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O que é uma Rede de Sensores sem Fio? (TEL175)

este artigo de julho de 2012 veremos o que é uma plataforma WSN, e quais são as suas características e topologias.Também veremos uma Rede de sensores sem fio baseados em documentação da National Instruments.

Uma rede de sensores sem fio (Wireless Sensor Network) é uma rede sem fio que consiste de dispositivos autônomos distribuídos espacialmente, os quais utilizam sensores para monitorar condições físicas ou ambientais.

Estes dispositivos autônomos, ou nós, são utilizados com roteadores e um gateway para criar um típico sistema WSN. Os nós de medição distribuídos comunicam-se (sem fio) com um gateway central o qual fornece uma conexão ao mundo cabeado onde você pode medir, processar, analisar e apresentar seus dados coletados.

Para aumentar a distância e a confiabilidade de uma rede de sensores sem fio, você pode utilizar roteadores para um link adicional de comunicação entre os nós finais e o gateway.

As redes de sensores sem fio da National Instruments oferecem confiabilidade, com nós de medição de baixa potência que operam por até três anos com 4 pilhas AA e podem ser utilizados por um longo prazo, operando remotamente.

O protocolo NI WSN, baseado nas tecnologias IEEE 802.15.4 e ZigBee, fornece um padrão de comunicação de baixa potência que possui capacidades de roteamento de malha para aumentar a distância e a confiabilidade da rede

O protocolo sem fio que você seleciona para sua rede depende dos requisitos de sua aplicação. Para aprender mais sobre outras tecnologias sem fio para sua aplicação, Veja o artigo ”Selecting the Right Wireless Technology".

Aplicações WSN A monitoração integrada abrange várias áreas de aplicação, incluindo aquelas em que limitações de potência ou infraestrutura fazem uma solução cabeada apresentar um custo alto, desafiador, ou quase impossível.

Você pode posicionar redes de sensores sem fio junto com sistemas cabeados para criar um sistema de medição e controle completo, cabeado e sem fio.

Um sistema WSN é ideal para uma aplicação como monitoração ambiental, cujos requisitos exigem aquisição de dados por longos prazos para realizar medições de características da água, do solo ou do clima.

Para utilidades como rede elétrica, iluminação pública e distribuição de água, sensores sem fio oferecem um método de baixo custo para coletar dados sobre a saúde do sistema, reduzir o consumo de energia e melhorar o gerenciamento de recursos.

No monitoramento de saúde de estruturas, você pode utilizar sensores sem fio para monitorar efetivamente rodovias, pontes e túneis. Você também pode implantar esses sistemas para monitorar continuamente edifícios comerciais, hospitais, aeroportos, fábricas, usinas de energia e instalações de produção. Veja a figura 1.

 

Figura 1 – Aplicações
Figura 1 – Aplicações

 

 

Arquitetura de um Sistema WSN

Em uma arquitetura WSN comum, os nós de medição são implantados para adquirir medidas como as de temperatura, tensão ou mesmo de oxigênio dissolvido.

Os nós são parte de uma rede sem fios administrada pelo gateway, que governa aspectos da rede como autenticação de cliente e segurança de dados.

O gateway coleta os dados medidos em cada nó e os envia através de uma conexão cabeada, tipicamente Ethernet, para uma controladora host.

Nesta controladora, um software como a plataforma de programação gráfica NI LabVIEW pode fornecer processamentos e análises avançadas e apresentar seus dados em um estilo que atenda suas necessidades.

Observe um exemplo de arquitetura de rede na figura 2.

 

Figura 2 – Exemplo de arquitetura
Figura 2 – Exemplo de arquitetura

 

 

Padrões de Potência e Rede

Um nó de medição WSN contém vários componentes incluindo o rádio, a bateria, o microcontrolador, o Circuito analógico, e a interface com o sensor.

Em sistemas energizados por baterias, você deve checar constantemente a condição das mesmas e substituí-las quando necessário, pois maiores taxas de dados e uma utilização mais frequente do rádio consomem mais energia.

Atualmente, baterias e tecnologias de gestão de energia evoluem continuamente devido à extensa pesquisa.

Em aplicações WSN é Comum a necessidade de três anos de vida das baterias, portanto, muitos destes sistemas hoje são baseados em protocolos ZigBee ou IEEE 802.15.4 devido ao seu baixo consumo de energia.

O protocolo IEEE 802.15.4 define as camadas de controle de acesso médio e físico no modelo de rede, fornecendo Comunicação nas bandas 868 a 915 MHz e 2,4 GHz ISM, além de taxa de dados de até 250 kb/s.

O ZigBee é projetado para atuar sobre as Camadas do 802.15.4 para fornecer segurança, confiabilidade através de topologias de rede em malha, e interoperabilidade com outros dispositivos e padrões.

