2006 IBERSENSOR`s paper template
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Montevideo, 27-29 de setiembre de 2006 IBERSENSOR 2006 Monitoramento Ambiental de Salas Limpas através do uso de Redes de Sensores Sem Fio I. Roca1, F. Cabrini1, J. Esquiagola1, J. Paredes1, F. Morais1, J. Lieutaud1, S. Kofuji1 1 Laboratório de Sistemas Integráveis – Universidade de São Paulo Av. Prof. Luciano Gualberto, Trav. 3, nº. 158. Cidade Universitária São Paulo - Brasil *Ivan Roca, +5511-30919741, [email protected] Abstract Recent advances in embedded computing systems have led to the emergence of wireless sensor networks, consisting of small, battery-powered “motes” with limited computation and radio communication capabilities. Wireless Sensors Networks combine processing, sensing and communication into small embedded devices. This work presents the experimental use of a wireless sensor network for monitoring controlled environments. The Clean Room of the Integrated Systems Laboratory is our environment to be controlled. We are using UC Berkeley motes as the sensor nodes, called Mica2dot. The network was configured in continuous dissemination mode in order to collect temperature data in several points of the clean room. The results show the disturbance of the signal propagation in this kind of environment due to sources of noise and physical barriers. Keywords: Wireless Sensor Networks, Environmental monitoring, Clean Room. Introdução O grande avanço das redes de computadores sem fio está revolucionando a maneira das pessoas interagirem umas com as outras. Um novo horizonte que está surgindo são as Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) que ganham maior visibilidade a cada ano e tornam-se cada vez mais imprescindíveis nas mais diversas aplicações 0[2]. Atualmente a indústria está avançando na implementação de RSSF que possam operar em ambientes de produção de forma a oferecerem vantagens no processo produtivo. Novos sensores e atuadores baseados em sistemas micro eletromecânicos também conhecidos por MEMS, estão sendo desenvolvidos pelos laboratórios ao redor do mundo e fornecem soluções para aplicações específicas. As RSSF são redes compostas por um grande número de pequenos dispositivos com capacidade de processamento, comunicação sem fio e sensoriamento. Exemplos típicos incluem sensores de temperatura, luz, som e umidade. Os dados a respeito do ambiente são transmitidos através de um canal de transmissão sem fio até o ponto de acesso (PA). Muitas aplicações têm sido propostas para RSSF e muitas dessas têm requisitos específicos de qualidade de serviço (QoS – Quality of Service). Alguns exemplos de aplicações para RSSF podem ser vistos a seguir: aplicações militares [3], monitoramento de ambientes [4][5], detecção de incêndios em florestas [6], aplicações na área da saúde, como o monitoramento de sinais vitais [7]. ISBN: 9974-0-0337-7 Deseja-se que a RSSF seja eficiente em termos de consumo de energia e, além disso, os protocolos devem ser projetados para garantir um certo nível de resistência a falhas, ou seja, quando um nó sensor falhar, a rede se auto reconfigura de forma a manter o serviço em funcionamento. Os sistemas operacionais para RSSF devem integrar a conectividade sem fio e as funcionalidades necessárias a aplicação levando em conta o mínimo consumo de energia. O monitoramento de ambientes controlados representa uma possibilidade para a utilização das RSSF, podendo gerar grandes benefícios para a comunidade cientifica e industrial. O efeito das RSSF no monitoramento de ambientes controlados pode ser aprimorado através da análise dos processos que são realizados nesses ambientes. Este trabalho apresenta o uso experimental de uma RSSF no monitoramento de ambientes controlados, e o ambiente escolhido para os testes foi a sala de processos do Laboratório de Sistemas Integráveis da Universidade de São Paulo. A temperatura foi o parâmetro ambiental escolhido, por se tratar de um parâmetro importante para o sucesso dos processos realizados neste tipo de ambiente. Através do monitoramento desta grandeza física é possível garantir a reprodutibilidade e a qualidade dos dispositivos construídos neste ambiente. Os nós sensores foram desenvolvidos pela Universidade de Berkeley e a versão utilizada nos testes foi o Mica2dot [15]. 