Wireless Sensor Networks

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Wireless Sensor Networks
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Introdução

• Rede de Sensores Sem Fio
• Muitos nós coletores de baixo custo
• Um ou alguns nós base

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Classificação
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Protocolos

• S-MAC
• ARC
• T-MAC
• DE-MAC
• TRAMA
• Post-Facto Clock Sync

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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).

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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.

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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.

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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.

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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.

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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 vizinhanca
  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).

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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 timestamps dos
  eventos.

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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.

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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

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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

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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

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Arquiteturas - Hardware
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Arquitetura de hardware
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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.

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Freqüência Alocada
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Software

• Sistemas
• TinyOS
• TinyGals
• Maté
• CotsBots
• Calamari

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Algorítmos

• Deploy
• Biggest empty circle
• Add new node and get biggest cover
• Estatística
• Limpeza de dados com sujeira

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Aplicações

• Monitoração de espécies

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Aplicações

• Detecção de SNIPERS

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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
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Preços

• Receptor FM
• RX-5000
• 433,92 MHz
• 10,8 x 9,53 mm
• US 11,00

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Preços

• Transmissor FM
• TX-6000
• 916,5MHZ
• 10,2 x 7,06mm
• US 7,50