Em uma Rede de Sensores Sem Fio, os nós sensores possuem quantidades limitadas de energia em suas baterias e, na maior parte das aplicações, essa energia é insubstituível. A utilização da energia de forma adequada é fator primordial para garantir um maior tempo operacional à rede.
As estações rádio base, por possuírem maior quantidade de energia que os nós sensores e estarem localizadas estrategicamente (permitindo a substituição das baterias), não possuem influência crítica no tempo de vida das WSN. Apesar disso, por não realizarem a tarefa de sensoriamento, mesmo que elas continuem a operar por mais tempo que os nós sensores, as estações rádio base, sozinhas, não são capazes de gerar nenhum dado útil do ponto de vista da aplicação.
O cômputo do consumo de energia em uma Rede de Sensores Sem Fio está associado às operações realizadas nos nós sensores que, de maneira geral, podem ser divididas em três estágios: sensoriamento, processamento e comunicação.
O estágio de sensoriamento consiste na conversão de um sinal físico/químico qualquer para um sinal elétrico (transdutor), condicionamento desse sinal e conversão analógico-digital. Tal estágio varia de rede para rede, conforme a natureza do sinal e a tecnologia utilizada no sensor presente nos nós, não podendo ser quantizada sem levar em consideração o hardware empregado.
Os sensores podem medir propriedades físicas (pressão, temperatura, umidade, fluxo), propriedades relacionadas ao movimento (posição, velocidade, aceleração),
propriedades de contato (força, tensão, torque, vibração), presença (toque, proximidade, distância, movimento), propriedades químicas (presença de gases e elementos dissolvidos em líquidos), propriedades bioquímicas (agentes biológicos) ou identificação (imagens). Cada tipo de sensor possui uma determinada tecnologia, característica de funcionamento e um gasto energético específico associado.
O estágio de processamento (ou de computação) representa a “inteligência” do nó sensor, envolvendo o microprocessador e as unidades de armazenamento (memórias voláteis e não voláteis). Nesse estágio o gasto energético está associado tanto ao componente de hardware empregado como ao software de gerenciamento e processamento do nó sensor.
O hardware do processador deve fornecer estados de baixa atividade (SLEEP, por exemplo), diminuindo o consumo de energia. Quanto maior a frequência do processador, maior o consumo de energia [SIL04]. O software, por sua vez, deve ser desenvolvido para realizar o mínimo de operações necessárias e acionar os outros dispositivos a menor quantidade de vezes possível e por tempo reduzido.
O estágio de comunicação é o que utiliza a maior quantidade de energia do nó [BHA06][SOH00]. O rádio (hardware) que estabelece a comunicação entre os nós deve possuir tecnologia de baixo consumo e o seu acionamento deve ser ponderado pelo software do sistema. Por isso, estratégias de comunicação eficientes devem ser estabelecidas entre os nós e entre os nós e a estação rádio base para que o gasto energético seja minimizado. A redução no número de transmissões e recepções realizadas, portanto, aumenta o tempo de vida da rede.
Uma das alternativas para reduzir o consumo energético dos nós sensores é alterar periodicamente o estado dos nós, deixando-os a maior parte do tempo em estados de baixo consumo energético. A Tabela 2.10 apresenta, como exemplo, alguns estados globais para nós sensores levando em consideração os estados dos componentes: microcontrolador, memória, sensores e conversores A/D e do rádio.
O estado TRANSMITING (TRANSMITINDO) e RECEIVING (RECEBENDO) são os que utilizam maior quantidade de energia, pois todos os componentes do sistema estão ativos para transmitir ou receber mensagens, respectivamente. O estado READY (PRONTO) é o estado do nó que permite a leitura dos dados dos sensores (e/ou conversores A/D), além de ser um estado que antecede a transmissão ou recepção de pacotes. O estado OBSERVING (OBSERVANDO) é o estado de escuta do meio, isto é, o rádio e os sensores são os únicos elementos ligados, estando o primeiro no estado de recepção de mensagens (RX). O estado STANDBY (PRONTIDÃO) é aquele reservado exclusivamente para sensoriamento, no qual todos os outros componentes estão dormindo ou desligados. O estado SLEEP (DORMINDO) é
Capítulo 2 Rede de Sensores Sem Fio o de baixo consumo, no qual o rádio e os sensores estão desligados e os componentes de controle (microcontrolador e memória) permanecem apenas com alguns módulos internos em execução e, geralmente, se reduz a frequência de execução de suas instruções. O último estado é o OFF (DESLIGADO), no qual nenhum dos componentes está em funcionamento.
