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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].
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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.
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