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Introdução as Redes de Sensores Sem Fio
 

Introdução as Redes de Sensores Sem Fio

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Slides do Minicurso de Introdução às Redes de Sensores Sem Fio, apresentado durante o ERBASE 2012 em Juazeiro na Bahia.

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    Introdução as Redes de Sensores Sem Fio Introdução as Redes de Sensores Sem Fio Presentation Transcript

    • 2012 INTRODUÇÃO ÀS REDES DE SENSORES SEM FIO Instrutor: Matheus Araújo
    • Autores2  Matheus Lima de Araújo Graduando em Ciência da Computação pela Universidade do Estado do Rio Grande do Norte (Campus de Natal, Núcleo de Santa Cruz), realizando trabalho de conclusão de curso na área de Redes de Sensores Sem Fio. Lattes: http://lattes.cnpq.br/9287919922944647  Marianna Angélica de Araújo Graduanda em Ciência da Computação pela Universidade do Estado do Rio Grande do Norte (Campus de Natal); Bolsista de Iniciação Científica do CNPq; participante do Grupo de Sistemas Distribuídos (GSiD-UERN). Lattes: http://lattes.cnpq.br/4356983590666266  Dayanne Kelly Freire da Rocha Escalé Mestre em Ciência da Computação pela Universidade do Estado do Rio Grande do Norte; participante do Grupo de Sistemas Embarcados e de Tempo Real (GSET-UERN); professora auxiliar no Departamento de Ciência da Computação na UERN-Natal. Lattes: http://lattes.cnpq.br/1348329479058843 ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • O que são Redes?3  O que é uma Rede Ad-hoc?  O que são sensores?  O que é uma Rede de Sensores Sem Fio?  Vale a pena trocar redes de sensores cabeadas por redes de sensores sem fio? Por quê? ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Redes de Sensores Sem Fio4  Motivação  Limitação de  Definição recursos  Características  Possibilidade de falhas ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Hardware Básico dos nós5 sensores ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Hardware Básico dos nós6 sensores A Figura 1.2 mostra os componentes básicos de um nó sensor descritos em [LOUREIRO et al., 2003; VIEIRA, 2004], sendo eles o transceptor, responsável por realizar a comunicação sem fio. O microprocessador, que responde pela capacidade de processamento no nó. Quanto à memória, o microcontrolador possui uma interna e, na maior parte das vezes uma memória externa e secundária também está presente no nó. Os sensores são os responsáveis por realizar o mapeamento (registro) de eventos do mundo real em dados que serão coletados e utilizados pela rede. A fonte de alimentação dos componentes do hardware normalmente é composta por uma bateria (recarregável ou não) que pode chegar a ter o tamanho de uma moeda. Esta fonte de alimentação é um dos itens mais importantes no contexto das redes de sensores, pois a durabilidade da RSSF depende da energia disponível. ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Características das RSSF7  Endereçamento dos nós sensores  Agregação de dados  Mobilidade dos sensores  Restrições dos dados coletados  Quantidade de nós sensores  Tipo de comunicação: Broadcast  Limitação de recursos  Dependência da aplicação ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Critério Classificação Descrição Composição Heterogênea Os nós apresentam diferentes capacidades de hardware.Classificações das RSSF Homogênea Os nós podem ser idênticos quanto ao hardware, e por vezes podem apresentar softwares diferentes. Organização Plana Os nós da rede não formam grupos neste tipo de organização. Hierárquica A organização é feita agrupando os nós em clusters. Em cada cluster8 existirá um cluster-head que pode ser eleito pelos demais nós. Os clusters podem se organizar em hierarquias. Distribuição Regular Os nós da rede são distribuídos de maneira uniforme na área monitorada. Irregular Os nós são distribuídos de maneira não uniforme na área monitorada. Mobilidade Estática Os elementos depois de depositados permanecem imóveis durante o período de vida da rede. Dinâmica Os nós podem se deslocar depois de depositados para o monitoramento (apresentam mobilidade). Densidade Balanceada A quantidade de nós presentes por área é semelhante em toda a área de monitoramento. Densa A rede apresenta uma alta quantidade de nós por área, sendo esta concentrada. Esparsa A rede apresenta uma baixa quantidade de nós por área. Controle Aberta A rede realiza apenas o monitoramento na região. Fechada A rede realiza o monitoramento e também atua na região. Coleta de dados Periódica Em intervalos de tempo regulares são coletados dados na rede. Contínua A coleta de dados é feita continuamente, sem pausas. Reativa A coleta de dados é realizada apenas quando um evento ocorre ou ainda quando o observador solicita. Tempo-real Tem como objetivo a coleta da maior quantidade de dados possível dentro do menor intervalo de tempo. Disseminação Programada A disseminação dos dados ocorre em intervalos de tempo programados. ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Contínua Os dados são disseminados constantemente. Sob-demanda Os dados são disseminados quando ocorrem Matheus A. eventos ou quando o observador realiza consulta.
