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SIMULAÇÃO DE UMA REDE DE SENSOR SEM FIO COM BASE NOS PADRÕES ZIGBEE E IEEE 802.11AH

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Edição 25, volume 1, artigo nº 9, Abril/Junho 2013 D.O.I.: 106020/1679-9840/2509

www.interscienceplace.org - página 148 de 196

SIMULAÇÃO DE UMA REDE DE SENSOR SEM FIO COM

BASE NOS PADRÕES ZIGBEE E IEEE 802.11AH

SIMULATION OF A WIRELESS SENSOR NETWORK BASED

ON ZIGBEE AND IEEE 802.11AH STANDARD

Jefferson de Oliveira Balduino1, Mauro Nacif Rocha2 1

Universidade Federal de Viçosa/Departamento de Informática, Viçosa, Minas Gerais, Brasil, j_th20@yahoo.com.br

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Universidade Federal de Viçosa/ Departamento de Informática, Viçosa, Minas Gerais, Brasil, mnrocha.ufv@gmail.com

Resumo – A informática tem trazido grandes contribuições para as pessoas, principalmente no que diz respeito à comunicação e ao compartilhamento de informações. Estas que, atualmente, são distribuídas e compartilhadas por dispositivos móveis por meio de uma comunicação sem fio. O avanço dos sistemas eletromecânicos (MEMS – Micro Electro-Mecanical Systems) possibilitou o desenvolvimento de um novo tipo de rede ad hoc, denominada de Redes de Sensores Sem Fio (RSSF). Dispositivos denominados sensores são utilizados em áreas de difícil acesso e é necessário adotar uma estratégia de comunicação entre os sensores para que se consiga transmitir dados. Um fator crítico das RSSF é o consumo de energia que ocorre na transmissão de dados, dessa forma, este artigo tem como objetivo geral analisar o comportamento de uma rede de sensor sem fio com base nos padrões ZigBee e IEEE 802.11ah. Especificamente, pretende-se: a) Abordar conceitos e fundamentos sobre os padrões ZigBee e IEEE 802.11ah; e b) Analisar o comportamento da RSSF utilizando os dois padrões, observando o consumo de energia dos nós sensores, bem como o quantitativo de mensagens transmitidas e energia consumida. O simulador utilizado para testar os experimentos desta dissertação foi o Simulator for Network Algorithms (Sinalgo). Criado pelo Grupo de Computação Distribuída (DCG) em ETH Zurique, o Sinalgo é um framework de simulação para testar e validar algoritmos de rede (SINALGO, 2012). Os resultados apresentados mostraram que, com a utilização do padrão IEEE802.11ah, a RSSF teve sua vida útil estendida e os nós sensores consumiram menos energia quando utilizado o padrão ZigBee. Foi verificado também que, com a utilização do padrão ZigBee, a RSSF teve morte pré-matura, com relação ao padrão IEEE802.11ah.

Palavras-chave: redes de sensores sem fio, ZigBee, IEEE 802.11ah, simulador Sinalgo, agricultura de precisão.

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www.interscienceplace.org - página 149 de 196 Abstract – The computer has greatly for people, especially with regard to communication and information sharing. Those who currently are distributed and shared by mobile devices via a wireless communication. The advancement of electromechanical systems (MEMS - Micro-Electro Systems Mecanical) enabled the development of a new type of ad hoc network, called Wireless Sensor Networks (WSN). Devices called sensors are used in hard to reach areas and it is necessary to adopt a strategy of communication between the sensors so that it can transmit data. A critical factor of WSN is energy consumption that occurs in data transmission, thus, this article aims at analyzing the behavior of a wireless sensor network based on ZigBee and IEEE standards 802.11ah. Specifically, we intend to: a) discussing concepts and fundamentals on ZigBee and IEEE standards 802.11ah and b) analyze the behavior of WSN using both standards, observing the power consumption of sensor nodes as well as the amount of messages transmitted and energy consumed. The simulator used to test the experiments of this dissertation was the Simulator for Network Algorithms (Sinalgo). Created by the Distributed Computing Group (DCG) at ETH Zurich, Sinalgo is a simulation frame work for testing and validating network algorithms (SINALGO, 2012). The results showed that with the use of standard IEEE802.11ah the WSN had its life extended and the sensor nodes consume less energy when using the ZigBee standard. It was found that, using the ZigBee standard, the WSN had premature death, with respect to the standard IEEE802.11ah.

