PLATAFORMA SYSTEMC PARA MODELAGEM DO CONSUMO DE ENERGIA EM NÓS DE REDES DE SENSORES SEM FIO.
I.M.D.SILVA2,M.VASILEVSKI1,E.F.QUEIROZ2,A.L.FONSECA3,S.Y.CATUNDA2,L.A.GUEDES2,M.S. DEUS2.
1Departamento de Engenharia Elétrica, UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
Caixa Postal 1524 - Campus Universitário Lagoa Nova, CEP 59078-970 | Natal/RN - Brasil E-mail: michel.vasilevski@gmail.com
2LIME – Lab. de Instrumentação e Microeletrônica, UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
Caixa Postal 1524 - Campus Universitário Lagoa Nova, CEP 59078-970 | Natal/RN - Brasil E-mails: ivan@imd.ufrn.br, eridenes@gmail.com, catundaz@gmail.com,
luiz.affonso.guedes@gmail.com, michelsdd@gmail.com
3PotyChip Tecnologia.
Caixa Postal 1524 - Campus Universitário Lagoa Nova, CEP 59078-970 | Natal/RN - Brasil E-mail: adauto6@aim.com
Abstract The presented work proposes a simulation platform for wireless sensor network nodes energy consumption. The
im-plementation consists of the developed of SystemC state machines to describe the behavior of each component embedded in the node, following the exact states of the chosen protocol, and to map it to the characterized energy consumption of a device. As a case study, the platform has been mapped to a CC2480 ZigBee device measured energy consumption.
Keywords WSN, Consumption, SystemC, ZigBee.
Resumo O trabalho apresentado propõe uma plataforma de simulação para o consumo de energia em nós de Redes de Sensores
Sem Fio (RSSF). A implementação consiste no desenvolvimento de maquinas de estados com SystemC para descrever o compor-tamento de cada componente embarcado em nós de uma RSSF, programando os estados exatos do protocolo escolhido e mapeando com o consumo caraterizado de energia de um dispositivo. Como estudo de caso, a plataforma foi desenvolvida tomando como base o consumo de energia de um dispositivo ZigBee CC2480.
Palavras-chave RSSF, Consumo, SystemC, ZigBee.
1. Introdução
O surgimento de redes de sensores sem fio trouxe benefícios para diversas áreas de pesquisa, tais como: telecomunicações, circuitos RF e sensores. Este tipo de sistema é formado por dispositivos (nós), como re-presentado na Figura 1, que tem por finalidade moni-torar um determinado fenômeno, que pode ser: acús-tico, sísmico, infravermelho, térmico, de pressão, e efetuar a transmissão das medidas observadas por meio de uma comunicação sem fio.
Para dispositivos autônomos e com fonte de ener-gia limitada, o consumo de enerener-gia elétrica em uma RSSF é um assunto de pesquisa muito importante (Gi-rbam, 2011). Neste sentido, o esforço no desenvolvi-mento de novos protocolos comunicação visa atender os requisitos de vida útil da bateria de um nó sensor de forma a dispor um mecanismo eficiente e igualitário de consumo de energia elétrica entre os nós da malha de sensores (Darif, 2013).
A análise do consumo de energia é feita, na mai-oria das vezes, com a medição da corrente instantânea de dreno num dispositivo físico (Antonopoulos, 2009), (Casilari, 2010). Isso permite obter valores de consumo de energia no mundo real com maior preci-são. Porém, nestes casos, é difícil avaliar as várias to-pologias de redes e analisar os piores casos, pois o custo financeiro é relativamente alto e gasta-se muito tempo para reprogramar e reposicionar os dispositi-vos.
Figura 1. Um nó de rede de sensores sem fio.
