Neste artigo, veremos o que é uma plataforma WSN, e quais são as suas características e topologias. Também veremos uma Rede de Sensores sem Fio da National Instruments.
Nota:: Artigo publicado na Revista Saber Eletrônica 463 de julho/agosto de 2012.
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, que 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.
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.
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 protocolo.
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-o 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 ou aumentam a velocidade do processador.
Tal qual a escolha do rádio, trade off 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 1W, enquanto em operação o consumo pode variar de 8 a 500 mW.