    • Classificações das RSSF9 Critério Classificação DescriçãoComposição Heterogênea Os nós apresentam diferentes capacidades de hardware. Homogênea Os nós podem ser idênticos quanto ao hardware, e por vezes podem apresentar softwares diferentes. ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Classificações das RSSF10 Critério Classificação Descrição Organização Plana Os nós da rede não formam grupos neste tipo de organização. Hierárquica A organização é feita agrupando os nós em clusters. Em cada cluster existirá um cluster- head que pode ser eleito pelos demais nós. Os clusters podem se organizar em hierarquias. ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Classificações das RSSF11 Critério Classificação Descrição Distribuição Regular Os nós da rede são distribuídos de maneira uniforme na área monitorada. Irregular Os nós são distribuídos de maneira não uniforme na área monitorada. ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Classificações das RSSF12 Critério Classificação Descrição Mobilidade Estática Os elementos depois de depositados permanecem imóveis durante o período de vida da rede. Dinâmica Os nós podem se deslocar depois de depositados para o monitoramento (apresentam mobilidade). ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Classificações das RSSF13 Critério Classificação Descrição Densidade Balanceada A quantidade de nós presentes por área é semelhante em toda a área de monitoramento. Densa A rede apresenta uma alta quantidade de nós por área, sendo esta concentrada. Esparsa A rede apresenta uma baixa quantidade de nós por área. ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Classificações das RSSF14 Critério Classificação Descrição Controle Aberta A rede realiza apenas o monitoramento na região. Fechada A rede realiza o monitoramento e também atua na região. ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Classificações das RSSF15 Critério Classificação Descrição Coleta de Periódica Em intervalos de tempo regulares são coletados dados dados na rede. Contínua A coleta de dados é feita continuamente, sem pausas. Reativa A coleta de dados é realizada apenas quando um evento ocorre ou ainda quando o observador solicita. Tempo-real Tem como objetivo a coleta da maior quantidade de dados possível dentro do menor intervalo de tempo. ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Classificações das RSSF16 Critério Classificação DescriçãoDisseminação Programada A disseminação dos dados ocorre em intervalos de tempo programados. Contínua Os dados são disseminados constantemente. Sob- Os dados são disseminados quando ocorrem demanda eventos ou quando o observador realiza consulta. ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Pilha de Protocolos das RSSF17 ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Áreas de Aplicação das RSSF18  Militar  Medicina/Biologia  Controle Industrial  Ambiente  Tráfego  Segurança ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Sistema Operacional TinyOS19  Em [RUIZ et al., 2004] uma descrição sobre o TinyOS é feita, sendo esta seção baseada no conteúdo do artigo citado. O sistema operacional TinyOS é simples, compacto baseado em eventos e foi projetado para ser utilizado essencialmente em Redes de Sensores Sem Fio, atendendo às suas necessidades como operações intensivas de concorrência com baixo poder de hardware (que possui limitações de recursos como memória de programa semelhante a 8KB e/ou memória RAM na faixa de 512 bytes) e economia de energia. A linguagem de programação adotada pelo TinyOS é a nesC (Pronuncia-se “NES-see”). ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Histórico do TinyOS20 Data Acontecimento 1999 Primeira plataforma TinyOS (WeC) e implementações do Sistema Operacional são desenvolvidos em Berkeley. 2000 Berkeley lança a plataforma rene e parceiros como a Crossbow Inc., passam a produzir hardware. É disponibilizada ao público através do SourceForge a versão 0.43 do TinyOS. As versões anteriores à 1.0 do TinyOS são uma mistura de scripts em C e Perl. 2001 Berkeley desenvolve a plataforma mica e libera ao público a versão 0.6 do TinyOS. Fev.2002 Berkeley distribui 1000 nós mica para outros participantes do projeto NEST (Network Embedded Systems Technology). Abr.2002 Um trabalho sobre a linguagem de programação nesC é iniciado em colaboração entre a Intel Research e a UC Berkeley. Set.2002 É lançado a versão 1.0 do TinyOS implementado em nesC. Ago.2003 A versão 1.1 do TinyOS é lançada, tendo novos recursos em nesC, incluindo dados de detecção de corrida. Set. 2003 – O TinyOS adota um processo de liberação periódica menor. Dez.2005 Jun.2004 Os grupos de trabalho para os próximos passos do TinyOS são formados baseados em experiência de porta-lo para ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Semos trabalhos para a versão novas plataformas. Iniciam-se Fio - 2.0. Matheus A.
