Análise da capacidade de comunicação dos sensores Radiuino
e implementação do protocolo de acesso ao meio CSMA/CA
Franco Magri Lupo1, Fernando Matos Iuasse1, Ivairton Monteiro Santos1
1Instituto de Ciências Exatas e da Terra – Campus Universitário do Araguaia – Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT)
Barra do Garças – MT – Brasil
franco.lupo@gmail.com, matosiuasse@msn.com, ivairton@ufmt.br
Abstract. This work perform an evaluation of the communication capacity of
Radiuino devices. This devices is used to compose a wireless sensor networks. The tests was used the devices in your default configuration, and was used de CSMA/CA protocol to collision avoidance. The aim was verify the max length of communication between sensor nodes, the receiving capacity of the mobile gateway node and the interference of data packet collision in communication, as well as we should use data package collision avoidance algorithms. The results showed what technical context the Radiuino sensor network can be used and how much is important used a collision avoidance protocol, because the packet data collision is the main aspect to be considered in communication between Radiuino devices.
Resumo. Este trabalho executa uma avaliação da comunicação dos
dispositivos Radiuino, utilizado para compor redes de sensores sem fio. A análise foi feita com os dispositivos em sua configuração original e com a utilização do algoritmos de prevenção de colisão de pacotes CSMA/CA. Os testes objetivaram avaliaram o alcance máximo de comunicação entre dois dispositivos, a capacidade de recepção de pacotes de dados com o nó gateway em movimento e o impacto na qualidade da comunicação dos nós sensores causado pela colisão de pacotes de dados, bem como da importância em se empregar algoritmos que evitem essa situação. Os testes permitiram determinar os contextos em que redes de sensores formadas por dispositivos Radiuino podem sem empregadas e demonstraram ser essencial a utilização de protocolos de prevenção de colisão de pacotes, pelo fato da colisão dos pacotes ser o principal fator atenuador da qualidade de comunicação entre dispositivos Radiuino.
1. Introdução
As redes de sensores sem fio (RSSF) vem sendo cada vez mais utilizadas para o monitoramento e automação de sistemas, com aplicações em diversas áreas (Akyildiz et
al., 2002). Com os avanços tecnológicos, há no mercado inúmeras opções de
dispositivos para o desenvolvimento de projetos de RSSF (Hill et al., 2004). Uma dessas opções é o Radiuino (Branquinho, 2011) que basea-se na arquitetura Arduino (Banzi, 2009) e tem como objetivo proporcionar a criação de projetos e protótipos de RSSF de maneira simplificada.
Para o desenvolvimento adequado de um projeto e a implantação de uma RSSF é preciso conhecer as capacidades e limitações dos dispositivos a serem utilizados. Este
trabalho se propõe em avaliar a qualidade da comunicação dos dispositivos Radiuino em conjunto com o rádio transmissor BE900 (Radioit, 2012), considerando diferentes contextos de aplicação, empregando os sensores Radiuino em sua configuração original. Como estes equipamentos não disponibilizam nenhum protocolo de prevenção de colisão de pacotes, também foi implementado e avaliado o funcionamento da rede de sensores com o protocolo de acesso ao meio CSMA/CA.
Os testes buscaram avaliar o alcance de comunicação, a interferência de obstáculos na comunicação, a influência na comunicação quando há o emprego de um
gateway móvel e o quanto a colisão de pacotes inviabiliza a comunicação dos nós
sensores da rede. Na sequência foi implementado o protocolo de acesso ao meio CSMA/CA e avaliada novamente a taxa de colisões de pacotes na comunicação entre os nós sensores.
A Seção 2 apresenta e discute a avaliação da capacidade de comunicação dos sensores Radiuino. A Seção 3 trata da implementação do protocolo CSMA/CA e apresenta os resultados obtidos. Na Seção 4 são apresentas as conclusões do trabalho.
2. Avaliação da capacidade de comunicação
Os experimentos iniciais buscaram avaliar a eficiência da comunicação entre sensores Radiuino homogêneos, todos em suas configurações originais. A Figura 1 ilustra os componentes empregados nos testes: suporte para baterias (a), módulo Radiuino modelo DK102 v1.2 (b), rádio transmissor modelo BE900 (c) e módulo UartBee (d) para gravação nos microcontroladores e comunicação com o computador (por meio de uma porta de comunicação serial, atuando como nó gateway, que corresponde ao nó receptor dos pacotes de dados enviados pelos nós da rede de sensores).