Alguns rádios, como o CC2500 [CC_09], por exemplo, possuem os modos de operação IDLE e SLEEP, permitindo a formação de outros estados globais para o nó, mais pertinentes que o estado OFF em algumas situações em que se deseja reduzir o consumo de energia, mas sem prejudicar a escuta do meio.
Tabela 2.10 – Estados dos nós sensores e dos seus componentes [WAN04] 9
Estado do Nó Microcontrolador Memória Conversores A/D Sensores e Rádio
TRANSMITING ACTIVE ACTIVE ON TX
RECEIVING ACTIVE ACTIVE ON RX
READY IDLE SLEEP ON RX
OBSERVING SLEEP SLEEP ON RX
STANDBY SLEEP SLEEP ON OFF
SLEEP SLEEP SLEEP OFF OFF
OFF OFF OFF OFF OFF
A Figura 2.12 apresenta um exemplo de transição de estados dos nós sensores de acordo com os estados da Tabela 2.10. Ressaltar-se que a transição entre os estados também possui um gasto de energia e um tempo de latência associados, que devem ser considerados para não haver gastos excessivos pela simples troca de estado. O tempo em que o nó fica em determinado estado, além do seu consumo em cada estado, é, portanto, uma variável importante para se determinar se haverá de fato uma economia energética na mudança de estado do nó.
A periodicidade do sensoriamento realizado na rede também tem influência direta no consumo de energia da mesma. Redes com coleta de dados contínua utilizam mais energia
9 Os estados ACTIVE, IDLE, SLEEP e OFF, além de outros, podem ser definidos pela quantidade de módulos eletrônicos que estão ativos no componente, refletindo, assim, no consumo de energia total do componente. A definição de cada estado varia de acordo com o componente, mas de maneira geral, pode-se entender cada estado como se segue:
ACTIVE (ATIVO): Maior gasto de energia com todos os módulos do componente ligados, utilizando
toda a potência requerida pelo componente;
IDLE (INATIVO): Estado de baixo consumo energético, permanecendo alguns módulos de
processamento e memória ativos;
SLEEP (DORMINDO): Estado de menor consumo energético, permanecendo apenas os módulos de
controle do componente ligados;
que redes cuja política de sensoriamento é periódica ou reativa.
TinyOS
energia, alterando o estado dos seus componentes de acordo com a necessidade de suas utilizações.
dir
a de outros. A Figura 2.13 ilustra uma rede com doze nós sensores e uma estação rádio base, indicando a carga de roteamento de cada nó, isto é, a quantidade de nós se
dependem daquele nó para que seus pacotes sejam encaminhados para uma estação rádio base.
será o primeiro a “morrer”, pois toda vez que um dos nós da sub
transmitir um pacote, ele certamente passará pelo nó SN5. Assim, a carga da bateria dos nós que redes cuja política de sensoriamento é periódica ou reativa.
Alguns Sistemas Operacionais para Redes de Sensores Sem Fio como o TinyOS [TIN06], SOS [HAN05] e MANTIS [BHA05] já incluem módulos de gerenciamento de energia, alterando o estado dos seus componentes de acordo com a necessidade de suas utilizações.
Devido ao procedimento de roteamento de pacotes partindo dos nós sensores em direção às estações rádio base, a carga da bateria de alguns nós sensores terminam antes que a de outros. A Figura 2.13 ilustra uma rede com doze nós sensores e uma estação rádio base, indicando a carga de roteamento de cada nó, isto é, a quantidade de nós se
dependem daquele nó para que seus pacotes sejam encaminhados para uma estação rádio base.
Figura 2.13
Como o nó sensor SN5 possui a maior carga
será o primeiro a “morrer”, pois toda vez que um dos nós da sub
transmitir um pacote, ele certamente passará pelo nó SN5. Assim, a carga da bateria dos nós que redes cuja política de sensoriamento é periódica ou reativa.
Figura 2.12 –
Alguns Sistemas Operacionais para Redes de Sensores Sem Fio como o [TIN06], SOS [HAN05] e MANTIS [BHA05] já incluem módulos de gerenciamento de energia, alterando o estado dos seus componentes de acordo com a necessidade de suas Devido ao procedimento de roteamento de pacotes partindo dos nós sensores em eção às estações rádio base, a carga da bateria de alguns nós sensores terminam antes que a de outros. A Figura 2.13 ilustra uma rede com doze nós sensores e uma estação rádio base, indicando a carga de roteamento de cada nó, isto é, a quantidade de nós se
dependem daquele nó para que seus pacotes sejam encaminhados para uma estação rádio
Figura 2.13 – Carga de roteamento nos nós e desconexão de
Como o nó sensor SN5 possui a maior carga
será o primeiro a “morrer”, pois toda vez que um dos nós da sub
transmitir um pacote, ele certamente passará pelo nó SN5. Assim, a carga da bateria dos nós que redes cuja política de sensoriamento é periódica ou reativa.
– Transição entre estados dos nós sensores. Adaptado de [WAN04].
Alguns Sistemas Operacionais para Redes de Sensores Sem Fio como o [TIN06], SOS [HAN05] e MANTIS [BHA05] já incluem módulos de gerenciamento de energia, alterando o estado dos seus componentes de acordo com a necessidade de suas Devido ao procedimento de roteamento de pacotes partindo dos nós sensores em eção às estações rádio base, a carga da bateria de alguns nós sensores terminam antes que a de outros. A Figura 2.13 ilustra uma rede com doze nós sensores e uma estação rádio base, indicando a carga de roteamento de cada nó, isto é, a quantidade de nós se
dependem daquele nó para que seus pacotes sejam encaminhados para uma estação rádio
Carga de roteamento nos nós e desconexão de
Como o nó sensor SN5 possui a maior carga
será o primeiro a “morrer”, pois toda vez que um dos nós da sub
transmitir um pacote, ele certamente passará pelo nó SN5. Assim, a carga da bateria dos nós que redes cuja política de sensoriamento é periódica ou reativa.
Transição entre estados dos nós sensores. Adaptado de [WAN04].
Alguns Sistemas Operacionais para Redes de Sensores Sem Fio como o [TIN06], SOS [HAN05] e MANTIS [BHA05] já incluem módulos de gerenciamento de energia, alterando o estado dos seus componentes de acordo com a necessidade de suas Devido ao procedimento de roteamento de pacotes partindo dos nós sensores em eção às estações rádio base, a carga da bateria de alguns nós sensores terminam antes que a de outros. A Figura 2.13 ilustra uma rede com doze nós sensores e uma estação rádio base, indicando a carga de roteamento de cada nó, isto é, a quantidade de nós se
dependem daquele nó para que seus pacotes sejam encaminhados para uma estação rádio
Carga de roteamento nos nós e desconexão de sensor SN5.
Como o nó sensor SN5 possui a maior carga
será o primeiro a “morrer”, pois toda vez que um dos nós da sub
transmitir um pacote, ele certamente passará pelo nó SN5. Assim, a carga da bateria dos nós que redes cuja política de sensoriamento é periódica ou reativa.
Transição entre estados dos nós sensores. Adaptado de [WAN04].
Alguns Sistemas Operacionais para Redes de Sensores Sem Fio como o [TIN06], SOS [HAN05] e MANTIS [BHA05] já incluem módulos de gerenciamento de energia, alterando o estado dos seus componentes de acordo com a necessidade de suas Devido ao procedimento de roteamento de pacotes partindo dos nós sensores em eção às estações rádio base, a carga da bateria de alguns nós sensores terminam antes que a de outros. A Figura 2.13 ilustra uma rede com doze nós sensores e uma estação rádio base, indicando a carga de roteamento de cada nó, isto é, a quantidade de nós se
dependem daquele nó para que seus pacotes sejam encaminhados para uma estação rádio
Carga de roteamento nos nós e desconexão de sub sensor SN5.
Como o nó sensor SN5 possui a maior carga de roteamento da rede, certamente ele será o primeiro a “morrer”, pois toda vez que um dos nós da sub
transmitir um pacote, ele certamente passará pelo nó SN5. Assim, a carga da bateria dos nós que redes cuja política de sensoriamento é periódica ou reativa.
Transição entre estados dos nós sensores. Adaptado de [WAN04].