    • Histórico do TinyOS21 Data Acontecimento Jul.2005 Concluído o projeto NEST. Dez.2005 Lançada a versão 1.1.15 do TinyOS, sendo esta a ultima versão 1.1. Fev.2006 É lançado a versão beta1 do TinyOS 2.0 no 3º TinyOS Technology Exchange em Stanford, CA. Jul.2006 Lançado o beta2 do TinyOS 2.0. Nov.2006 O TinyOS 2.0 é lançado na Conferência SENSYS em Boulder, CO. Abr.2007 Durante o 4º TinyOS Technology Exchange em Cambridge, MA, a versão 2.0.1 do TinyOS é lançada. Jul.2007 Lançado o TinyOS 2.0.2. Iniciados os trabalhos para o TinyOS 2.1. Ago.2008 TinyOS 2.1.0 é lançado. Abr.2010 É lançada a versão 2.1.1 do TinyOS. Jul.2010 O TinyOS é movido de servidor, passando a ser hospedado no Google Code, parte da transição incluiu a colocação de todas as partes do TinyOS sob uma nova licença BSD (no SourceForge várias licenças compatíveis foram utilizadas). ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • O que é TinyOS?22  O TinyOS é um sistema operacional simples, gratuito e de código aberto, baseado em componentes e feito para trabalhar com Redes de Sensores Sem Fio. O sistema operacional faz uso de eventos e de um conjunto de serviços.  Para se aprofundar mais no TinyOS, acesse: http://docs.tinyos.net/index.php/Main_Page  Ou http://www.tinyos.net ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Linguagem nesC23  Programar para TinyOS pode ser um pouco trabalhoso no início visto que é necessário aprender uma nova linguagem denominada nesC, sendo esta uma extensão da linguagem de programação C. Além de ser uma nova linguagem, o nesC foi criado incorporando as características do TinyOS como os conceitos e modelo de execução, e ainda obedece um novo paradigma (orientado a eventos). ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Linguagem nesC24  Desafios na construção de aplicações para RSSF:  Robustez: Assim que a rede for instalada no ambiente, ela deve permanecer funcionando sem intervenção humana, por meses ou até anos.  Baixo consumo de recursos: Os nós sensores possuem um hardware limitado, e dentro dessa limitação estão inclusas uma baixa quantia de memória RAM e uma bateria com vida útil limitada.  Diversas implementações de serviços: As aplicações devem poder escolher entre múltiplas implementações de serviços, como, por exemplo, roteamento multihop.  Evolução do hardware: O hardware dos nós sensores estão sempre evoluindo; As aplicações e a maioria dos serviços devem ser portáveis pelas gerações de hardware.  Adaptabilidade aos requerimentos das aplicações: As aplicações têm diversos requerimentos diferentes em termos de tempo de vida, comunicação, sensoriamento, etc. ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • nesC – Processo de25 Compilação ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • nesC – Processo de26 Compilação ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Componentes e Interfaces27  O nesC possui dois tipos de componentes, sendo eles:  Módulos. Componentes que são implementados com código na linguagem nesC.  Configurações. Componentes que são implementados pela ligação entre os componentes.  Interfaces. São componentes que devem ser implementados nos módulos. ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Instalação do Ambiente de28 Desenvolvimento  Para trabalhar com o TinyOS são necessários basicamente: O código-fonte do TinyOS  O compilador nesC  O compilador gcc específico para a plataforma de Hardware  Bibliotecas ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Instalação do Ambiente de29 Desenvolvimento A instalação do ambiente é simples e pode ser realizada seguindo alguns passos: Antes de tudo deve-se remover qualquer repositório antigo do TinyOS, que por ventura esteja no arquivo /etc/apt/sources.list.  