Figura 1. Foto do kit Radiuino modelo DK102.
Na análise da capacidade de comunicação, foram executados quatro tipos de testes: 1) alcance de comunicação; 2) interferência de obstáculos; 3) capacidade de comunicação dos nós sensores com um gateway móvel; e 4) perda de pacotes por colisão. A seguir são descritos os métodos empregados em cada teste.
2.1. Alcance de comunicação
O primeiro teste consiste em avaliar o alcance de comunicação entre os nós sensores Radiuino. É importante observar que os sensores utilizados não possuem antena de comunicação, há apenas um fio de cobre soldado na placa.
O teste consiste do envio de pacotes de dados por um nó sensor fixo para o nó
gateway, posicionado em um ambiente aberto, sem a presença de obstáculos.
Inicialmente o gateway foi posicionado próximo ao nó transmissor, registrando taxas de sucesso na entrega de pacotes próximas de 100%. Gradativamente, o gateway foi se distanciando do nó transmissor, até que a taxa de recebimento de pacotes ficou abaixo
(a) (b)
(c)
dos 50%, ou seja, a partir desse ponto considera-se uma taxa baixa, caracterizando que a essa distância a rede de sensores deixa de funcionar. Foram utilizados oito configurações diferentes para a potência do sinal, variando da mais fraca para a mais forte: -30 dbm, -20 dbm, -15 dbm, -10 dbm, 0 dbm, 5 dbm, 7 dbm e 10 dbm. O alcance de comunicação em que a rede de sensores deixou de operar adequadamente, para cada configuração de potência do rádio, foi aferido por meio de GPS.
2.2. Interferência na comunicação por obstáculos
Esse teste buscou avaliar o quanto obstáculos podem interferir no alcance de comunicação dos nós sensores.
A estratégia empregada neste testes foi semelhante à utilizada no teste anterior de alcance de comunicação. No entanto, apenas a potência máxima do sinal de rádio (10 dbm) foi utilizada. O obstáculo utilizado no teste caracteriza-se exclusivamente por vegetação, não densa, composta por arbustos e árvores de pequeno porte. No processo de afastamento do gateway, além do incremento da distância, a densidade do obstáculo também aumentou. A estratégia empregada consistiu de posicionar o gateway e o nó sensor em uma esquina de uma quadra ocupada por vegetação, gradativamente os dois nós se afastaram da esquina, aumentando a distância e a densidade da vegetação entre eles.
2.3. Recepção de pacotes de dados com o gateway em movimento
Nesse ensaio buscou-se avaliar o impacto da mobilidade do gateway na comunicação, de modo a verificar se o seu movimento interfere na recepção dos pacotes de dados enviados pelos nós sensores.
Com o nó gateway instalado em um veículo e conectado a um notebook, foram executadas passagens a 20, 30, 40, 50 e 60 km/h. Os nós sensores (fixos) foram dispostos ao longo de uma via em três configurações de quantidade distintas: com 10, 5 e 3 nós. Na configuração com 10 nós, os sensores foram dispostos em duas linhas com 5 unidades, onde a distância entre os nós ao longo da linha era de 15 m e entre as linhas era de 9 m. O gateway movimentou-se ao longo do corredor formado. Na configuração com 5 unidades, permaneceu apenas uma das linhas descrita anteriormente. E na configuração com 3 nós sensores, permaneceram apenas os sensores das extremidades e o central, determinando uma distância de 30 m entre os sensores. A Figura 2 apresenta fotos do gateway fixado no automóvel e de um nó sensor disposto na via (sobre a sarjeta).
Figura 2. Dispositivo fixado no automóvel, para simulação de um gateway móvel (à esquerda). Nó sensor posicionado na via (à direita).
