LMP: Low Power Mode
Na tabela 2, são mostrados os valores de tensão e
corrente medidos em laboratório. Tais medições
Figura 3. Kit de desenvolvimento eZ430-RF2500.
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5. SIMPLICITI PROTOCOL
O SimpliciTI Protocol é um protocolo MAC com
código fonte aberto desenvolvido para redes de
sensores sem fio, é baseado em conexões ponto-aponto sendo possíveis duas topologias básicas:
ponto-a-ponto e topologia estrela. Suporta três
diferentes tipos de sensores: Access Point, End
Device e Ranger Extender. [12]
Figura 5. Conexão ponto-a-ponto direta com RE.
End Device (ED): é o dispositivo final, o qual realiza
a função da camada de aplicação, o End Device
pode ou não estar sempre ligado e pode ser
transmissor e receptor (TX/RX), ou somente
transmissor (TX).
Access Point (AP): é o ponto principal da rede e
deve ter uma bateria backup ou ser alimentado
constantemente, o protocolo SimpliciTI permite
somente um AP por rede. O AP pode fazer o
gerenciamento de endereços da rede, gravar e
enviar mensagens para dispositivos RX dormirem e
funcionar como um ED ou um Ranger Extender.
Figura 6. Store-and-forward ponto-a-ponto através do RE
e AP.
Ranger Extender (RX): têm a função de retransmitir
uma determinada mensagem a outros sensores. Um
Ranger Extender pode conter um atuador
(funcionalidade do ED).
5.1. Topologias
Nas Figuras 4, 5, 6, 7 são mostradas as topologias
suportadas pelo protocolo SimpliciTI. Podemos
pensar em duas formas de caminho de dados:
Lógico e Real. No caminho lógico estaremos
pensando em comunicação direta (pear-to-pear). No
entanto muitas vezes essa comunicação não é
possível, seja pela distância entre os pontos ou
outros fatores. Por isso temos os caminhos reais,
nos quais as mensagens podem ser retransmitidas e
avaliadas.
Figura 7. Topologia de rede para AP funcionando como
Hub de dados.
5.2. Arquitetura SimpliciTI
O software SimpliciTI conceitualmente apresenta 3
camadas, sendo a camada de aplicação a porção
necessária que o programador necessita para
realizar seus desenvolvimentos. O suporte para a
comunicação sem fio é por um conjunto de símbolos
(funções) da interface de aplicação (application
interface - API) usados para inicializar, configurar o
transceptor e processador, escrever e ler as
mensagens que fluem pela rede.
5.2.1. Camada de Aplicação (Application Layer)
Figura 4. Conexão ponto-a-ponto direta e conexão storeand-Forward
ponto-a-ponto
através
de
AP,
respectivamente.
É a camada na qual o desenvolvedor cria suas
aplicações, as quais vão utilizar recursos do
processador e possivelmente realizar a interação
com o ambiente.
5.2.2. Camada de Rede (Network Layer)
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A Camada de Rede faz o gerenciamento da rede, e
na realidade cria a abstração para o programador
das funcionalidades da camada de aplicação.
5.2.3. Mínima Interface de RF (Minimal RF Interface
- MRFI)
Essa camada abstraí o que é basicamente uma
interface de leitura/escrita para a interface de rádio.
5.2.4. Pacote de Suporte ao Circuito (Board Support
Package - BSP)
BSP é abstraído da arquitetura como veremos na
Figura 8, mas sua função é fazer o mínimo suporte
para processadores alvos do SimpliciTI. Nesta
etapa, estão envolvidas as configurações de
interrupções, entradas e saídas (Leds, chaves e etc.)
também chamadas de GPIO lines, e a interface SPI
para o sistema de rádio.
Inicializar Board Package (bsp_init)
Inicializar Rádio
Inicializar pilha de
protocolo
(smpl_init)
Camada de Aplicação
(Rotina de Aplicação)
Figura 9. Passos da inicialização da Rede
Figura 8. Arquitetura SimpliciTI.
6. RESULTADOS E CRIAÇÕES DE REDES
Após mencionada as características principais do
protocolo SimpliciTI e do hardware empregado no
desenvolvimento das redes, passamos a descrever o
funcionamento das redes e como o protocolo foi
adaptado para as tais.
Todas as redes seguem uma inicialização padrão,
como a descrita abaixo e apresentada pela Figura 9.
Na Figura 9 são mostrados quatro passos
importantes. O primeiro passo é a inicialização do
Board Package (pacote da placa), sendo essa
definição a que configura o hardware para o
funcionamento do SimpliciTI e inicialização dos
periféricos do microcontrolador. O segundo passo
importante é a inicialização e configuração do
transceptor. O terceiro passo é o Smpl_init o qual irá
inicializar a pilha de protocolo SimpliciTI. O quarto e
último passo é a criação das aplicações.
6.1. Rede Ponto-a-Ponto (PEAR-TO-PEAR - P2P)
A rede Pear-to-Pear é uma rede onde não há uma
distinção de clientes e servidores, mas sim, somente
pontos iguais que podem assumir o papel de
servidor ou cliente durante uma comunicação. É
uma rede simples que envolve apenas a
comunicação entre dois dispositivos em um
determinado instante. As conexões são feitas
através de chamadas ao sistema operacional, no
caso, o SimpliciTI Protocol.
