Wireless Sensor Networks

1. Wireless Sensor Networks

2. Introdução • Rede de Sensores Sem Fio • Muitos nós coletores de baixo custo • Um ou alguns nós “base”

3. Classificação

4. Protocolos • S-MAC • ARC • T-MAC • DE-MAC • TRAMA • “Post-Facto” Clock Sync

5. Protocolo S-MAC • Colisões: DCF (Distributed Coordination Function), usando um diálogo de comunicação RTS-CTS-DATA-ACK. 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%).

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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).

11. 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.

12. 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.

13. 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

14. 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

15. 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

16. Arquiteturas - Hardware

17. Arquitetura de hardware

18. 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.

19. Freqüência Alocada

20. Software • Sistemas • TinyOS • TinyGals • Maté • CotsBots • Calamari

21. Algorítmos • Deploy • Biggest empty circle • Add new node and get biggest cover • Estatística • Limpeza de dados “com sujeira”

22. Aplicações • Monitoração de espécies

23. Aplicações • Detecção de “SNIPERS”

24. 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

25. Preços Receptor FM RX-5000 433,92 MHz 10,8 x 9,53 mm US$ 11,00

26. Preços Transmissor FM TX-6000 916,5MHZ 10,2 x 7,06mm US$ 7,50