Outros dois parâmetros foram trabalhados nesse teste, a potência do sinal de rádio e o intervalo de envio de pacotes de dados pelos nós sensores. A potência do sinal de rádio foi empregada apenas no seu valor mínimo (-30 dbm) e máximo (10 dbm); enquanto que o intervalo entre o envio de cada pacote de dados pelos nós sensores foi estabelecido em 0,2 s e 0,5 s. Vale destacar que não houve nenhum tipo de sincronização entre os nós sensores e que suas inicializações ocorreram de forma aleatória.
2.4. Perda de pacotes por colisão
Este teste tem como objetivo proporcionar uma melhor compreensão da influência da colisão de pacotes de dados na comunicação entre os sensores. Utilizou-se 5 nós sensores configurados em potência de comunicação de rádio máxima (10 dbm), distantes 5 m entre si e todos a 15 m do gateway, em campo aberto, sem a interferência de obstáculos. Também foram empregadas duas configurações de frequência de envio dos dados pelos nós sensores, uma de 0,2 s e outra com frequência de um pacote a cada 0,5 s.
O teste consistiu em monitorar o recebimento dos pacotes de dados de cada nó sensor pelo gateway pelo período de 5 minutos, registrando também o número de pacotes enviados por cada nó sensor. No primeiro estágio, apenas 1 nó sensor estava ligado enviando dados. Na sequência, gradativamente um nó sensor foi ligado e novamente executado o teste, até que no último estágio, os 5 nós sensores estavam enviando pacotes de dados durante o intervalo de tempo do teste (5 minutos). Vale relembrar que não houve nenhum tipo de sincronização entre os nós sensores.
2.5. Resultados da avaliação da capacidade de comunicação
Todos os testes foram executados 5 vezes em cada contexto, de modo que os resultados apresentados correspondem a uma média dos valores obtidos em cada análise.
2.5.1. Alcance de comunicação
A Figura 3 apresenta o gráfico com os resultados obtidos no teste de alcance de comunicação, sem obstáculos. Nota-se que utilizando a potência mínima no rádio transmissor o alcance máximo obtido (onde a taxa de sucesso na recepção dos pacotes de dados foi superior a 50%) foi de 21,5 m, enquanto que em potência máxima o alcance chegou a 205 m.
Figura 3. Gráfico com os resultados do alcance de comunicação dos nós sensores, variando a potência do sinal de rádio.
2.5.2. Interferência na comunicação por obstáculos
Conforme esperado, os resultados desse teste demonstraram que a existência de obstáculos interfere de maneira substancial na qualidade de comunicação dos sensores Radiuino. Enquanto que o alcance de comunicação entre dois nós sensores, configurados com potência de rádio máxima, chegou a 205 m, no contexto com obstáculos (vegetação) essa mesma configuração obteve como resultado 80 m. O resultado obtido com a existência de obstáculos corresponde a 39% da capacidade de alcance de comunicação no contexto em campo aberto.
Essa interferência pode ser explicada pelo fato dos sensores trabalharem em frequência de 2,4 Ghz, sabendo-se que a esta frequência as ondas de rádio são sensíveis à água e que a vegetação possui considerável índice de água, o contexto do teste justifica a queda na capacidade de alcance de comunicação. Além ainda, da possível ocorrência de refração.
2.5.3. Recepção de pacotes de dados com o gateway em movimento
Nesse teste foram executadas 5 passagens do gateway pela rede de sensores para cada contexto (combinação das configurações descritas na Seção 2.3).
O teste registrou o número de pacotes de dados enviados por cada nó sensor a partir do instante que o gateway entrou na sua área de alcance de comunicação, registrando também o número e a origem de cada pacote de dado recebido pelo
gateway. Foi calculada a média da razão entre o número de pacotes recebidos pelo gateway pelo número de pacotes enviados, com objetivo de avaliar a porcentagem de
pacotes de dados recebidos em cada contexto.
A Figura 4 apresenta o gráfico com os resultados obtidos para os testes feitos com 10 nós sensores, enquanto que a Figura 5 o gráfico com os resultados para a rede com 5 nós sensores e a Figura 6 o gráfico com os resultados para a rede com 3 sensores.
Figura 4. Porcentagem de pacotes recebidos pelo gateway móvel na rede com 10 nós.
Figura 5. Porcentagem de pacotes recebidos pelo gateway móvel na rede com 5 nós.
Figura 6. Porcentagem de pacotes recebidos pelo gateway móvel na rede com 3 nós.