Keywords: wireless sensor networks, ZigBee, IEEE 802.11ah simulator Sinalgo, precision agriculture.

1. Introdução

A informática tem trazido grandes contribuições para as pessoas, principalmente no que diz respeito à comunicação e ao compartilhamento de informações. Estas que, atualmente, são distribuídas e compartilhadas por dispositivos móveis por meio de uma comunicação sem fio.

O avanço dos sistemas eletromecâ nicos (MEMS – Micro Electro-Mecanical Systems) possibilitou o desenvolvimento de um novo tipo de rede ad hoc, denominada de Redes de Sensores Sem Fio (RSSF).

Uma Rede de Sensores sem Fio é composta por dispositivos autônomos e compactos denominados sensores, estes que são dispostos em uma área geográfica de interesse a ser monitorada, agindo de forma colaborativa com outros nós e com a própria rede.

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www.interscienceplace.org - página 150 de 196 No processo de monitoração, nós especiais, denominados nós sink, fazem a recuperação de informações dos nós sensores que estão à sua volta e repassa estas para um observador. O observador pode ser uma estação rádio base por exemplo.

O foco principal de uma RSSF é a utilização de um nó sensor, este que é um dispositivo que tem dimensões reduzidas e possui gerenciamento limitado com relação à energia para se manter ativo. Por esse e outros motivos, o estudo sobre as Redes de Sensores Sem Fio é objeto de estudo de diversas linhas de pesquisa, principalmente no que diz respeito à topologia e otimização da rede (CARDEI et al., 2002).

O uso das RSSF é vasto para serem aplicadas em diversas áreas, como militar, medicina, entre outras. Esse artigo tem aplicação foco, a agricultura de precisão, onde apresenta um grande potencial para testes e quando se utiliza as RSSF pode-se fazer medição de vários itens como temperatura. As informações coletadas pelos sensores servirão para que o observador possa tomar decisões. Contudo, existe uma restrição quanto à sua utilização que é relacionada à bateria dos sensores. O processo de consumo de energia dos sensores dar-se através do envio de dados, recebimento de dados e a maior parte da energia consumida, é quando ocorre a transmissão de dados de um sensor para o outro, logo é interessante analisar uma estratégia para que não ocorra tal desperdício levando à morte da RSSF.

Podem ocorrer falhas nas RSSF e estas estão condicionadas a diversos fatores, como por exemplo, interferência, término de energia da bateria de um sensor, entre outros. Essas falhas podem ser minimizadas utilizando diversas estratégias e uma delas é a aplicação de protocolos de rede. Existem diversos protocolos de roteamento de rede que aperfeiçoam o processo de transmissão de dados dentro da RSSF, dessa forma uma das estratégias que pode ser utilizada e será aplicada e apresentada nessa dissertação será com base na redução de envio e recebimento de mensagens pela.

Este artigo consiste na simulação de uma RSSF com base nos padrões ZigBee e IEEE 802.11ah. A presente pesquisa parte do princípio de que a utilização

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www.interscienceplace.org - página 151 de 196 do padrão IEEE 802.11ah ajuda na diminuição do consumo de energia por parte dos nós sensores em uma RSSF.

Este estudo tem como objetivo geral analisar o comportamento de uma rede de sensor sem fio com base nos padrões ZigBee e IEEE 802.11ah. Especificamente, pretende-se: a) Abordar conceitos e fundamentos sobre os padrões ZigBee e IEEE 802.11ah; e b) Analisar o comportamento da RSSF utilizando os dois padrões, observando o consumo de energia dos nós sensores, bem como o quantitativo de mensagens transmitidas e energia consumida.

Além desta introdução, este artigo possui mais cinco seções principais. Na seção seguinte será apresentada uma breve revisão teórica sobre redes de sensores sem fio, logo após, um levantamento bibliográfico sobre os padrões ZigBee e IEEE 802.11ah, assim como a metodologia que foi empregada para alcançar os objetivos. Por fim, são apresentados os resultados e a discussão da análise dos dados, bem como algumas conclusões.