Uma possível solução para o problema de avalia-ção do consumo de energia é a utilizaavalia-ção de um sof-tware de simulação. A metodologia de usar simulado-res já está estabelecida na validação do comporta-mento de RSSF. A validação de uma teoria é comu-mente feita com uma ferramenta de alto nível de abs-tração como “Network Simulator” para redes (Issari-yakul, 2011), ou “Matlab/Simulink” para camada fí-sica. (Vasilevski, 2008) apresentou o trabalho de mo-delagem da camada física de um nó de RSSF com a ferramenta SystemC-AMS (Vachoux, 2003). O traba-lho descreve o comportamento tanto digital, quanto analógico, permitindo assim a simulação mista da rede. O uso de SystemC é interessante por causa da possibilidade de controlar o nível de abstração e assim permitir uma simulação de vários nós com o nível de
SENSOR ADC CPU RF R E G U LA D O R RSSF Nó-sensor
detalhe desejado.
O objetivo do trabalho é verificar a viabilidade da modelagem do consumo de energia em nós de uma RSSF usando SystemC. Para atingir este objetivo, foi desenvolvido em SystemC um nó de uma RSSF como uma plataforma para caraterização do consumo de energia para o padrão IEEE 802.15.4. O modelo gené-rico abre a possibilidade de poder caracterizá-los com a medição de diversos componentes de rede. O con-ceito de plataforma é usado porque o projeto não está dedicado apenas a uma aplicação, mas pretende forne-cer uma ferramenta de avaliação do consumo de ener-gia que possa ser mapeada a qualquer protocolo de co-municação e qualquer componente RF. Um estudo de caso é apresentado usando os resultados da medição do trabalho (Casilari, 2010).
Na primeira parte é apresentado o conceito de re-des de sensores sem fio e o consumo de energia em nós de uma RSSF. Na segunda parte é apresentado uma breve introdução da ferramenta SystemC, além da implementação de uma máquina de estados simples com o objetivo de facilitar o entendimento da ferra-menta. Na terceira parte, é apresentada a plataforma para modelagem do consumo de energia de RSSF. Por último, será avaliada a proximidade dos resultados ob-tidos com a plataforma de simulação aplicada ao es-tudo de caso e os dados reais da medição do artigo (Casilari, 2010).
2. Rede de Sensores sem Fio
Uma rede de sensores sem fio é uma rede de co-municação formada por múltiplos nós, com sensores posicionados dentro ou próximo do fenômeno a ser observado. Tendo em vista que existe a possibilidade das redes de sensores sem fio se autoconfigurarem, é indispensável um planejamento do posicionamento dos sensores da rede. Os principais componentes de uma RSSF são: o nó sensor, o observador e o fenô-meno observado (Pereira, 2003).
O nó sensor de RSSF é um dispositivo que tem a finalidade fazer um monitoramento de um determi-nado fenômeno e efetuar a transmissão das medidas observadas por meio de uma comunicação sem fio. Este nó consiste, tipicamente, de uma ou mais unida-des de sensoriamento (sensor), memória interna, bate-ria, processador embarcado e um transceptor. Ele pode ser equipado com vários tipos de sensores, tais como acústico, sísmico, infravermelho, calor, temperatura, pressão etc. (Loureiro, 2003), (Tilak, 2002).
O observador é caraterizado pelo usuário final que tem como objetivo obter informações transmitidas pela rede de sensores sobre um ou mais fenômenos observados. Não existem limitações acerca do número de observadores, portanto, múltiplos observadores po-dem coexistir em uma rede de sensores (Tilak, 2002). O fenômeno é caracterizado pela entidade cujo obser-vador mantém interesse e que está sendo monitorada pela rede de sensores. As informações coletadas po-dem ser analisadas e filtradas pela rede, assim é possí-vel a observação concorrente de múltiplos fenômenos em uma única rede de sensores (Tilak, 2002).
A tecnologia ZigBee é uma das tecnologias mais
utilizadas para a implantação de uma RSSF. O termo ZigBee designa de um conjunto de especificações para a comunicação sem fio entre dispositivos eletrônicos com ênfase em baixa potência de operação, baixa taxa de transmissão de dados e no baixo custo de implan-tação. Tal conjunto de especificações define camadas do modelo OSI subsequente àquelas estabelecidas pelo padrão IEEE 802.15.4 (Legg, 2004). A tecnolo-gia ZigBee foi idealizada de forma a interligar peque-nos pontos de coleta de dados e controle usando sinais de radiofrequência não licenciados. Atualmente exis-tem módulos com taxas de transferência acima de 250 kbps e que alcançam até70 metros em visada direta.