Os gráficos, dos diferentes testes, mostraram que não há uma relação de redução na taxa de recebimento de pacotes de dados pelo gateway móvel em relação às velocidades testadas.
No entanto, observa-se indícios que a ocorrência de colisão de pacotes interferiu de maneira razoável nos resultados obtidos. Por exemplo, as melhores taxas de entrega sempre foram para configurações dos sensores com menor frequência de envio de pacotes e a configuração da rede com menor número de nós obteve melhores taxas do que os outros contextos.
2.5.4. Perda de pacotes por colisão
Esse teste evidenciou que a colisão de pacotes é fator determinante na qualidade de comunicação entre os nós sensores. A Figura 7 apresenta o gráfico com os resultados obtidos no teste. Observa-se que com o funcionamento de apenas 1 nó sensor, todos os pacotes enviados foram recebidos, enquanto que no funcionamento de 5 nós sensores em paralelo, essa taxa chegou ao índice de apenas 10,25%.
Figura 7. Porcentagem de pacotes recebidos pelo gateway para rede com diferentes números de sensores.
3. Implementação do protocolo de acesso ao meio CSMA/CA
Para minimizar o impacto negativo na comunicação causado pela colisão de pacotes de dados se faz necessário o emprego de um protocolo de comunicação que previne essa ocorrência. Dessa forma, utilizando a especificação da norma IEEE 802.11, foi utilizado o protocolo Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance (CSMA/CA).
O princípio do CSMA/CA consiste em um nó da rede avaliar se há pacotes sendo enviados, antes de um pacote ser enviado de fato por ele. Dessa forma, a estação que quer transmitir, primeiro sente o meio. Se a rede está engarrafada (há troca de pacotes ocorrendo), a transmissão é adiada por um determinado intervalo de tempo dinâmico. Caso contrário, se o meio de comunicação estiver livre a estação envia o pacote de dados. A estação que transmite espera a confirmação de recepção pelo destino (recebimento do pacote ACK), se a recepção for confirmada, volta ao estado inicial, voltando à situação de possível envio de um novo pacote. Se não receber a confirmação de recebimento em um determinado tempo de espera, considera-se que o pacote foi perdido e também retorna ao estado de início.
O protocolo de acesso ao meio CSMA/CA foi implementado nesse trabalho em seu modo básico. A sua escolha se deve ao fato de o hardware Radiuino não suportar a troca de frequência do sinal de rádio, o meio é compartilhado e dentre as opções disponíveis o CSMA/CA é o mais recomendado (Tanembaum, 2003). O protocolo de acesso ao meio CSMA/CA no modo básico foi implementado com base na máquina de estados apresentada na Figura 8.
Figura 8. Diagrama da máquina de estados do CSMA/CA no modo básico.
No estado “Início” o protocolo de comunicação está ocioso, esperando para enviar um pacote. Quando a camada de aplicação solicita o envio de um pacote, o sensor aguarda um tempo de backoff, quando esse tempo se encerra então o sensor irá sentir o meio para ter certeza que o meio está livre para a transmissão do pacote. Se o meio está livre o nó sensor envia o pacote de dados, se está ocupado volta ao estado “Início”. Se o nó sensor envia o pacote de dados e recebe uma confirmação de recebimento do destino, ele também retorna para “Início” com sucesso.
O tempo de backoff inicial é zero. Quando o nó sensor encontra o meio ocupado ele incrementa o contador do backoff, usando uma estratégia aleatória, e passa a esperar por um tempo baseado no tempo de envio de um quadro inteiro. Isso ocorre até que o valor de backoff atinge um limite máximo, nesse caso o valor volta a ser zero.
O protocolo CSMA/CA não é imune a falhas. Mesmo quando um nó sensor emissor encontra um nó destino livre (após sentir o meio) pode ocorrer uma falha de comunicação pois o nó destino pode estar processando um pacote ou preparando um pacote ACK, ou ainda, pode ocorrer situações denominadas de “estação escondida” ou “estação exposta”, o que também irá gerar uma falha de envio (Tanembaum, 2003).
