Wireless Sensor Networks
Introdução
• Rede de Sensores Sem Fio
• Muitos nós coletores de baixo custo
• Um ou alguns nós “base”
Classificação
Protocolos
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S-MAC
ARC
T-MAC
DE-MAC
TRAMA
“Post-Facto” Clock Sync
Protocolo S-MAC
– Colisões: DCF (Distributed Coordination Function),
usando um diálogo de comunicação RTS-CTS-DATAACK. Este diálogo de comunicação evita colisões,
problemas de terminal escondido e problema de estação
exposta. Caso ocorra a colisão utiliza um algoritmo
para aguardar um tempo aleatório, o BEB (Binary
Exponential Backoff ).
– Overhearing: modo sleep quando verifica que o pacote
não é destinado a ele.
– Idle listening: O S-MAC utiliza um ciclo de operação
reduzida, com tempos fixos de atividade (listen) e de
repouso (sleep). O tempo de atividade é menor que o
tempo de repouso (cerca de 10%).
Protocolo ARC
• ARC (Adaptive Rate Control) [Woo and Culler, 2001] metas : alocação
de largura de banda. O protocolo propõe um mecanismo que
passivamente adapta a taxa de transmissão dos dois tipos de tráfego: de
passagem e de dados originados. Este mecanismo usa um incremento
linear e um decremento multiplicativo para controlar a taxa de dados.
• Um novo esquema CSMA é proposto pelo ARC, adicionando-se um
atraso aleatório antes do tempo de escuta, para evitar repetidas colisões
devido ao comportamento sincronizado do nó na ocorrência de um
evento. Este esquema CSMA é composto pelas seguintes fases: atraso
inicial aleatório, tempo de escuta – intervalo fixo de tempo, e
mecanismo de backof f– tempo de atraso gerado com janela fixa e
incremento/decremento BEB.
• O ARC em conjunto com este novo mecanismo CSMA fornece
controle efetivo de acesso ao meio sem a utilização de pacotes
explícitos de controle.
Protocolos
• T-MAC ( Time-out MAC )
– A idéia é reduzir o tempo de idle listening para diminuir
o consumo de energia do nó. As mensagens recebidas
durante o tempo de repouso são armazenadas e
transferidas em rajadas no início do tempo ativo.
• B-MAC ( back-off MAC )
– A idéia do B-MAC é que, ao invés de inserir o
algoritmo de backoff inicial dentro da camada MAC,
seja estabelecida uma política de gerenciamento em que
a aplicação controle o backoff inicial antes de submeter
um pacote para transmissão.
Protocolos
• DE-MAC (Distributed Energy aware MAC)
– O protocolo DE-MAC trata do gerenciamento e
balanceamento de energia em RSSFs [Kalidindi
et al., 2003]. É um protocolo que emprega
alocação estática de canal TDMA, portanto
livre de colisões e de overhead de pacotes de
controle.
Protocolo TRAMA
(Traffic adaptive Multiple Access)
– O protocolo TRAMA (Traffic adaptive Multiple Access) [Rajendran et al.,
2003] é baseado em alocação estática de canal TDMA. É projetado para
aplicações dirigidas a eventos com coleta contínua ou periódica de dados em
RSSFs. A meta principal deste protocolo é ser eficiente em energia e o
método de acesso ao canal garante que não existirão colisões em
comunicações unicast, broadcast ou multicast.
– O TRAMA adaptativo ao tipo de tráfego e emprega um algoritmo distribuído
de eleição. O algoritmo de eleição é baseado em informações de tráfego de
cada n e seleciona receptores baseados em escalas anunciadas pelos
transmissores. As escalas são obtidas pela troca de informações locais de sua
vizinhança de dois hops e são transmitidas para especificar quais nós serão
os respectivos receptores de seu tráfego em ordem cronológica. O TRAMA
alterna entre acessos aleatórios e escalonados para acomodar mudanças de
topologia, permitindo adição de nós rede e tolerância à falhas.
Protocolo Trama
– NP (Neighbor Protocol): responsável pela propagação e
atualização de informações sobre seus vizinhos de um
hop. As atualizações são incrementais e permitem
determinar o conjunto de vizinhos que serão
adicionados ou removidos.
– SEP (Schedule Exchange Protocol): permite que os nós
troquem informações e escalas da vizinhanc¸a de dois
hops.
– AEA (Adaptive Election Algorithm): utiliza as
informações da vizinhança e de suas escalas para
selecionar transmissores e receptores para o intervalo
de tempo atual, enquanto os outros nós selecionam o
modo de repouso (sleep).
Protocolo “Post-Facto” Clock
Sync
• Os relógios começam dessincronizados;
• Um receptor espera uma série de eventos ocorrerem em um
agente relevante;
• Localmente, o sensor marca com um “timestamp” cada
evento relevante, que depois é enviado a base juntamente
com informações dos eventos ocorridos.
• Após receber a notificação do sensor, a base envia o seu
“timestamp” de volta para o sensor para que o mesmo se
reconfigure ( nem sempre o sensor pode receber ).
• A Base recalcula os verdadeiros “timestamp”s dos eventos.
Topologias
• Point to Point, Multidrop, Web
– Como não há cabeamento, as diferentes
topologias dependem muito da posição “real”
dos nós em relação aos outros e não de “com
quem estão conectados”
– A preocupação mais freqüente com relação a
topologia das redes wireless é sempre a colisão
e em segundo lugar, a distância entre os nós.
Topologia
• Point to Point
• Nessa topologia, cada sensor
tem um canal único com o
servidor, por exemplo, cada
sensor envia sinais por uma
freqüência única, e o Host deve
ser capaz de receber sinais em
várias freqüências ao mesmo
tempo.
•Não há colisões durante as
transmissões
Topologia
• Multidrop
• Nessa topologia, todos os
sensores se comunicam com o
Host pelo mesmo canal ( ou
freqüência )
• Nesse caso ocorrem colisões
e os protocolos tem que tratar
delas
Topologia
• Web
• Nessa topologia, todos os nós
estão potencialmente conectados
com todos os outros. Mas algumas
conexões podem ser eliminadas
com roteadores e “grupos” de nós
separados de outros. A World
Wide Web é um exemplo dessa
topologia. Nesse caso tambpem
ocorrem colisões
Arquiteturas - Hardware
Arquitetura de hardware
Tipos de sensores
Temperatura, Pressão e Umidade do ar.
Utilizados em coletas para previsões meteorológicas e também para monitoração de umidade
de plantações e etc.
Rádio
Capta sinais de rádio de uma determinada banda
Infravermelho
Capta as freqüências de luz infravermelho
Infra-sônica
Capta as freqüências geradas pelas explosões atômicas atmosféricas
Sísmica
Nas detonações subterrâneas, são geradas ondas que causam tremores de terra, reconhecidos por
sensores sísmicos.
Radionuclídeo
Identifica a radiação dos testes nucleares por meio das reações químicas liberadas pela fissão
nuclear.
Hidroacústica
São sensores sensíveis à energia liberada pelas ogivas nucleares explodidas no fundo do mar.
Freqüência Alocada
Software
• Sistemas
–
–
–
–
–
TinyOS
TinyGals
Maté
CotsBots
Calamari
Algorítmos
• Deploy
– Biggest empty circle
– Add new node and get biggest cover
• Estatística
– Limpeza de dados “com sujeira”
Aplicações
• Monitoração de espécies
Aplicações
• Detecção de “SNIPERS”
Aplicações
• Detecção de explosão de artefato nuclear
O IMS, desenhado por
cientistas da ONU
(Organização das Nações
Unidas), conta com 321
sensores espalhados por
pontos estratégicos da
Terra - sete deles no
Brasil, pode detectar
explosões de 1k ton em
qualquer parte do planeta
Preços
Receptor FM
RX-5000
433,92 MHz
10,8 x 9,53 mm
US$ 11,00
Preços
Transmissor FM
TX-6000
916,5MHZ
10,2 x 7,06mm
US$ 7,50