A arquitetura ZigBee foi projetada em cinco ca-madas, como apresentado na Figura 2, sendo duas de-las, a camada física (PHY) e a camada de Controle de Acesso ao Meio (MAC), definidas pelo padrão IEEE 802.15.4. As outras duas, a camada de rede (NWK), e a de suporte à aplicação (APS) são definidas pela ZigBee Alliance, sobrando a camada de aplicação do usuário que fica a cargo do mesmo.
Figura 2. Arquitetura ZigBee dividida em 5 camadas (Legg, 2004).
Em uma rede de sensores com múltiplos saltos (um salto sendo definido como uma parte do caminho entre a fonte e o destino), cada nó atua como um ele-mento que origina os dados e também é responsável pelo roteamento. Este aspecto pode causar mudanças significativas de topologia e pode exigir uma reorga-nização da rede. Por esta razão, a economia de energia elétrica se torna muito importante. O esforço no de-senvolvimento de tecnologias visa atender os requisi-tos de vida útil da bateria de forma a dispor de um mecanismo eficiente no consumo de energia entre os nós da malha de sensores (Akyildiz, 2001).
Cada RSSF possui um perfil de consumo de ener-gia elétrica baseado no hardware e no protocolo de co-municação utilizado pela rede. Para encontrar o con-sumo de energia elétrica real em uma RSSF, seria ne-cessário a medição das potências dissipadas em cada nó sensor. Os nós sensores, entretanto, tem uma fonte de energia elétrica limitada (<0,5 Ah e 1,2 volts).
Figura 3. Medição de corrente em um nó-sensor.
Fonte Resistência de polarização 802.15.4/ZigBee Nó-sensor Corrente HP 34401A Multimetro Digital 802.15.4/ZigBee Nó-sensor
Em (Casilari, 2010) e em (Gomez, 2012), foram realizados experimentos para a medição do consumo de energia de uma rede de sensores sem fio. Na Figura 3 é apresentado o esquema de medição em que um multímetro digital é o equipamento usado para medi-ção de corrente elétrica no nó.
Um exemplo do resultado da medição foi apre-sentado em (Casilari, 2010) usando um dispositivo composto por um microcontrolador MSP430 e um processador CC2480 que se comunica utilizando o protocolo ZigBee. A corrente de dreno nos modos “Start-up” e “Association” são mostrados nas Figuras 4 e 5.
Figura 4. Variação de corrente no modo Start-Up de um sensor sem fio ZigBee. (Casilari, 2010).
Figura 5. Variação de corrente no modo “association mode to the Coordinator” em uma rede ZigBee. (Casilari,2010).
O primeiro modo “Start-up” tem como finalidade ligar o processador CC2480 embarcado no módulo ZigBee. Na Figura 4 é mostrado a variação da corrente instantânea durante este modo. O primeiro intervalo é de estabilização da tensão, dura aproximadamente 1s e drena aproximadamente 1,8 mA. No segundo inter-valo, o microcontrolador calibra o sistema de clock com uma corrente de aproximadamente de 4,6 mA e dura aproximadamente 0,1s. No terceiro intervalo, o modulo ZigBee está ativado drenando aproximada-mente 15,4 mA, a arquitetura permanece neste estado até que algum dispositivo envie um pedido de comu-nicação do dispositivo.
O segundo modo de comunicação “Association”, é usado pelo nó com o objetivo de detectar a presença
de um coordenador e proceder à associação. Na Figura 5 é mostrado a variação da corrente utilizada neste modo. Os intervalos de 1 a 3 correspondem ao estado de espera, com uma corrente aproximada de 15,4 mA. O intervalo 4 ocorre quando o microcontrolador trans-fere dados para o módulo ZigBee para iniciar a detec-ção do coordenador. No intervalo 5 a 7, a corrente de dreno aumentou até 32,5 mA por causa de uso de transmissão para solicitação de um pacote. Este estado é reproduzido 3 vezes. O intervalo 8 ocorre quando são trocados pacotes de associação necessários entre o nó e o coordenador. Depois destes procedimentos o módulo ZigBee entra em modo “sleep” com uma cor-rente de dreno de aproximadamente 0,1 mA.
3. Modelagem Alto-Nível com SystemC A ferramenta SystemC é uma biblioteca da lin-guagem de programação C++ com o objetivo de faci-litar a modelagem e simulação de sistemas digitais. Apesar de ser possível usar apenas C++ para imple-mentar a modelagem de hardware, sem o SystemC, o esforço para modelagem pode se tornar bastante sig-nificativo, pois haverá a sobreposição de muitos recur-sos já implementados, testados e documentados no SystemC.
O SystemC tem como base um núcleo de simula-ção que funciona por meio de ocorrência de eventos. Este núcleo reage aos eventos e faz a troca de tarefas para a execução. Em um código de programa desen-volvido em SystemC, podem ser destacadas 3 estrutu-ras básicas: interface, construtor e métodos. A inter-face é responsável pela declaração das portas de en-tradas e saídas do dispositivo. O construtor descreve de forma objetiva a lista de sensibilidade que faz com que o dispositivo execute suas operações lógicas. Os métodos contêm o comportamento e a lógica de fun-cionamento do dispositivo. and2.h 1 #ifndef AND2_H 2 #define AND2_H 3 #include "systemc.h" 4
5 struct and2 : ::sc_core::sc_module{ 6 sc_core::sc_in< bool >i0;
7 sc_core::sc_in< bool >i1; 8 sc_core::sc_out< int >q; 9
10 void output();
11 typedef and2 SC_CURRENT_USER_MODULE; 12 and2(::sc_core::sc_module_name); 13 }; 14 #endif and.cpp 1 #include "and2.h" 2 3 void and2::output(){ 4 q.write(i0&i1); 5 } 6 and2::and2(::sc_core::sc_module_name) 7 :i0("i0"),i1("i1"),q("q"){ 8 SC_METHOD(output); 9 dont_initialize(); 10 sensitive << i0 << i1; }
No Código 1. é apresentado um exemplo didático de modelagem de uma porta AND de duas entradas e uma saída (AND2) utilizando SystemC. Pode-se visu-alizar a declaração das interfaces de entrada e saída: “i0”, “i1” e “q” nas linhas 6-8 do código “and2.h”. O construtor(linhas 6-11 do código “and2.cpp”) é uma função chamada uma vez no início da simulação, que permite declarar a lista de sensibilidade que vai cha-mar o método “output()”. Esse método, implementado nas linhas 3-5 do “and2.cpp”, define o comportamento do componente.
Um segundo exemplo didático revela a metodo-logia de implementação de máquina de estados em SystemC. Um exemplo de máquina de estados é visu-alizado na Figura 6 e é conhecido como um seguidor binário, pois a máquina muda de estado seguindo a en-trada binária (0,1).
Figura 6. Máquina de estados de um seguidor binário.
A implementação com SystemC é apresentada no Código 2. Na linhas 10-12 do “sm.h” é definida a in-terface, nas linhas 33-42 do “sm.cpp é definido o cons-trutor. Seguindo a metodologia de implementação de máquinas de estado em SystemC, o método de transi-ção “next_state()” é sensível a transitransi-ção positiva do pulso de clock e o método de transição “output()” é sensível a transição negativa do pulso de clock.
Na Figura 7 é apresentado um exemplo de execu-ção da máquina de estados do seguidor binário. Desta forma, temos o sinal “clk” que representa o sinal de clock, o estado atual “x” e o sinal de saída “out” que neste caso varia entre 0,2 e 0,4 (pode representar qual-quer grandeza) e é gerado pela permanência de esta-dos. Observe que a mudança de um estado para outro ocorre sempre na transição positiva do pulso de clock e a saída de dados ocorre sempre na transição negativa do pulso de clock.
Figura 7. Sinais da máquina de estados de um seguidor binário.
SystemC permite também a modelagem de siste-mas complexos, pois a ferramenta também embarca um mecanismo de hierarquia bem definida. Assim, pode-se simular uma interconexão de componentes re-produzindo precisamente os eventos que ocorrem em todos os sinais de componentes (Vasilevski, 2008).
sm.h 1 #ifndef SM_H 2 #define SM_H 3 #include "systemc.h" 4 5 enum{ 6 ST_0, 7 ST_1, 8 }; 9 struct sm : ::sc_core::sc_module{ 10 sc_core::sc_in< bool >ck; 11 sc_core::sc_in< bool >btn; 12 sc_core::sc_out< int >out; 13 14 int state; 15 16 void next_state(); 17 void output(); 18 19 typedef sm SC_CURRENT_USER_MODULE; 20 sm( ::sc_core::sc_module_name); 21 }; 22 #endif sm.cpp 1 #include "systemc.h" 2 #include "sm.h" 3 #include "common/states.h" 4 void sm::next_state(){ 5 6 switch(state){ 7 case ST_0:{ 8 if(btn){ 9 state=ST_1; 10 } 11 break; 12 } 13 case ST_1:{ 14 if(!btn){ 15 state=ST_0; 16 } 17 break; 18 } 19 } 20 } 21 void sm::output(){ 22 switch(state){ 23 case ST_0:{ 24 out.write(0.4); 25 break; 26 } 27 case ST_1:{ 28 out.write(0.2); 29 break; 30 } 31 } 32 } 33 sm::sm( ::sc_core::sc_module_name) 34 :ck("ck"),out("out"),btn("btn"){ 35 state=ST_0; 36 SC_METHOD(next_state); 37 dont_initialize(); 38 sensitive << ck.pos(); 39 SC_METHOD(output); 40 dont_initialize(); 41 sensitive << ck.neg(); 42 }
Código 2. Modelo SystemC de uma máquina de estado de um seguidor binário
4. Plataforma para modelagem do consumo de energia.
Uma plataforma de modelagem do consumo de energia do nó de uma RSSF foi descrita com SystemC. A organização da plataforma é apresentada na Figura 8, e embarca os módulos de processamento CPU, transmissor Tx, receptor Rx, sensor (Sensor) e mais dois módulos que simulam o “Testbench” e o compor-tamento do ambiente físico “Channel”. Cada módulo é descrito como uma máquina de estados, com as con-dições de transição de estados sendo um evento che-gando ao componente por interrupção e a saída sendo o valor de energia consumida no estado atual.
Figura 8. Plataforma de simulação de uma rede sem fio usando protocolo ZigBee 802.15.4.
A máquina de estados do módulo TestBench em-barca as decisões do usuário, como ligar o dispositivo ou pressionar um botão de associação com o coorde-nador. A CPU inicia as chamadas do protocolo para Tx e espera as respostas do Rx seguindo o protocolo escolhido. Ele é também responsável por desligar os componentes RF para que fiquem em “Sleep mode”. O módulo Tx é responsável para transmissão de dados e, seguindo o protocolo, manda uma solicitação ao módulo Rx para se preparar para receber um novo pa-cote. O módulo Rx recebe os pacotes em resposta dos pacotes transmitidos por Tx e manda interrupções à CPU para continuar a seguir o protocolo. O módulo Channel simula o comportamento físico do nó numa rede. Já o módulo Sensor simula o consumo de energia durante o processo de aquisição dos dados no nó-sen-sor. Assim, no caso de um pacote transmitido por Tx, o componente espera um certo tempo e gera uma res-posta para o módulo Rx.