No desenvolvimento deste trabalho, a RSSF é homogênea e formada por nós sensores Radiuino. O código embarcado nos sensores foi implementado em linguagem de programação C e utiliza das principais bibliotecas empregadas na plataforma Arduino. No computador, o software desenvolvido para registro dos dados obtidos nos testes foi escrito em linguagem Python e basicamente monitora a porta serial a qual o
gateway estava ligado. Ao receber um pacote de dados de um nó sensor o gateway
registra os dados do pacote do sensor de origem para execução das análises. Dessa forma, para qualquer sequencia de mensagens recebida pelo gateway, que seja diferente da que caracteriza uma recepção com sucesso (com pacote de confirmação de recebimento pelo destinatário), foi contabilizada como uma falha de comunicação (independentemente se ocorreu por colisão, ou interferência).
Com o objetivo de avaliar a eficácia na entrega dos pacotes de dados e a quantidade de pacotes trocados pela rede de sensores, utilizando um algoritmo de prevenção de colisões de pacotes (CSMA/CA), foi elaborado um experimento que se baseia no método da avaliação descrito na Seção 2.4.
Os primeiros segundos do teste foram descartados e nenhum método de sincronização na inicialização dos nós sensores foi utilizado. Os pacotes trocados na rede possuíam 52 bytes, 16 bytes de cabeçalhos e 36 bytes de dados. Nesse teste utilizaram-se cinco sensores configurados em potência máxima (10 dbm), de modo que todos os sensores estavam no raio de comunicação um do outro. Os sensores estavam no mesmo canal, enviando pacotes de dados com um intervalo de cada 0,5 s. Não havia nenhum obstáculo entre o gateway e os nós sensores. O gateway estava na mesma condição ambiente de receber pacotes de dados de todos os nós sensores, podendo ser prejudicado somente pela colisão dos mesmos.
O teste consistiu de ligar somente um nó sensor e executa o software monitor pelo período de 5 minutos, este processo foi repetido por cinco vezes e fez-se a média com os resultados de recepção de pacotes pelo gateway. Gradativamente foram ligados novos nós sensores e o teste é refeito, até o contexto com 5 nós sensores.
3.1. Resultados da avaliação da perda de pacotes por colisão utilizando o protocolo CSMA/CA
Com os resultados das médias obtidas no teste (com emprego do CSMA/CA), elaborou-se o Quadro 1, que apreelaborou-senta a quantidade de nós elaborou-sensores utilizados no teste, o total de tentativas de envio de pacotes de dado pela RSSF (campo “Total Enviado”), o número de pacotes de dados recebidos pelo gateway, a taxa de sucesso no recebimento dos pacotes e o total de pacotes trafegados na rede.
Quadro 1 – Resultado do teste de colisão de pacote de dados empregando o protocolo de acesso ao meio CSMA/CA.
Quantidade
de sensores Total enviado
Total recebido pelo gateway
Percentual recebido
pelo gateway Total pacotes trocados
1 296 296 100,00% 592
2 476 472 99,28% 948
3 607 586 96,43% 1193
4 749 722 96,38% 1471
5 865 817 94,62% 1683
No teste com emprego do protocolo de acesso ao meio CSMA/CA, observa-se uma queda sensivelmente menor do que a registrada com o uso do Radiuino em sua configuração original (sem uso de prevenção de colisão de dados), apresentada na Seção 2.5.4. Nota-se que com o uso do protocolo CSMA/CA, mesmo quando 5 sensores estavam ligados, a taxa de sucesso na entrega dos pacotes de dados foi superior a 94%.
O gráfico apresentado na Figura 9 permite comparar os resultados obtidos nos dois testes (sem protocolo de prevenção de colisões e com o CSMA/CA), apresentando a variação na porcentagem de sucesso (eixo y) no recebimento dos pacotes de dados pelo gateway, variando o número de nós sensores da rede (eixo x).
Figura 9. Gráfico da porcentagem de recepção pelo gateway do total de pacotes enviados pelos nós sensores no contexto sem protocolo de prevenção de colisão e utilizando o protocolo CSMA/CA.
O gráfico apresentado na Figura 10 mostra a média do total de pacotes de dados recebidos pelo gateway (eixo y), variando o número de nós sensores da rede (eixo x), nos diferentes contextos avaliados.