O ZigBee também permite aplicação de objetos definidos pelo usuário, ou perfis, que fornecem personalização e flexibilidade Com o protoco10.

Além dos requisitos de vida longa, você deve considerar o tamanho, o peso, e a disponibilidade das baterias, bem como as normas internacionais para seu embarque.

O baixo custo e grande disponibilidade das baterias alcalinas e de zinco- carbono fazem delas uma escolha comum.

Técnicas de coleta de energia também estão se tornando mais comuns em redes de sensores sem fio. Com dispositivos que utilizam células solares ou coletam calor de seu ambiente, você pode reduzir ou mesmo eliminar a necessidade de fornecimento de energia através de baterias.

 

Tendências do Processador

Para prolongar a Vida das baterias, um nó WSN acorda periodicamente para adquirir e transmitir dados, ligando o rádio e depois desligando para conservar energia.

O rádio WSN deve transmitir de maneira eficiente um sinal e permitir que o sistema volte a dormir, realizando isso com um mínimo consumo de potência.

Do mesmo modo, o processador também deve ser capaz de acordar, energizar-se e voltar a dormir de modo eficiente. As tendências de tecnologias de microprocessadores para WSNS incluem redução do consumo de energia enquanto mantêm 4 ou aumentam a velocidade do processador.

Tal qual a escolha do rádio, trade of de consumo de energia e velocidade de processamento é uma preocupação fundamental na seleção de um processador para WSN Isto faz Com que arquiteturas PowerPC e baseadas em ARM sejam uma opção não indicada para dispositivos alimentados por baterias.

Uma opção mais comum de arquitetura inclui o TI MSP430 MCU, que foi projetado para operação de baixa potência. Dependendo do processador específico, o consumo de energia no sleep mode pode Variar de 1 a 50 uW, enquanto que em operação o consumo pode Variar de 8 a 500 mW.

 

Topologias de Rede

Você pode utilizar várias topologias de rede para coordenar o gateway WSN, os nós finais e os nós roteadores. Estes últimos são similares aos nós finais, já que podem adquirir dados de medição, mas você também pode utilizá-los para transmitir dados medidos ao longo de outros nós.

A primeira e mais básica topologia é a estrela (star), na qual Cada nó mantém uma única via de comunicação direta com o gateway. Esta topologia é simples, mas restringe a distância total que sua rede pode alcançar.

Para aumentar a distância que uma rede pode alcançar, Você pode implementar uma topologia cluster ou árvore. Nesta arquitetura mais complexa, cada nó mantém um único caminho para o gateway, mas pode utilizar outros nós para rotear os dados ao longo desse caminho.

Entretanto, esta topologia apresenta uma desvantagem: se um nó roteador perder a comunicação, todos os nós que dependem desse nó roteador perderão sua via de comunicação com o gateway.

A topologia "rede de malha” remedia este problema utilizando vias de comunicação redundantes para aumentar a confiabilidade do sistema. Em uma rede de malha, os nós mantêm múltiplas vias de comunicação com o gateway, de modo que, se um nó roteador perder a comunicação, a rede automaticamente redireciona os dados por um caminho diferente.

A topologia de malha, embora muito confiável sofre de um aumento na latência da rede, pois os dados devem fazer múltiplos saltos antes de Chegarem ao gateway.

Veja as três topologias de redes na figura 3.

 

Figura 3 – as topologias
Figura 3 – as topologias

 

Vantagem da rede de sensores sem fios da Nl.

Com a plataforma WSN da National Instruments, Você pode personalizar e melhorar uma típica arquitetura WSN para criar um Completo sistema de medição, cabeado e sem fios, para sua aplicação.

A integração dos softwares da NI fornece a flexibilidade para escolher um controlador host baseado em Windows para seu sistema WSN ou um controlador host de tempo real como o NI CompactRIO, dando-lhe a possibilidade de integrar E/S reconfiguráveis com suas medições sem fios.

Com ambos os controladores host, você pode utilizar o LabVIEW e o software NI-WSN com integração ao projeto no LabVIEW e programação ”clique e arraste” para Configurar facilmente seu sistema WSN, de modo a extrair dados de alta qualidade de suas medições, fornecer análises e apresentar seus dados.

Além disso, a integração Com LabVIEW oferece a possibilidade de ampliar a conectividade de sua aplicação WSN e o nível de dados por todo Caminho através da internet para o Cliente final como um iPhone ou um laptop.

Você pode utilizar esta arquitetura de sistema completa para adquirir dados de praticamente qualquer lugar com uma rede de sensores sem fio da NI, processá-los e armazená-los em um servidor, e depois acessar os dados convenientemente e remotamente a partir de um dispositivo inteligente sem fio.

Para aprender mais sobre as opções em sistemas de medição WSN, Veja o artigo NI WSN Measurement Systems.

(Publicado originalmente em Julho/Agosto 2012)

 

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