Adicionar o repositório do tinyOS na lista de pacotes do sistema, editando o arquivo sources.list: cd /etc/apt edit sources.list  Inserir a linha a seguir no final do arquivo sources.list deb http://tinyos.stanford.edu/tinyos/dists/ubuntu lucid main ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Instalação do Ambiente de30 Desenvolvimento  Atualize o conteúdo do gerenciador de pacotes com o comando: sudo apt-get update  Instale a ultima versão do tinyOS. Neste caso vamos utilizar a ultima versão disponível, a tinyos-2.1.1. sudo apt-get install tinyos-2.1.1  Aceite o conteúdo das duas permissões, e edite o CLASSPATH do Java com o seguinte comando: edit /opt/tinyos-2.1.1/tinyos.sh ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Instalação do Ambiente de31 Desenvolvimento  Encontre a linha: export CLASSPATH=$TOSROOT/support/sdk/java  Troque ela pela seguinte: export CLASSPATH=$TOSROOT/support/sdk/java/tin yos.jar:.  Para concluir, edite o arquivo .bashrc, fazendo: edit ~/.bashrc as Redes de SensoresMatheus A.- ERBASE 2012 - Introdução Sem Fio
    • Instalação do Ambiente de32 Desenvolvimento  No final do arquivo, insira a linha a seguir: source /opt/tinyos-2.1.1/tinyos.sh  A instalação já está realizada, e deve-se dar permissão de escrita para a pasta /opt/tinyos- 2.1.1/, com o seguinte comando: sudo chmod 775 -R ./tinyos-2.1.1/*  Obs.: Onde está escrito edit deve ser substituído pelo editor de texto a ser utilizado e de sua preferência, como o VIM ou o GEDIT. ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Simulador TOSSIM33  Segundo [RUIZ et al., 2004] o TOSSIM (TinyOS SIMulator) é um simulador para eventos para RSSF que utilizam o TinyOS. Em vez de compilar o programa para ser utilizado em um nó sensor, o programador compila o mesmo para o ambiente do TOSSIM, desta forma podendo executar o código no próprio computador executando o TOSSIM. Desta maneira podendo deputar, testar, e analisar o código gerado em ambientes controlados. Devido ao TOSSIM ser executado no computador, podem ser utilizadas ferramentas de desenvolvimento para examinar os códigos. ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Desenvolvimento de aplicações34 em nesC  Todo programa em nesC é formado por componentes. A seguir estão descritos os principais componentes básicos.  Qualquer aplicação em nesC necessita ao menos dos seguintes arquivos:  Makefile  Configuração  Módulo  Cada um destes representa um arquivo, e todos eles estão armazenados no mesmo diretório. Nome do Arquivo Descrição Makefile Makefile testC.nc Arquivo de Configuração testP.nc Arquivo do Módulo test.nc Arquivo de Interface ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fiode Cabeçalho test.h Arquivo - Matheus A.
    • Aplicação Blink35  No aprendizado da maioria das linguagens de programação, sempre se inicia pela aplicação mais básica da linguagem, que costuma ser o Hello World. No caso da linguagem nesC não existe um Hello World, mas em contrapartida existe um programa de teste que se caracteriza por ser o primeiro programa no aprendizado do nesC, este programa é o Blink. O conteúdo desta seção é baseado no tutorial disponibilizado no site do TinyOS (http://docs.tinyos.net/tinywiki/index.php/Getting_ Started_with_TinyOS) e baseado no modelo de sensor mica2 da empresa Crossbow (http://www.xbow.com) como plataforma de desenvolvimento. de Sensores Sem FioA.- ERBASE 2012 - Introdução as Redes Matheus
    • Compilando a aplicação36  Para realizar o processo de compilação da aplicação de uma aplicação TinyOS é necessário ter instalado o TinyOS como descrito nas seções anteriores, tendo ele instalado, basta ir no diretório da aplicação e fazer uso do comando make. A sintaxe a ser utilizada é make [plataform], sendo plataform a representação do hardware a ser utilizado no sensor. Neste caso está sendo utilizado o modelo de sensor mica2. Logo deve-se compilar da seguinte maneira: make mica2. ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.
    • Obrigado37  Contatos:  Referências  @matheusrn89 ERBASE 2012 - Introdução as Redes de Sensores Sem Fio - Matheus A.