Arquitetura

Uma rede de sensores sem fio (RSSF) é essencialmente composta por nós sensores, dispositivos autônomos que se relacionam entre si de maneira a criar uma rede ad-hoc (rede formada por conexões temporárias com o fim de resolver realizar uma tarefa específica) ou uma rede estruturada (usualmente não utilizada). Estes nós devem ser capazes de obter medidas, processá-las e retransmiti-las através de outros nós até um nó sorvedouro que serve como ponto de acesso onde os dados podem ser analisados e fornecidas ao usuário ou um observador.

3.1) A Estrutura de um Nó Sensor

A estrutura de um nó sensor genérico pode ser observada a seguir:

Entre seus componentes estão:

A Bateria: Para garantir a autonomia e flexibilidade dos nós, comumente se emprega o uso de baterias. Assim, o sensor pode facilmente ser deslocado sem necessidade de criar meios de alimentá-lo. Devido a isso, tem-se interesse no uso de componentes e rotinas de baixo consumo para aumentar o tempo funcional do sensor. Para aplicações de longa duração e em locais de difícil acesso, pode-se optar por fontes alternativas como células solares, geração através de vibração e ondas acústicas. O nó também pode obter uma alimentação DC direta de uma fonte, sendo esta mais utilizada no caso de redes estruturadas onde a posição do nó sensor é fixa.

Unidade de Sensoriamento: Composto por um sensor e um conversor A/D, é responsável pela tomada de dados. O processo resume-se em converter um sinal físico em um sinal que pode ser quantificado digitalmente de modo a ser processado pela unidade computacional.

Unidade de Computação: Os dados obtidos dos sensores devem ser armazenados antes de serem processados e transmitidos. A unidade de computação é responsável por realizar o pré-processamento e a montagem de uma unidade de dados que será passada para a unidade de comunicação para ser enviada.

Unidade de Comunicação: Unidade responsável pela transmissão, recebimento, amplificação e geração de sinais. Composto principalmente por um oscilador que determina a frequência do sinal transportador de dados e por uma antena no caso de transmissão por radio.

3.2) Estrutura da RSSF:

Redes de sensores costumam apresentar nodos especiais que se diferenciam dos nós sensores usuais: como gateway, sink e cluster-head (nó lider).

Os nós de gateway são responsáveis por conectar a rede de sensores a uma outra rede como a internet a fim de enviar os dados dos sensores ao computador que roda a aplicação do sistema de sensores para que a informação possa ser disponibilizada ao usuário.

O nó sink tem como objetivo concentrar os dados de sensoriamento de todos os nós da rede e repassá-los ao usuário que roda a aplicação do sistema. Também é encarregado de realizar chamadas na rede de solicitações de serviços provenientes da aplicação e enviar a resposta destes serviços à aplicação.

Os nós líderes são responsáveis por monitorar e coordenar todos os nós escravos presentes em seu aglomerado. Este realiza a fusão de dados de seu aglomerado e o envia ao nó sorvedouro (sink) por roteamento multi-salto realizado por outros nós lideres

Em relação à estrutura de uma rede de sensores sem fio, esta varia de acordo com a aplicação para a qual ela foi projetada. Elas podem ser caracterizadas segundo sua configuração, sensoriamento, comunicação e processamento.

3.2.1) Configuração:

Sua composição pode ser:

Homogênea: Os nós apresentam a mesma capacidade de hardware, podendo apresentar softwares diferentes entre si.

Heterogênea: Os nós apresentam diferentes hardwares com diferentes capacidades físicas.

Sua organização pode ser:

Hierárquica: Os nós da rede de sensores são organizados em aglomerados (clusters) onde há um nó lider (cluster-head) que pode ser eleito entre os nós comuns. Os aglomerados também podem organizar hierarquias entre si.

Plana: Os nós não estabelecem hierarquias entre si e podem se conectar com todos os nós dentro do alcance de seu meio de comunicação.

A mobilidade dos sensores podem ser caracterizadas em:

Estacionária: Os nós sensores permanecem em um lugar fixo desde o momento de sua ativação.

Móvel: Os nós sensores podem se deslocar de suas posições iniciais e a rede deve se adaptar ao deslocamento dos nós.

A densidade da rede pode ser:

Balanceada: A distribuição e concentração de nós na rede é feita de modo eficiente segundo seu objetivo.

Densa: A rede apresenta uma alta concentração de nós por unidade de área.

Esparsa: A rede apresenta uma baixa concentração de nós por unidade de área.

A distribuição dos nós pode ser:

Irregular: Os nós são destribuídos de maneira não uniforme na área monitorada.

Regular: Os nós são destribuídos de maneira uniforme na área monitorada.

3.2.2) Coleta do Sensoriamento:

A coleta do sensoriamento pode ser:

Periódica: Os nós coletam dados de seus sensores em intervalos regulares de tempo.

Contínua: Os nós coletam dados continuamente de modo que o microprocessador não entre em estado de espera.

Reativa: Os nós coletam dados apenas quando certos eventos de interesse ocorrem ou quando é solicitado pelo observador.

Tempo Real: Os nós sensores coletam a maior quantidade de dados possível por intervalo de tempo.

3.2.3) Comunicação:

As formas de disseminação dos dados são:

Programada: Os nós disseminam a informação em intervalos regulares.

Contínua: Os nós disseminam os dados de forma contínua.

Sob demanda: Os nós disseminam os dados segundo a consulta do observador ou à ocorrência de eventos medidos.

Os tipos de conexão formadas em redes RSSF são:

Simétrica: Todas as conexões existentes entre os nós sensores, têm o mesmo alcance.

Assimétrica: As conexões entre os nós comuns têm alcance diferente.

A transmissão dos nós podem ser:

Simplex: Os nós sensores apresentam transceptores que permitem apenas a transmissão da informação.

Half-duplex: Os nós sensores apresentam transceptores que permitem a transmissão ou recepção de dados em um instante.

Full-duplex: Os nós sensores apresentam transceptores capazes de transmitir e receber dados ao mesmo tempo.

A alocação do canal de RSSF podem ser caracterizadas como:

Estática: A banda é dividida na freqüência (FDMA –Frequency Division Multiple Access), no tempo (TDMA – Time Division Multiple Access), no código (CDMA – Code Division Multiple Access), no espaço (SDMA – Space Division Multiple Access) ou ortogonalmente (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing) em partes iguais e atribuídas exclusivamente a cada nó de modo a minimizar a interferência.

Dinâmica: Não existe atribuição fixa da largura de banda. Os nós disputam o canal de comunicação de dados através de algorítmos de prevenção de collisão e detecção de colisão.

O fluxo de informação pode ser um entre cinco tipos de fluxos:

Flooding: Redes com esta característica possuem nós que são configurados para o envio de dados em modo broadcast para todos os nós em seu alcance, também são configurados para o reenvio de qualquer dado recebido dos nós vizinhos até que os dados alcancem o ponto de acesso. Esta abordagem promove um alto overhead, mas imuniza a rede a mudanças dinâmicas de topologia e alguns ataques de DoS (Denial of Service).

Multicast: Neste tipo de rede, os nós formam aglomerados e comunicam entre si usando multicast.

Unicast: Neste tipo de rede, os nós sensors podem comunicar-se diretamente com o ponto de acesso usando protocolos de roteamento multi-saltos.

Gossiping: Os nós de redes deste tipo selecionam nós específicos para os quais enviam os dados.

Bargaining: O fluxo de informação deste tipo só ocorre caso o nó destino manifeste interesse em receber a informação, isto é, deve haver um requerimento do nó destino para que o nó sensor envie a informação do sensoriamento.

3.2.4) Processamento:

A cooperação de processamento entre os nós pode ser calssificada segundo seu fim em:

Infra-estrutura: Os nós sensores executam procedimentos relacionados à infra-estrutura da rede. Algorítmos que envolvem o controle de acesso a rede, relacionamento entre os nós, seleção de líderes, roteamento, criptografia e determinação da localização de cada nó através da criação de um mapa de rede.

Localizada: Os nós executam os procedimentos de infra-estrutura além de algum processamento local básico, como a tradução dos dados coletados pelos sensores locais baseados na calibração.

Correlação: Os nós estão engajados em procedimentos de correlação de dados como fusão,supressão seletiva de dados, compressão, agregação, contagem entre outros de dados dos seus vários sensores ou dados de sensores vizinhos.

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