Figura 10. Média da quantidade total de pacotes recebidos pelo gateway.
Na configuração padrão do Radiuino, nota-se uma melhora no recebimento de pacotes com dois nós sensores em relação ao contexto com um nó sensor, isso ocorre em razão de uma menor possibilidade de colisões, mas ocorre uma sucessiva piora no número de pacotes de dados entregues à medida que se aumenta o número de nós sensores. No protocolo de acesso ao meio CSMA/CA modo básico, com o aumento do número de nós sensores ocorre gradualmente o aumento na taxa de recepção de pacotes de dados em todos os contextos a partir de 2 nós sensores, sempre melhor que o contexto padrão do Radiuino.
Observa-se que o protocolo de acesso ao meio CSMA/CA no modo básico possui ótima taxa de recepção de pacotes de dados e consequentemente permite receber mais pacotes de dados em um mesmo intervalo de tempo. Por isso, em aplicações onde os nós sensores estão no raio de comunicação um do outro (contexto sem “estação escondida”) o protocolo de acesso ao meio CSMA/CA no modo básico é recomendado e eficiente (Tanembaum, 2003).
4. Conclusão
Este trabalho buscou avaliar as características de comunicação de uma rede de sensores sem fio formada por componentes Radiuino, em sua configuração original. Os testes demonstraram que o alcance de comunicação máximo em campo aberto e sem obstáculos pode chegar até a ~200 m. Se no contexto da aplicação houver obstáculos formados por vegetação esse alcance cai para ~80 m.
Verificou-se também que a possível mobilidade do gateway, com velocidade de até 60 km/h não interfere na capacidade de recepção dos pacotes de dados. No entanto, a colisão de pacotes foi determinante no funcionamento da rede de sensores, se apresentando como fator de redução na eficácia na comunicação entre os nós da rede. Dessa forma, a fim de reduzir a colisão de pacotes e avaliar o desempenho na entrega dos dados, implementou-se o protocolo de acesso ao meio CSMA/CA no modo básico, conforme especificação IEEE 802.11.
Em todos os quesitos avaliados nesse trabalho, taxa de recepção de pacotes de dados, total de pacotes recebidos e trocados pela RSSF, a utilização de protocolos de comunicação CSMA/CA tem um desempenho melhor à medida que o número de nós sensores cresce na rede, em relação à utilização do protocolo padrão do Radiuino. Dessa forma, empregar protocolos de transmissão é de suma importância para o sucesso de uma RSSF, pois eles melhoram a taxa de recepção, número de pacotes de dados total recebidos, prevenindo e identificando falhas de comunicações que possam ocorrer por interferências, colisões de pacotes, e outros fatores que possam comprometer a comunicação entre os nós sensores da RSSF.
Como continuidade deste trabalho, sugerimos implementar o CSMA/CA no modo reserva, para tratar o problema da “estação escondida”. Também pode-se otimizar o protocolo CSMA/CA com o envio de pacotes de comunicação (RTS, ACK, e outros no caso do modo reserva) usando somente o tamanho necessário para representar cada pacote de comunicação (reduzir o tamanho do pacote), além de otimizar o tempo da janela de espera do backoff, analisar o problema da “estação exposta” e incluir a análise de outros protocolos de transmissão com a mesma finalidade.
Referências
Akyildiz, I. F., Su, W., Sankarasubramaniam, Y., and Cayirci, E. (2002). “Wireless sensor networks: A survey”, In: Computer Networks, v. 38, pp. 393–422.
Banzi, M. (2009). Getting started with Arduino, O'Reilly, 1ª edition.
Branquinho, O, (2011). Plataforma Radiuino para estudos em redes de sensores sem fio. Acesso online <http://www.radiuino.cc>.
Hill, J., Horton, M., Kling, R. E Krishnamurthy, L. (2004). “The Platforms Enabling Wireless Sensor Networks”, In: Commun. ACM, v. 47, n. 6, pp 41–46.
Radioit (2012). BE 900 Datasheet. Acesso online
<http://www.radioit.com.br/sites/default/files/downloads/BE900 Datasheet.pdf>. Tanembaum, A. S., Redes de computadores, Tradução da 4a Edição, Rio de Janeiro:
