Análise da capacidade de comunicação dos sensores Radiuino

Transcrição

1 V Escola Regional de Informática de Mato Grosso p. 99 Análise da capacidade de comunicação dos sensores Radiuino Franco Magri Lupo 1, Ivairton Monteiro Santos 1 1 Instituto 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, 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, without routing data algorithms, or 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. The results showed that 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, sem a utilização de algoritmos de roteamento de dados ou de prevenção de colisão de pacotes. 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. Os testes demonstraram que a colisão dos pacotes é 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 aplicação 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), baseado na arquitetura Arduino (Banzi, 2009), que tem como objetivo principal a criação de projetos e protótipos de RSSF. Para o desenvolvimento adequado de um projeto e implantação de uma RSSF é preciso conhecer as capacidades e limitações dos dispositivos a serem utilizados. Este trabalho irá avaliar a qualidade da comunicação dos dispositivos Radiuino em conjunto com o rádio transmissor BE900 (disponível para utilização pelo grupo de pesquisa) (Radioit, 2012), considerando diferentes contextos organizacionais, empregando os sensores Radiuino em sua configuração original. Os testes buscaram avaliar o alcance de comunicação, a interferência de obstáculos na comunicação, a influência na comunicação quando há o emprego de um

2 V Escola Regional de Informática de Mato Grosso p. 100 gateway móvel e o quanto a colisão de pacotes inviabiliza na comunicação dos nós sensores da rede, formada pelos componentes descritos. 2. Metodologia dos testes Os experimentos 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 (à esquerda na figura), módulo Radiuino modelo DK102 v12 (à direita na figura), rádio transmissor modelo BE900 (na parte superior da figura) e módulo UartBee (no centro da figura) para gravação nos microcontroladores e comunicação com o computador (por meio de um nó gateway, que corresponde ao nó receptor dos pacotes de dados enviados pelos nós da rede de sensores). Figura 1. Foto de um kit Radiuino modelo DK102. 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 Alcance de comunicação O primeiro teste consiste em avalia 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 soldado na placa. O teste consiste no envio de pacotes de dados por um nó sensor fixo para o nó gateway, posicionado em um local aberto, sem a presença de obstáculos. Gradativamente o gateway foi se distanciando do nó transmissor até que a taxa de recebimento de pacotes ficou abaixo dos 5%. 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 foi aferido por meio de GPS Interferência na comunicação por obstáculos Esse teste buscou avaliar o quanto obstáculos podem interferir no alcance de comunicação dos nós sensores em relação à comunicação em campo aberto. A estratégia empregada neste testes foi semelhante à utilizada no teste (anterior) de alcance de comunicação. No entanto, apenas a potência do sinal máxima (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.

3 V Escola Regional de Informática de Mato Grosso p Recepção de pacotes de dados com o gateway em movimento Nesse ensaio a mobilidade do gateway foi posta à prova, 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. Na configuração com 3 nós sensores, permaneceram apenas os sensores das extremidades e o central, em relação à configuração com 5 nós. Portanto, a distância entre os sensores foi de 30 m. 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 comunicação, tendo sido utilizado apenas os valores mínimo (-30 dbm) e máximo (10 dbm); e o intervalo entre o envio de cada pacote de dado pelos nós sensores. Este intervalo foi de 0,2 s ou 0,5 s. Vale destacar que não houve nenhum tipo de sincronização entre os nós sensores Perda de pacotes por colisão Para se ter melhor compreensão da influência da colisão de pacotes de dados na comunicação entre os sensores, esse teste utilizou 5 nós sensores configurados em potência de comunicação de rádio máxima (10 dbm). Foram utilizados duas configurações de frequência de envio dos dados, uma frequência com envio de pacotes a cada 0,2 s e outra com frequência de um pacote a cada 0,5 s. Nesse teste foram utilizados 5 nós sensores, distantes 5 m entre si e todos a 15 m do gateway, em campo aberto, sem a interferência de obstáculos. O teste consistiu em monitorar o recebimento dos pacotes de dados de cada nó sensor pelo gateway pelo período de 1 minuto, registrando também o número de pacotes enviados por cada nó sensor. No primeiro estágio do teste apenas 1 nó sensor enviou dados. Na sequência, 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. É importante destacar que não houve nenhum tipo de sincronização entre os nós sensores.

4 V Escola Regional de Informática de Mato Grosso p Resultados Todos os testes foram executados por mais de uma vez, de modo que os resultados apresentados correspondem a uma média dos valores obtidos 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 foi de 21,5 m, enquanto que em potência máxima o alcance chegou a 205 m. Figura 3. Gráfico com os resultados do alcancede comunicação dos nós sensores, variando a potência do sinal de rádio Interferência na comunicação por obstáculos Conforme esperado, os resultados desse teste demonstraram que a existência de obstáculos pode interferir de maneira substancial na qualidade de comunicação dos sensores Radiuino. Enquanto que o alcance de comunicação entre dois nós sensores, configurados com potência máxima no sinal de rádio chegou a 205 m, no contexto com obstáculos (vegetação) essa mesma configuração obteve 80 m. O resultado obtido com a existência de obstáculos corresponde a 39% da capacidade de alcance em campo aberto. Essa interferência pode ser explicada pelo fato dos sensores trabalharem em frequência de 2,4 Ghz, sabendo-se que esta frequência é sensível à água e que a vegetação possui considerável índice de água, tal contexto justifica a queda na capacidade de alcance de comunicação. Além ainda, da possível ocorrência de refração 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. Dessa forma, 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.

5 V Escola Regional de Informática de Mato Grosso p. 103 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 da rede com 10 nós. Figura 5. Porcentagem de pacotes recebidos pelo gateway móvel da rede com 5 nós. Figura 6. Porcentagem de pacotes recebidos pelo gateway móvel da rede com 3 nós. Os gráficos, dos diferentes testes, mostraram que não há uma 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

6 V Escola Regional de Informática de Mato Grosso p. 104 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 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. 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 o contexto da aplicação houver obstáculos formados por vegetação esse alcance cai para ~80 m. Verificou-se também que a 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. Dessa forma, é necessário empregar algoritmos de prevenção de colisão de pacotes. References Akyildiz, I. F., Su, W., Sankarasubramaniam, Y., and Cayirci, E. (2002). Wireless sensor networks: A survey, In: Computer Networks, v. 38, pp 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 < Hill, J., Horton, M., Kling, R. E Krishnamurthy, L. (2004). The Platforms Enabling Wireless Sensor Networks, In: Commun. ACM, v. 47, n. 6, pp Radioit (2012). BE 900 Datasheet. Acesso online < Datasheet.pdf>.