1/7 Montevideo, 27-29 de setiembre de 2006 IBERSENSOR 2006 Estado da arte Plataforma de Software As diferentes plataformas de hardware e software em RSSF para monitoramento de ambientes controlados e alguns trabalhos relacionados: Sistema Operacional TinyOS O TinyOS foi desenvolvido pela Universidade de Berkeley [10], sendo o sistema operacional mais utilizado em RSSF. Ele é compatível com as plataformas Mica, Telos e TmoteSky. O TinyOS é caracterizado por uma arquitetura baseada em componentes e eventos. Além disso, agrega o conceito de software livre. Plataformas de Hardware A família Mica foi desenvolvida pela Universidade de Berkeley como parte do projeto Smart Dust [14] e tem sido uma das plataformas de RSSF mais utilizadas no mundo, das quais são exemplos os descritos em [16][17]. Os Motes Mica, Mica2 e Mica2dot [15], são comercializados pela Crossbow Technology Inc. Os nós podem ser equipados com vários tipos de sensores, tais como: acelerômetros, magnetômetros acústicos, sensores de temperatura, luminosidade e pressão. O Mica2dot é um nó sensor de baixo consumo de energia, que utiliza o rádio CC1000 [18] para comunicação sem fio e possui um barramento de 19 pinos que permite conectar uma placa contendo um ou mais sensores. Essa placa adicional é denominada sensorboard. Esse nó sensor também possui uma memória flash externa de 512KBytes que serve como memória secundária para microprocessadores com pequena memória interna. O microcontrolador ATMEGA128L da Atmel trabalha com palavras de 8 bits, tem 128 KBytes de flash ROM, 4KBytes de SRAM e Conversor Analógico Digital de 10 bits. O Mica2dot é alimentado por uma bateria do tipo Coin de 3Volts. O TmoteSky desenvolvido pela Moteiv Corporation [20] é a última versão dos Motes de Berkeley sendo compatível com o TelosB que é desenvolvido pela Crossbow Technology Inc [19]. Estes dispositivos utilizam um sistema de rádio diferenciado, conhecido como IEEE802.15.4 ou popularmente ZigBee. Esse sistema de rádio trabalha na faixa de freqüência de 2.4 GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical), e proporciona taxas de transmissão na ordem de 250 Kbps. Os dispositivos utilizam o chip CC2420 desenvolvido pela Chipcon [18]; esse sistema de rádio trabalha com a modulação QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) através do DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Os microcontroladores escolhidos para compor essas duas plataformas foram os da família MSP430x1xx fabricados pela Texas Instruments. Esses microcontroladores são de 16 bits e operam na freqüência de 8MHz. ISBN: 9974-0-0337-7 Trabalhos Relacionados O projeto Great Duck [16] apresenta o monitoramento do comportamento dos pássaros realizado na Ilha Great Duck no Maine, USA. Os nós sensores Mica2, num total de 32 nós, são equipados com sensores infravermelhos; o tipo de rede implementada utiliza múltiplos saltos. A rede conta com um nó sensor atuando como gateway. O computador é conectado a um sistema de dados back-end através de uma ligação por satélite. O projeto INSIGTH [24] apresenta o monitoramento de diversas grandezas físicas através da Internet: o controle da temperatura, umidade e iluminação de um ambiente controlado. Os objetivos do projeto são eficiência de energia, telecontrole, reconfiguração, facilidade da distribuição e confiabilidade. Os resultados foram obtidos numa estufa. Para o monitoramento foram utilizados quatro nós TmoteSky e um gateway. O projeto Vineyard Computing apresenta a utilização de uma RSSF para o monitoramento das condições ambientais de um vinhedo localizado no Oregon, USA. Esta rede conta com 60 nós e está distribuída na plantação para monitorar as condições do crescimento das parreiras de uva, através do monitoramento da temperatura e umidade [25]. Roteamento em RSSF As RSSF podem ser consideradas como uma subclasse das redes Ad-Hoc ou MANET (Mobile AdHoc NETworks), devido a alguns aspectos peculiares a esta tecnologia. Um aspecto importante está relacionado diretamente com a durabilidade das fontes de energia, pois se trata de um recurso finito, visto que estas redes têm um tempo de vida que pode ser predeterminado. Outro agravante é o fato de os dispositivos serem colocados em ambientes externos, ficando expostos a diversos fenômenos ambientais que podem prejudicar o seu funcionamento. Ações de vandalismo também se tornam um problema para os nós expostos no ambiente de monitoramento, prejudicando a comunicação dos dados. A grande parte das aplicações que utilizam RSSF está norteada 2/7 Montevideo, 27-29 de setiembre de 2006 para configurações com características estacionárias, diferenciando estas redes das tradicionais redes AdHoc. O roteamento pode ser centrado em endereços ou em dados. A abordagem mais recente, aponta para o fato de que a agregação ou fusão dos dados reduz a quantidade de pacotes na rede, reduzindo o consumo de energia [9]. As RSSF baseadas no sistema operacional TinyOS [10] não utilizam um esquema de endereçamento completo como é o caso das redes baseadas no protocolo IP (Internet Protocol) utilizado nas redes Ad-Hoc tradicionais. A escassez de recursos numa RSSF reforça a necessidade de um esquema de endereçamento simplificado, que tenha como finalidade a redução dos pacotes que são enviados pela rede. A quantidade de memória RAM necessária para armazenar as informações de roteamento também é caracterizada como crítica. Os nós sensores são configurados com identificadores únicos na grande maioria das aplicações, tendo como raiz o PA. A entrega de dados pode ser classificada como contínua, por eventos, iniciada remotamente ou híbrida. Esses modelos estão relacionados com a comunicação dos nós sensores em relação ao PA [11]. Os principais tipos de fluxo de dados utilizados em RSSF são: flooding, unicast, multicast e convergecast [12]. O roteamento pode ser dividido em três categorias: o roteamento plano onde os nós pertencem à mesma hierarquia; o roteamento hierárquico que apresenta dois tipos de nós: os nós responsáveis pela coleta de dados e os nós responsáveis pela fusão e reenvio das informações; o roteamento geográfico que utiliza informações a respeito da localização geográfica dos nós sensores [9]. Protocolo de Roteamento TinyOS Beaconing O protocolo de roteamento TOSB é utilizado como padrão nas aplicações que acompanham o sistema operacional TinyOS [10]. Um exemplo de aplicação que utiliza este protocolo é o Surge. Essa aplicação captura os dados gerados pelo foto sensor e os envia para o ponto de acesso através de múltiplos saltos. Esses dados são enviados para processamento externo através da UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter). O TOSB constrói periodicamente uma estrutura de roteamento baseada no menor caminho, criando rotas que partem dos nós sensores em direção ao nó raiz. O protocolo utiliza o processo de inundação conhecido também como flooding para enviar os pacotes. ISBN: 9974-0-0337-7 IBERSENSOR 2006 O nó raiz envia um pacote de broadcast denominado beacon através da rede. Os nós sensores utilizam esse pacote para determinar a sua distância em relação ao nó raiz. Os vizinhos diretos do nó raiz ao receberem o pacote beacon são identificados como nós a um salto de distância. Ao repassarem seus pacotes, adicionam sua identificação e distância em relação ao nó raiz. Os nós que receberam esses pacotes utilizam as informações para enviar os dados ao nó raiz. Os pacotes beacon atingem todos os destinos da rede através desse processo. O TOSB seleciona as rotas levando em conta o número de pacotes enviados com sucesso pelos seus vizinhos diretos [13]. Este protocolo de roteamento foi o escolhido, pois é o protocolo padrão do TinyOS. Protocolo de Roteamento PROC O PROC (Proactive ROuting with Coordination) [11] é um protocolo de roteamento utilizado em redes de disseminação contínua de dados, apresenta uma característica interessante, pois se trata de um protocolo pró-ativo o qual permite interação entre a aplicação e o protocolo de roteamento, melhorando o seu desempenho em comparação a outros protocolos de roteamento. A topologia no formato de árvore tem o PA como raiz, os nós coordenadores como a junção dos galhos e por fim os nós folhas nas extremidades. Os dados coletados pelos nós sensores são enviados para a raiz através do backbone. Para construir o backbone, os nós utilizam informações obtidas de seus vizinhos. Essas informações são obtidas das mensagens de controle do roteamento, que contêm o estado do nó emissor. A construção do backbone é feita em duas partes. Na primeira parte chamada de eleição dos coordenadores, cada nó executa uma rotina para verificar se atuarão como coordenador ou não. Na segunda parte, chamada de complementação do backbone, os nós coordenadores podem indicar outros nós para se integrarem ao backbone, caso este não esteja completamente formado. Este processo é executado periodicamente, reconstruindo o backbone, podendo haver revezamento de coordenadores. Arquitetura do Sistema Esta seção descreve a arquitetura da RSSF utilizada e caracteriza o ambiente de testes. 3/7 Montevideo, 27-29 de setiembre de 2006 Sala Limpa O conceito de sala limpa, de acordo com a norma U.S. Federal Standard 209e [8] se refere a um local em que a concentração de partículas transportadas via aérea é controlada e que contenha uma ou mais zonas limpas, que são espaços definidos em que a concentração de partículas transportadas pelo ar é determinada pelo número máximo de partículas em suspensão encontradas em 1 pé cúbico de ar. A sala em questão possui uma área útil de 70m2, onde o número de particulados em suspensão está próximo a 10.000 partículas por pé cúbico. Os nós sensores foram alimentados por duas pilhas tipo AA, totalizando 3.0 Volts. O seu posicionamento foi escolhido de tal forma que cobrissem toda a extensão da sala, evitando estar próximos dos dutos de ar que resfriam a sala limpa, pois gerariam dados falsos de temperatura ambiente. Na sala também havia equipamentos que têm grande interferência na temperatura. Próxima ao mote 4, havia uma bomba difusora, que faz uso de nitrogênio líquido (77 Kelvin). O mote 2 estava próximo de fornos de alta temperatura, que podem alcançar até 1400°C. A Figura 1 ilustra a disposição dos nós sensores na sala limpa. IBERSENSOR 2006 da sala. Este fator, em conjunto com a distância entre um nó e a base, é crucial para o estudo sobre a perda de pacotes enviados. A distância entre os nós e a base também é um fator importante para a escolha de como se fará o roteamento dos sensores. Na Tabela 1, é dada a relação dessas distâncias e das alturas dos nós e da base. Tabela 1: Relação das distâncias entre os nós e a base e da altura dos nós e da base Dispositivo PA Altura 0,95(2)m Distância - Mote 1 1,50(2)m 6,1(1)m Mote 2 Mote 3 Mote 4 1,70(2)m 1,65(2)m 1,75(2)m 8,2(1)m 5,1(1)m 3,3(1)m Rede Podemos classificar a RSSF em questão como sendo uma rede de composição homogênea, de organização plana, estacionária, com densidade balanceada e distribuição irregular. A rede em estudo coleta dados em tempo real e a disseminação dos dados é feita no regime contínuo. O tipo de comunicação entre os nós é assimétrico, pois os nós estão posicionados em regiões distintas que não estão a uma mesma distância. A transmissão dos dados entre os nós é feita no modo half-duplex e a alocação do canal de transmissão é definida como dinâmica. O fluxo de informações é do tipo convergecast sendo necessário à presença do protocolo de roteamento com múltiplos saltos. Esta classificação segue as recomendações apresentadas na referência [9]. A aplicação Surge foi modificada para monitorar a temperatura e foi ajustada para forçar os nós a trabalharem com a potência do sistema de rádio em -20dBm. Resultados Figura 1: Esquema da sala limpa com nós sensores Implementação Os nós sensores também estavam sujeitos a barreiras físicas, como as divisórias da sala limpa ou os próprios equipamentos, dispostos em toda a extensão ISBN: 9974-0-0337-7 A variação da temperatura ambiente nas quatro regiões de monitoramento pode ser observada na Figura 2. O teste teve a duração de vinte e quatro horas, tendo início às 12h00 e finalizando no outro dia no mesmo horário. Durante o período de inatividade pode ser observada uma diminuição da temperatura ambiente, e uma elevação da temperatura nas proximidades do sensor número dois, devido à utilização dos fornos no período de atividade. Os valores obtidos pela RSSF foram comparados com os dados fornecidos pelos termômetros localizados no interior da sala de processos. A Figura 3, apresenta uma redução do número de pacotes recebidos do nó dois. Fenômenos como a distância, reflexão, multi-path e interferências 4/7 Montevideo, 27-29 de setiembre de 2006 IBERSENSOR 2006 Variação da Temperatura da Sala Limpa Mica2dot 1 Mica2dot 2 Mica2dot 3 Mica2dot 4 24 o Temperatura ( C) 25 Período de Inatividade 23 sistema de rádio e configuramos a mesma taxa de transmissão de pacotes em ambos os casos. A Figura 5, apresenta a comparação entre o dois protocolos, onde o número de pacotes recebidos pela aplicação que utilizava o protocolo PROC foi menor e não homogênea. A aplicação que utilizava o protocolo TOSB apresentou um número maior de pacotes recebidos na base com uma distribuição por nó mais homogênea. Monitoramento de Temperatura Utilizando Protocolo de Roteamento 14400 Número de Pacotes Recebidos eletromagnéticas, podem ter contribuído para a degradação do sinal transmitido nesse enlace, aumentando assim o número de pacotes perdidos. Esse teste foi realizado sem a presença do protocolo de roteamento TinyOs Beaconing, onde os nós enviaram os seus dados através de broadcast de forma atingir o PA diretamente. O teste realizado para analisar o efeito do protocolo de roteamento TOSB mostrou que o número de pacotes por nó é mais homogêneo nessa configuração, embora tenha ocorrido uma redução do número de pacotes enviados pelo nó número 2, como pode ser observado na Figura 4. 14200 14100 14000 Mica2dot 1 22 Mica2dot 2 Mica2dot 3 Mica2dot 4 Plataformas Mica2dot Figura 4: Número de pacotes recebidos 21 20 Tempo (s) Figura 2: Variação da temperatura na Sala Limpa A potência do sistema de rádio foi ajustada para 20dBm com a finalidade de reduzir o consumo de energia ao máximo. Nessa configuração o sistema de rádio consome 8,6 mA. 800 700 Pacotes perdidos 14300 600 500 400 O PROC efetuou o roteamento no ambiente da sala limpa trabalhando com a mesma potência de transmissão e com o mesmo posicionamento dos nós. O roteamento ocorreu devido a suas características de funcionamento descritas em [11]. O TOSB não efetuou o roteamento, pois o pacote beacon atingiu todos os nós presentes no ambiente, fazendo com que os nós entregassem os dados diretamente à base. Porém observamos que neste ambiente de testes a aplicação baseada no PROC consumiu mais energia chegando em alguns casos a consumir 47% a mais que o TOSB. Observamos também que a base estava dentro da área de cobertura de todos os nós da sala, tendo como variação a intensidade do sinal transmitido por cada nó. 300 Comparação dos protocolos TOSB e PROC 200 14000 100 12000 Mica2dot 1 Mica2dot 2 Mica2dot 3 Mica2dot 4 Plataformas Mica2dot Figura 3: Pacotes perdidos durante o teste na Sala Limpa Outra análise realizada foi o estudo do comportamento do protocolo de roteamento PROC, que foi comparado ao TOSB através de um experimento realizado na sala limpa. Para ajustar os parâmetros do experimento foram realizadas modificações no código fonte dos protocolos. Ajustamos a mesma potência de transmissão do ISBN: 9974-0-0337-7 Pacotes Recebidos 0 10000 8000 6000 TOSB PROC 4000 2000 0 1 2 3 4 5 6 Plataforma Mica2dot Figura 5: Comparação entre os protocolos de roteamento 5/7 Montevideo, 27-29 de setiembre de 2006 Conclusões e trabalhos futuros A rede foi configurada no modo de disseminação contínua de dados com a finalidade de coletar informações em tempo real a respeito da temperatura ambiente em diversos pontos da sala. Foram avaliados o throughput e o consumo de energia dos nós. O experimento mostrou que a propagação das ondas de rádio neste tipo de ambiente é prejudicada por fontes de ruído e barreiras físicas existentes. Entretanto, a rede apresentou um funcionamento satisfatório com base na taxa de transmissão dos dados, devido à utilização do roteamento entre os nós. Observamos que o consumo de energia das baterias é menor quando o protocolo de roteamento TOSB é utilizado e o mesmo apresenta uma maior uniformidade na entrega dos pacotes, em relação aos dados obtidos como protocolo PROC. Nas condições do experimento podemos concluir que o protocolo TOSB entregou mais pacotes e apresentou uma distribuição por nó mais constante se comparado ao protocolo PROC no ambiente proposto. Como trabalho futuro, apresentamos o estudo do funcionamento destes protocolos na plataforma TmoteSky. Outra característica a ser estuda é a coexistência destas redes com as redes WLAN existentes. Esta proposta de trabalho pode estenderse em aplicações da indústria aeroespacial e farmacêutica. Referências [1] H. Karl and A. Willig, "A short survey of wireless sensor networks", TKN Technical Report TKN03-018, Technical University Berlin, October 2003. [2] F. L. Lewis, Wireless Sensor Networks, Automation and Robotics Research Institute. The University of Texas at Arlington. 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