2 Redes de sensores sem fio

A tecnologia de componentes eletrônicos vem melhorando muito e há diversos estudos para a implementação destes em RSSF, ajudando diversas aplicações que fazem monitoramento em diversas áreas. É necessário criar formas de manter a vida útil desse tipo de rede, minimizando ao máximo a energia consumida pelos sensores. Daí surge o problema das Redes de Sensores Sem Fio, este que impulsiona a diversos desafios, principalmente no que diz respeito à qualidade de serviço da rede.

Segue abaixo uma representação de RSSF aplicada à monitoração de radiação. Caso ocorra alguma mudança, é possível alertar as pessoas que estão próximas à área para uma possível evacuação.

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Figura 1 – Monitoramento de radiação. Fonte: Holanda et al, 2011.

Segundo a taxonomia de Tilak et al. (2002), alguns elementos compõem uma RSSF, a saber:

 Sensor: dispositivo que tem a função de monitorar um determinado fenômeno, fazendo a coleta de informações e as repassando a um observador e na Figura 1 os elementos na cor vermelho são os sensores;

 Observador: usuário final interessado em receber as informações captadas pelos sensores, podendo haver diversos em uma área a ser monitorada, no caso da Figura 1, pode-se ver um elemento na cor verde; e

 Fenômeno: acontecimento observável, onde suas informações monitoradas serão passadas a um observador através dos sensores. No caso da Figura 1, o fenômeno observado é o nível de radiação.

Segundo Loureiro et al. (2003), muitos dispositivos sensores compartilham duas características:

 Habilidade de sensoriamento diminui quando a distância aumenta; e

 Devido aos efeitos decrescentes dos ruídos nas medições, a habilidade de sensoriamento pode melhora r com o tempo de sensoriamento.

Para se ter melhor qualidade de serviço é interessante observar alguns aspectos: cobertura da área monitorada, onde detecta e monitora um fenômeno, tais habilidades estão ligadas ao raio de sensoriamento e posicionamento dos nós sensores (NAKAMURA, 2003), conectividade entre os sensores, roteamento das informações, congestionamento e colisão (TILAK, 2002), que são pontos de estudo por diversas áreas, principalmente a área de pesquisa operacional.

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www.interscienceplace.org - página 153 de 196 Abaixo uma representação de uma situação de monitoramento:

Figura 2 – Estabelecimento da rede de sensores. Fonte: Loureiro et al., 2003.

Podemos observar que ao espalhar os sensores em uma determinada área, estes podem ocupar uma mesma área de cobertura, c hegando a monitorar ao mesmo tempo, dessa forma ocorre um gasto desnecessário de energia, causando redundância de dados e, principalmente, congestionando a rede (CARDEI et al., 2002).

O objetivo se ter uma RSSF é de poder coletar as informações disseminadas por esta e fazer uma analise para tomada de decisões. Dessa forma, toda RSSF possui uma arquitetura básica e, segundo Pereira el al. (2011), está dividida da seguinte forma: infraestrutura, protocolo de rede e de aplicação/observador.

O nós sensores são dispositivos autônomos e compactos denominados sensores, estes que são dispostos em uma área geográfica de interesse a ser monitorada, agindo de forma colaborativa com outros nós e com a própria rede. Esse nós sensores são compostos por um processador, uma memória e uma bateria, ambos de capacidade limitada; uma placa de sensoriamento e um rádio para fazer a comunicação.

A utilização de um nó sensor dar-se da seguinte forma: o sensor (1) coleta um tipo de dados (por exemplo, temperatura de um ambiente) e o manda para o processador (2), que envia os dados para memória (3), sendo armazenados temporariamente. O transceptor (4) tem a função de receber dados da RSSF e

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www.interscienceplace.org - página 154 de 196 enviar os dados para fora dela. A bateria (5) é o componente mais crítico e que vai determinar a vida útil da RSSF.

3 Padrões utilizados em redes de sensores sem fio

Há diversos padrões utilizados para a comunicação sem fio e a escolha de qual tipo de padrão utilizar dar-se através de vários fatores, dentre eles a distância de alcance, como mostra a figura abaixo:

Figura 3 – Padrões de comunicação sem fio. Fonte: Monsignore, 2007.

Este artigo irá abordar apenas os padrões ZigBee, localizado em Wireless Personal Area Networking (WPAN) e IEEE 802.11, localizado em Wireless Local Area Networking (WLAN).

Antes de falarmos sobre o padrão ZigBee, iremos fazer uma breve explanação sobre o padrão IEEE 802.15.4, conhecido como Low Rate – Wireless Personal Area Network (LR-WPAN), tem como características principais, o baixo consumo de energia e baixa transmissão de dados e segundo (NOVA, 2009), se diferencia em diversas áreas, como por exemplo, redes residenciais, automotivas, dentre outros. O IEEE 802.15.4 contribui no aspecto geral da rede, criando uma espécie de sincronização de energia para os nós sensores, fazendo estes serem

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www.interscienceplace.org - página 155 de 196 desativados por um período de tempo e quando provocados, são ativados ao mesmo tempo.

O padrão IEEE 802.15.4, segundo Nova (2009), é limitado com relação à “[...] distância máxima atingida pelo raio de transmissão do sinal [...]”, dessa forma há necessidade de se criar um mecanismo que ajude a rede transmitir dados em uma distância maior, então se criou o padrão ZigBee para complementar.

De acordo com Farahani (2008), ZigBee é uma tecnologia desenvolvida pela ZigBee Alliance, com foco em monitoração e controle sem fio. Graças à baixa potência de operação, baixa taxa de transmissão e baixo custo de implantação, ficam claro a utilização desta tecnologia para as RSSF. O ZigBee pode ser utilizado em diversas aplicações, como mostra a figura abaixo:

Figura 4 – Aplicações que utilizam ZigBee. Fonte: ZigBee, 2008.

Existem diversas vantagens em se utilizar ZigBee, dentre elas, duração das baterias e baixo custo, e de acordo com ZigBee Alliance (2008 apud NOVA, 2009), todas essas aplicações tiveram sucesso.

A arquitetura ZigBee está implementada em camadas e segue como referência o modelo Open Systems Interconnection (OSI). Há uma divisão entre a IEEE e a ZigBee Aliance para implementação das camadas, como mostra a figura abaixo:

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www.interscienceplace.org - página 156 de 196 É muito comum haver uma confusão entre identificar ZigBee e 802.15.4 O padrão 802.15.4 é implementado em apenas uma parte das camadas mais baixas do modelo OSI, como explica Zucato (2009). As camadas definidas pela IEEE 802.15.4 são camada física (PHY) e de controle de acesso (MAC), e as camada definidas pela ZigBee Aliance são camada de rede (NWK) e de aplicação (APL).

Outro padrão desenvolvido pelo IEEE, com o objetivo de padronizar a comunicação nas redes locais. Conhecido como Wireless Fidelity (wifi), este padrão especifica as camadas: física (PHY) e controle de acesso ao meio (MAC).

Para se utilizar este padrão, é interessante observar algumas características:

 Mobilidade: deve permitir que os usuários se desloquem e façam transferência de dados de qualquer ponto;

 Área de cobertura: depende de qual ambiente utilizará o padrão, podendo exigir pequena ou grande cobertura;

 Segurança: a transmissão de dados é importante e é necessário ter formas apropriadas de segurança; e

 Consumo de energia: este padrão tem implementado um gerenciador de energia capaz de manter por um tempo a conexão entre pontos móveis com a base.

Este padrão não necessita de cabos, dessa forma a transmissão e recepção de dados são através do ar, utilizando radiofrequência.

O avanço das redes sem fio impulsionou a criação de padrões dentro do IEEE 802.11, a saber: 802.11b, 802.11a e 802.11g. Estes padrões são os principais e a letra acoplada ao 802.11, refere-se a dois fatores: faixa de frequência e velocidade. Segundo Duncan (2006), as características comuns a estes padrões são:

 Utilização da mesma camada de enlace;

 Capacidade de redução da taxa de transmissão de dados; e

 Trabalham tanto em rede infraestruturada quando ad-hoc.

No Quadro abaixo, encontram-se de forma resumida as características dos três principais padrões 802.11.

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www.interscienceplace.org - página 157 de 196 Quadro 1 – Características dos padrões a/b/g.

802.11a 802.11b 802.11g Frequência 5GHz 2,4GHz 2,4GHz Taxa de Transferência 54Mbps 5,5 e 11Mbps 54Mbps Técnica de modulação OFDM DSSS – FHSS OFDM

Interferência Limitada Potencial Potencial Aceitação

mundial Não Sim Sim

Compatibilidade - - 802.11b

Fonte: Adaptado de Souto (2005) e Duncan (2006).

Os padrões 802.11a e 802.11b foram criados na mesma época, porém o custo de implementação do 802.11a é mais alta, onde poucas aplicações a utilizam. O 802.11b segue as especificações originais do padrão 802.11, possuindo menor custo, atendendo uma quantidade maior de aplicações. Já o 802.11g é a fusão de 802.11a e 802.11b, totalmente compatível com 802.11b e, segundo Messias (2011), é “[...] o padrão da camada física nos dispositivos wi-fi [...]”.

Há muitas discussões acerca de melhorar a comunicação sem fio, onde surgem novos produtos, novas aplicações e que depende de novos padrões, dessa forma IEEE não tem medido esforços em criar novos padrões ou estender padrões já existentes.

Tem-se discutido muito os padrões que estão sendo utilizados em RSSF, pois o fator crítico é energia das baterias dos sensores, e xistem alguns esforços em relação a algoritmos e protocolos de rede para minimizar o consumo de energia e aumentar a vida útil da rede. Dessa forma, um dos novos projetos da IEEE é a formulação do padrão 802.11ah.

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www.interscienceplace.org - página 158 de 196 Este padrão, segundo Lin et al. (2012), tem propagação de sinal aperfeiçoado, maior alcance (cobertura), e usa frequência portadora menor que 1GHz. E segundo o mesmo autor, há possibilidade potencial de se usar este padrão para o modelo de comunicação máquina para máquina (M2M 1 machine-to-machine), que usam serviços como Smart Grid e agricultura inteligente.

No trabalho de Redieteab (2012), o autor fala que o padrão IEEE 802.11ah tem como foco a redução do consumo de energia, robustez e aumento do número de estações. Segundo o mesmo autor houve uma melhoria importante na camada de controle de acesso ao meio, que foi a modificação do quadro ACK, como mostra a Figura abaixo:

Figura 5 – ACK normal x ACK ultracurto. Fonte: Redieteab, 2012.

Como pode ser observado, houve um encurtamento do quadro ACK-normal. A ideia de se ter um ACK-ultracurto é reduzir a sobrecarga de forma a garantir robustez e também evitar falsos positivos.

No

1

Tem como objetivo interligar diversos dispositivos autônomos, para que os mesmos possam se comunicar sem um controlador central.

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www.interscienceplace.org - página 159 de 196 Quadro 2 abaixo serão apresentadas, de acordo com a IEEE, as especificações técnicas do padrão IEEE 802.11ah.

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www.interscienceplace.org - página 160 de 196 Quadro 2 – Comparação das especificações dos padrões ZigBee e 802.11ah.

Especificação ZigBee Wifi

Especificação IEEE 802.15.4 802.11ah

Frequência de banda Brasil (902~915MHz)

< 1GHz Brasil (902~928MHz) Largura de banda de canal 2 MHz 1 / 2 / 4 / 8 / 16 MHz

Taxa de transferência 250kbps 100kbps

Área de cobertura de serviço 10 a 100m < 1 Km ( 800m) Quantidade de estações suportadas 68000 8000

Fonte: Zucato, 2009 e Redieteab, 2012.

Segundo Redieteab (2012), o padrão 802.11ah deve ser utilizado em redes que tenham um grande número de estações, que pode chegar a aproximadamente 8000.

O padrão ainda está em desenvolvimento e provavelmente a aprovação deva sair em novembro de 2014, de acordo com o cronograma2 da IEEE.

4 Simulação

O simulador utilizado para testar os experimentos desta dissertação foi o Simulator for Network Algorithms (SiNAlgo). Criado pelo Grupo de Computação Distribuída (DCG) em ETH Zurique, o Sinalgo é um framework de simulação para testar e validar algoritmos de rede (SINALGO, 2012).

Este simulador tem como objetivo a camada de rede. Dessa forma, o Sinalgo abstrai as camadas subjacentes e a implementação pode ser feita de maneira

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Disponível em: <http://grouper.ieee. org/ groups/802/11/ Reports/802.11_Timelines.htm >. Acesso em: 12 nov. 2012.

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www.interscienceplace.org - página 161 de 196 menos árdua. Por isso a escolha deste simulador para a verificação dos experimentos.

Quanto mais mensagens circular pela RSSF, mais energia será consumida, logo quanto menos mensagens circular na RSSF, maio será o tempo de vida útil .

O protocolo de roteamento utilizado foi o NSinks (BASTOS, 2011) com as seguintes características:

 Nós: existem apenas dois tipos de nós sensores utilizados, nó Sink e nó Fonte. O nó Sink enviará mensagens à rede e também receberá mensagens dos nós Fonte. O nó Fonte só enviará mensagens para o nó Sink;

 Estruturação do pacote de mensagem: serão definidos dois pacotes de mensagens, um de monitoramento e outro de roteamento. O pacote de mensagem de monitoramento será enviado pelo nó Fonte. O pacote de mensagem de roteamento será enviado pelo nó Sink. Ambos os pacotes de mensagens irão herdar as funcionalidades da classe Messages do Sinalgo;

 Modelo de energia: o modelo de energia utilizado para a simulação será o mesmo utilizado por Bastos (2011). É utilizada uma potência de transmissão com valor máximo 1 e mínimo de 0, determinado pelo simulador Sinalgo;

 Configuração e seleção de rotas: a seleção de rotas é feita de acordo com a disposição dos nós, onde será calculada a distância entre eles e para cada distância, será utilizada uma potência específica; e

 Monitoramento: o evento a ser monitorado será a temperatura de um solo . Foi convencionado para este trabalho como unidade de tempo o round. Antes de começar a simulação, o nó sink foi configurado para enviar uma me nsagem para todos os nós sensores fonte para que os mesmos possam monitorar a temperatura dentro de sua área de cobertura.

Dois cenários foram criados para simulação, um configurado para o padrão ZigBee e o outro configurado para o padrão IEEE802.11ah. Doi s parâmetros importantes foram utilizados para ambos os cenários: área de cobertura dos nós

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www.interscienceplace.org - página 162 de 196 sensores e taxa de transferência de dados. Foi convencionado para os dois padrões a frequência de 915MHz e largura de banda de canal igual a 2MHz.

A maior parte da energia dissipada do nó sensor fonte está no envio de mensagem, logo foram adotados dois critérios para a simulação se encerrar: quando não houver conectividade entre o nó sensor fonte e nó sensor sink ou quando metade dos nós sensores esgotarem suas baterias.

Para que fosse melhor aproveitado ao ambiente a ser simulado, houve uma redução de 50% do valor da área de cobertura dos nós sensores: para o padrão ZigBee, 50 metros e para o IEEE 802.11ah, 400 metros.

Seguem abaixo os parâmetros de simulação:

Tabela 1 – Parâmetros de simulação

Descrição Valor

Número de simulações 5

Área (ambiente) 350m x 300m

Quantidade de nós sensores 170

Quantidade de nós sinks 1

Intervalo e cada simulação de repetição 5 minutos Energia inicial dos nós sensores 2 Joules

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www.interscienceplace.org - página 163 de 196

5 Resultados e discussão

Foram feitas cinco simulações para cada padrão, onde cada simulação teve 170 nós sensores fonte e 1 nó sensor sink, dispostos de forma aleatória, alocados em uma área (350metros x 300metros).

A Figura abaixo mostra o estágio inicial da simulação, onde o nó sensor sink (Figura 6a – ZigBee | Figura 6b – 802.11ah) está enviando mensagem a todos os nós sensores fonte para descoberta de rotas:

(a) (b)

Figura 6 – Nó sensor Sink enviando mensagem aos nós sensores.

As simulações tiveram praticamente os mesmos resultados, dessa forma, usaremos a ultima repetição de simulação de cada padrão como resultado de amostragem para este artigo.

A unidade de tempo aqui utilizada foi o round e para fazermos uma analogia ao tempo real, o seguinte cálculo foi feito: 60 rounds decorridos no simulador Sinalgo corresponde a 1 segundo no tempo real. O ambiente a ser monitorado será um

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www.interscienceplace.org - página 164 de 196 campo de agricultura e o fenômeno a ser observado é a temperatura do solo. O monitoramento da temperatura do mesmo foi feito em 129000 rounds, o que corresponde a 7 dias, sendo cada dia correspondido à 18429 rounds aproximadamente.

O tempo total de simulação para o padrão IEEE 802.11ah foi de 129000 rounds e para o padrão ZigBee foi de 62654 round, e observou-se em um dado tempo que a simulação utilizando o padrão ZigBee, a RSSF teve morte pré-matura com uma diferença de 66346 rounds. A este resultado deu-se por dois motivos: pelos nós sensores fonte estarem dispostos de forma aleatória, nem sempre a rota (caminho) será bem distribuída, sendo as mensagens transmitidas por certa rota, sobrecarregando os nós sensores que estão perto do nó sensor sink; outro motivo é a área de cobertura dos nós sensores ser bem menor que a dos nós sensores que utilizam o padrão IEEE 802.11ah.

Não houve interferência nas simulações para que se tivesse o máximo grau de confiabilidade para a entrega de mensagens dos nós sensores fonte ao nó sensor sink. Para a entrega de mensagens foram utilizadas taxas de transferentes para ambos os padrões: 256kbps para o ZigBee e 100kbps para o IEEE 802.11ah. De acordo com as taxas e com a posição dos nós sensores fonte, foi calculada a potência de transmissão, que variou entre 0 e 1, implementado no simulador Sinalgo.

A quantidade de mensagens transmitidas para o padrão ZigBee foi de 249290 e para o padrão IEEE802.11ah foi de 283320, uma diferença de 12%. O quantitativo de mensagens recebidas pelo nó sensor sink com padrão ZigBee foi de 20905, já o nó sensor sink com padrão IEEE802.11ah recebeu 133790 mensagens. Uma diferença de 112885 mensagens a mais pra o padrão IEEE 802.11ah.

A manutenção da rota é feita com base em um temporizador, com valor igual a 800 rounds e transmissão de 144 pacotes, a fim de balancear a RSSF em termos de energia. A energia gasta na transmissão total de pacotes pela RSSF utilizando o padrão ZigBee foi de 70.11 Joules, enquanto para o padrão IEEE 802.11ah foi de 79.68 Joules.

No padrão ZigBee, foi observado que os nós sensores próximos ao nó sensor sink tiveram sua bateria esgotada de forma mais rápida que os nós sensores mais

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www.interscienceplace.org - página 165 de 196 distante. Já para o padrão IEEE 802.11ah, os nós praticamente mantiveram suas energias iguais, por estarem dentro da mesma área de cobertura.

6 Conclusões e trabalhos futuros

O uso do padrão IEEE 802.11ah é promissor, até mesmo pelos resultados apresentados em forma de simulação. A RSSF foi simulada com nós sensores estáticos em dois cenários, um utilizando o padrão ZigBee e o outro utilizando o padrão IEEE 802.1ah. No segundo pode-se observar um ganho interessante para o aumento de tempo de vida útil e pode ser usado em aplicações futuras, como em agricultura de precisão.

Mesmo a energia gasta no padrão IEEE 802.11ah sendo maior que no padrão ZigBee, a quantidade de mensagens que chegou ao nó sink foi superior e quando chegou ao término da simulação, todos os nós sensores tinham energia suficiente para mais transmissões, dessa forma, não houve perda de mensagens.

Redes de sensores sem fio é uma área que está em ascensão e está sendo muito discutido no que se refere ao desenvolvimento de estratégias para melhorar o consumo de energia, já que a bateria dos sensores tem um nível de energia baixa e são caras.

Como trabalhos futuros, sugere-se a utilização de nós sensores móveis, onde através de um equipamento móvel como um trator, seja possível chegar à área de monitoramento. Outro trabalho futuro poderia ser na investigação com mais detalhes do padrão IEEE 802.11ah.

Referências

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Imagem

Figura 1 – Monitoramento de radiação.
Figura 2 – Estabelecimento da rede de sensores.
Figura 3 – Padrões de comunicação sem fio.
Figura 4 – Aplicações que utilizam ZigBee.
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Referências

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