O resultado da simulação é escrito num arquivo de texto que contém uma tabela de valores de amostras associadas ao valor de tempo. Cada amostra é com-posto por uma lista de valores do consumo de energia dos componentes CPU, Rx, Tx e Sensor. A visualiza-ção dos resultados da corrente total drenada pelo nó corresponde simplesmente ao somatório dos quatro valores das correntes de dreno.
5. Resultados
O exemplo apresentado na Seção 2 foi usado para caracterizar e validar a plataforma. Apesar do projeto conter cinco estados, a critério de demonstração, este tópico trata apenas da máquina de estados Tx de forma que o entendimento das outras máquinas de estados é análogo e corresponde basicamente aos estados de transição de uma determinada rotina implementada no protocolo ZigBee.
A máquina de estados Tx é mostrada na Figura 9. Por exemplo, considerando o estado inicial sendo o 0, se a CPU enviar uma interrupção it_cpu_rfon solici-tando a ativação do processador RF, a máquina muda de estado indo para o estado 1 e informa a devida ener-gia gasta no estado 1.
As condições de transição são resumidas na tabela 1, onde são mostrados os sinais de interrupção que são enviados pelo componente Tx para outros componen-tes do nó. Da mesma forma os outros componencomponen-tes também vão usar essas interrupções como condição de transição. Além disso, existem variáveis internas que são usadas como condição, por exemplo, para contar o número de tentativas de associação.
Figura 9. Máquina de estado do componente Tx.
Tabela 1. Condições de transição da máquina de estados Tx.
Transição Condição Interrupção
0 1 it_cpu_rfon 1 2 it_cpu_sleep 2 3 it_cpu_coo it_tx_bea 3 4 it_phy_ack it_tx_scan 4 3 (it_rx_com).(ncom<2) it_tx_bea 4 5 (it_rx_com).(ncom>=2) .(nrty<3) 4 6 (it_rx_com).(ncom>=2) .(nrty>=3) it_tx_poll 5 3 dt >= 0.1 it_tx_bea 6 7 it_cpu_assoc 7 8 nassoc < 8 it_tx_assoc 7 9 nassoc >= 8 it_tx_asso-cack 8 7 it_rx_assocack Rx CPU Tx In te rr u p çõ es Sensor In te rr u p çõ es Channel Button TestBench
Tabela 2. Saída associada a cada estado do componente Tx.
Estado Corrente (mA)
0 0.0 1 14.4 2 0.0 3 30.0 4 30.0 5 0.0 6 0.0 7 30.0 8 0.0 9 0.0
A Tabela 2 mostra a corrente de dreno em cada estado do módulo Tx. O componente drena aproxi-madamente 14,4mA quando está ligado. Durante a fase de comunicação, a corrente de dreno aumenta principalmente pelo componente de transmissão atingindo aproximadamente 30 mA.
O resultado da simulação, apresentado na Figura 10, mostra o consumo de todos componentes da pla-taforma desenvolvida. A figura é composta de duas partes separadas com a linha vertical que delimita os modos “Start-up” e “Association”. A figura reprodu-ziu claramente os níveis estabelecidos de corrente para cada estado e pode-se validar o resultado com-parando na Figura 10 com as Figuras 4 e 5 apresen-tadas na Seção 2.
Figura 10. Resultado da simulação do consumo de energia de um nó da RSSF apresentado em (Casilari, 2010).
6. Conclusão
Neste artigo foi apresentado uma modelagem do consumo de energia aplicado a RSSF. A metodologia utiliza máquina de estados para cada componente em-barcado no nó de uma rede. A implementação de cada componente da RSSF é feita utilizando a ferramenta de modelagem e simulação SystemC.
Foi verificado também que o resultado da simula-ção coincidiu com o dados da medisimula-ção real, compro-vando assim, que SystemC é capaz de modelar com precisão tanto um dispositivo simples, quanto um sis-tema complexo como um nó de uma RSSF.
Agradecimentos
Agradecemos à CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de nível Superior, pelo
apoio financeiro durante o período de desenvolvi-mento deste artigo.
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