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Link to (aguarda até haver conexão)
Piscar Leds (Sinaliza ocorrência de
Conexão)
Access Point - AP
End Device - ED
Listen to (Realiza
conexão com o número
de EDs requeridos)
Link to (aguarda até
haver conexão com AP)
Piscar Leds (Sinaliza
ocorrência de Conexão)
Rotina Infinita:
Rádio em Modo Sleep
Rotina Infinita:
Rotina Infinita:
Processador em Modo Sleep
AP permanece sempre
ligado a uma fonte de
energia. Portanto não
necessita entrar em modo
econômico.
Rádio em Modo Sleep
Temporizador
Processador Acordado
Rádio Acordado
Processador Modo Sleep
Temporizador
Processador Acordado
Rádio Acordado
Cria Mensagem
Envia Mensagem (Send)
Recebe Mensagem (Receive)
Envia Mensagem(Send)
Recebe Mensagem
(Receive)
Figura 10. Aplicação para Rede P2P com EDs.
Figura 11. Aplicações para rede ponto-Multiponto.
Aplicações: as aplicações para esse tipo de rede são
imensas, havendo desde um simples dispositivo
para abertura de portões eletrônicos até um
dispositivo para realização de trocas de informações
importantes.
6.2. REDE PONTO-MULTIPONTO
Redes ponto multiponto são redes nas quais um AP
central recebe ou envia dados para vários EDs
conectados diretamente a ele. O protocolo SimpliciTI
fornece ao AP a capacidade de controle dos End
Devices, significando que o AP pode coordenar os
momentos em que os End Devices irão entrar em
modo de baixo consumo de energia e realizar um
agendamento dos momentos em que os EDs devem
transmitir. Esse gerenciamento é importante para
que não haja colisões, overhearing e etc, pois isso
exige que haja uma nova transmissão, resultando
em um consumo maior de energia.
Aplicações: Comunicação Broad Cast com os EDs,
gerenciamento de sensores, centralização de
informações e outras.
7. RESULTADOS
Segundo o artigo de Sunil Kumar, Vineet S.
Raghavan e Jing Deng [8], os protocolos MAC
(Medium Access Control) são responsáveis por
coordenar os acessos ao meio dos nós ativos. Como
cada ambiente pode vir a apresentar características
distintas, alguns protocolos podem se tornar
inviáveis, isto é, a rede pode não funcionar devido
ao protocolo MAC não atender os requisitos
necessários para aquele ambiente. Para exemplificar
tal situação podemos citar dois ambientes distintos:
uma sala fechada e um campo de plantação de
cana-de-açúcar. Nesses dois ambientes a distância,
densidade de sensores, obstruções no meio físico,
são fatores chaves para a escolha de um protocolo.
Não é somente o ambiente que pode inviabilizar ou
viabilizar o uso de um protocolo, segundo Gang Lu,
Bhaskar Krishnamachari, Cauligi S. Raghavendra,
no artigo [5], eles descrevem como principais
desafios de uma rede de sensores sem fio, a
Energia, Latência, distância e Perda de Dados,
sendo a energia o fator mais importante atualmente.
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Para que possamos minimizar o consumo de
energia, além da escolha de componentes de baixo
consumo energético, é necessário levar em
consideração tempos em que os sensores não
estarão realizando função alguma ou não estarão
realizando comunicações, e assim modificar os
estados de operação dos componentes, isto é, a
desativação e ativação de recursos do processador e
transceptor. Segundo as medições realizadas em
bancada, comprovamos que na plataforma Texas o
transceptor é o componente que consome mais
energia, e que esse consumo pode ser reduzido
drasticamente quando mudamos seu estado de
ligado, para dormindo.
A tecnologia eletrônica que constituem as RSSFs
tem evoluído, e as estratégias de mudança de
estados são fundamentais para minimização do
consumo de energia. O artigo [5] relata quão
importante são essas mudanças e como podem
ocorrer.
As redes criadas utilizando o protocolo SimpliciTI
proporcionaram uma conexão estável entre os
sensores.
8. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho tratou da criação e estudo de
protocolos MAC. Isso possibilita que redes mais
avançadas possam ser criadas e adaptadas em
ambientes distintos, ocasionando mais estudos e
obtenção de conhecimento.
1.1 AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer ao Professor Dr. Omar
Carvalho Branquinho pelas suas orientações e pela
sua amizade. Agradeço também a FINEP por
financiar o Laboratório de Pesquisas em Sistemas
de Rádio (LP-SiRA) da Puc Campinas e IAR
Systems por gentilmente conceder uma licença do
software “IAR Embedded Workbench® para TI
MSP430”.
REFERÊNCIA
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on Network Security. November/December,
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Documentação.
Disponível
em:
<http:/www.ti.com/simpliciti>. Acesso em: 25 de
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[12] Texas Instruments. MSP430 Wireless
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em:
<http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/ez4
30-rf2500.html>. Acesso em: 25 de junho de
2010.