Alguns Sistemas Operacionais para Redes de Sensores Sem Fio como o [TIN06], SOS [HAN05] e MANTIS [BHA05] já incluem módulos de gerenciamento de energia, alterando o estado dos seus componentes de acordo com a necessidade de suas Devido ao procedimento de roteamento de pacotes partindo dos nós sensores em eção às estações rádio base, a carga da bateria de alguns nós sensores terminam antes que a de outros. A Figura 2.13 ilustra uma rede com doze nós sensores e uma estação rádio base, indicando a carga de roteamento de cada nó, isto é, a quantidade de nós se
dependem daquele nó para que seus pacotes sejam encaminhados para uma estação rádio
sub-rede em decorrência da falência do nó
de roteamento da rede, certamente ele será o primeiro a “morrer”, pois toda vez que um dos nós da sub-rede assinalada na Figura 2.13 transmitir um pacote, ele certamente passará pelo nó SN5. Assim, a carga da bateria dos nós
Transição entre estados dos nós sensores. Adaptado de [WAN04].
Alguns Sistemas Operacionais para Redes de Sensores Sem Fio como o [TIN06], SOS [HAN05] e MANTIS [BHA05] já incluem módulos de gerenciamento de energia, alterando o estado dos seus componentes de acordo com a necessidade de suas Devido ao procedimento de roteamento de pacotes partindo dos nós sensores em eção às estações rádio base, a carga da bateria de alguns nós sensores terminam antes que a de outros. A Figura 2.13 ilustra uma rede com doze nós sensores e uma estação rádio base, indicando a carga de roteamento de cada nó, isto é, a quantidade de nós se
dependem daquele nó para que seus pacotes sejam encaminhados para uma estação rádio
rede em decorrência da falência do nó
de roteamento da rede, certamente ele rede assinalada na Figura 2.13 transmitir um pacote, ele certamente passará pelo nó SN5. Assim, a carga da bateria dos nós
Transição entre estados dos nós sensores. Adaptado de [WAN04].
Alguns Sistemas Operacionais para Redes de Sensores Sem Fio como o [TIN06], SOS [HAN05] e MANTIS [BHA05] já incluem módulos de gerenciamento de energia, alterando o estado dos seus componentes de acordo com a necessidade de suas Devido ao procedimento de roteamento de pacotes partindo dos nós sensores em eção às estações rádio base, a carga da bateria de alguns nós sensores terminam antes que a de outros. A Figura 2.13 ilustra uma rede com doze nós sensores e uma estação rádio base, indicando a carga de roteamento de cada nó, isto é, a quantidade de nós sensores que dependem daquele nó para que seus pacotes sejam encaminhados para uma estação rádio
rede em decorrência da falência do nó
de roteamento da rede, certamente ele rede assinalada na Figura 2.13 transmitir um pacote, ele certamente passará pelo nó SN5. Assim, a carga da bateria dos nós Alguns Sistemas Operacionais para Redes de Sensores Sem Fio como o [TIN06], SOS [HAN05] e MANTIS [BHA05] já incluem módulos de gerenciamento de energia, alterando o estado dos seus componentes de acordo com a necessidade de suas Devido ao procedimento de roteamento de pacotes partindo dos nós sensores em eção às estações rádio base, a carga da bateria de alguns nós sensores terminam antes que a de outros. A Figura 2.13 ilustra uma rede com doze nós sensores e uma estação rádio base, nsores que dependem daquele nó para que seus pacotes sejam encaminhados para uma estação rádio
rede em decorrência da falência do nó
de roteamento da rede, certamente ele rede assinalada na Figura 2.13 transmitir um pacote, ele certamente passará pelo nó SN5. Assim, a carga da bateria dos nós
Capítulo 2
mais próximos às estações rádi
nós até aqueles que se encontram em posições mais distantes das estações rádio base. Buraco de Energia (E
heterogêneas, posicionando nós com maior quantidade de energia mais próximos às estações rádio base. Os trabalhos [SIC05] e [WU_06], com proposta de melhoramento no trabalho de mestrado [MIR11], apr
da eficiência da rede e muitas vezes considerados para auxiliar no prolongamento do seu tempo de vida. A perm
Energia de uma rede não garante que ela tenha um tempo de vida longo, mas indica que a distribuição energética ou uso energético está equilibrado. Tal homogeneidade no Mapa de Energia ao
energia foi perdida nos nós que restaram desconectados da rede.
Figura 2.14
abstração da rede, como no caso do grafo. O conhecimento desse mapa é pertinente apenas em simulações computacionais e, possivelmente, poderia se
rádio base. ítulo 2
mais próximos às estações rádi
nós até aqueles que se encontram em posições mais distantes das estações rádio base.
A forma proposta pelos autores para se contornar esse problema, conhecido como Buraco de Energia (E
heterogêneas, posicionando nós com maior quantidade de energia mais próximos às estações rádio base. Os trabalhos [SIC05] e [WU_06], com proposta de melhoramento no trabalho de mestrado [MIR11], apr
Comumente Mapas de Energia, como o da Figura 2.14, são utilizados para a análise da eficiência da rede e muitas vezes considerados para auxiliar no prolongamento do seu tempo de vida. A perm
Energia de uma rede não garante que ela tenha um tempo de vida longo, mas indica que a distribuição energética ou uso energético está equilibrado. Tal homogeneidade no Mapa de Energia ao longo da “vida” de uma WSN permite dizer que, ao seu término operacional, pouca energia foi perdida nos nós que restaram desconectados da rede.
Figura 2.14 – Exemplo do mapa de energia de uma Rede de Sensores Sem Fio. O valor máximo (100%)
Do ponto de vista de conhecimento da rede, o Mapa de Energia é uma outra abstração da rede, como no caso do grafo. O conhecimento desse mapa é pertinente apenas em simulações computacionais e, possivelmente, poderia se
rádio base.
mais próximos às estações rádi
nós até aqueles que se encontram em posições mais distantes das estações rádio base.
A forma proposta pelos autores para se contornar esse problema, conhecido como Buraco de Energia (Energy Ho
heterogêneas, posicionando nós com maior quantidade de energia mais próximos às estações rádio base. Os trabalhos [SIC05] e [WU_06], com proposta de melhoramento no trabalho de mestrado [MIR11], apresentam alguns arranjos de nós com cargas de baterias diferentes.
Comumente Mapas de Energia, como o da Figura 2.14, são utilizados para a análise da eficiência da rede e muitas vezes considerados para auxiliar no prolongamento do seu tempo de vida. A permanência de certa homogeneidade de distribuição energética no Mapa de Energia de uma rede não garante que ela tenha um tempo de vida longo, mas indica que a distribuição energética ou uso energético está equilibrado. Tal homogeneidade no Mapa de longo da “vida” de uma WSN permite dizer que, ao seu término operacional, pouca energia foi perdida nos nós que restaram desconectados da rede.
Exemplo do mapa de energia de uma Rede de Sensores Sem Fio. O valor máximo (100%) corresponde a
Do ponto de vista de conhecimento da rede, o Mapa de Energia é uma outra abstração da rede, como no caso do grafo. O conhecimento desse mapa é pertinente apenas em simulações computacionais e, possivelmente, poderia se
mais próximos às estações rádio base tendem a terminar primeiro e de forma progressiva pelos nós até aqueles que se encontram em posições mais distantes das estações rádio base.
A forma proposta pelos autores para se contornar esse problema, conhecido como nergy Hole), é a utilização de nós sensores com cargas de bateria heterogêneas, posicionando nós com maior quantidade de energia mais próximos às estações rádio base. Os trabalhos [SIC05] e [WU_06], com proposta de melhoramento no trabalho de
esentam alguns arranjos de nós com cargas de baterias diferentes.
Comumente Mapas de Energia, como o da Figura 2.14, são utilizados para a análise da eficiência da rede e muitas vezes considerados para auxiliar no prolongamento do seu anência de certa homogeneidade de distribuição energética no Mapa de Energia de uma rede não garante que ela tenha um tempo de vida longo, mas indica que a distribuição energética ou uso energético está equilibrado. Tal homogeneidade no Mapa de longo da “vida” de uma WSN permite dizer que, ao seu término operacional, pouca energia foi perdida nos nós que restaram desconectados da rede.
Exemplo do mapa de energia de uma Rede de Sensores Sem Fio. O valor máximo (100%) corresponde a energia máxima (inicial) de cada nó.
Do ponto de vista de conhecimento da rede, o Mapa de Energia é uma outra abstração da rede, como no caso do grafo. O conhecimento desse mapa é pertinente apenas em simulações computacionais e, possivelmente, poderia se
o base tendem a terminar primeiro e de forma progressiva pelos nós até aqueles que se encontram em posições mais distantes das estações rádio base.
A forma proposta pelos autores para se contornar esse problema, conhecido como ), é a utilização de nós sensores com cargas de bateria heterogêneas, posicionando nós com maior quantidade de energia mais próximos às estações