A Robust, Adaptive, WSN alimentados por energia solar Framework Aquatic para Monitoramento Ambiental Cesare Alippi, companheiro, IEEE, Romolo Camplani, Cristian Galperti, e Manuel Roveri Resumo-O artigo prope uma monitorizao ambiental framework baseado em uma tecnologia de rede de sensores sem fio caracterizado por captao de energia, robustez com respeito a uma larga classe de perturbaes e em tempo real a adaptao rede topologia. O totalmente projetado e desenvolvido sistema ad hoc, com base em clusters dependem de uma topologia em estrela, engloba um sensor actividade, de um passo de transmisso local a partir de gnglios sensor ao gateway, a transmisso remota de dados a partir da porta de entrada para o centro de controle, armazenamento de dados em um banco de dados e visualizao em tempo real. Mdulos de HW e SW, quer tenham sido cuidadosamente selecionado ou projetado para garantir uma elevada qualidade de servio, a energia solar ptima colheita, armazenamento e conscincia da energia. Um sistema de monitorizao integrando o quadro traado foi implantado em Queensland, Austrlia, para monitorar a luminosidade subaqutica e temperatura, as informaes necessrias para obter o estado de sade dos a barreira coralina. Ao mesmo tempo, dados adquiridos podem ser utilizados para fornecer indicaes quantitativas relacionadas com formaes de ciclone em reas tropicais. Index Terms-Adaptive protocolo de comunicao, distribudos sistemas de monitoramento ambiental, captao de energia, wireless redes de sensores (RSSF). I. Introduo e Motivao Monitoramento ambiental distribudo com wireless redes de sensores (RSSF) um dos mais desafiadores atividades de pesquisa enfrentados pela comunidade de sistemas embarcados em Na ltima dcada [1], [2] e [3]. De particular complexidade so aquelas aplicaes que envolvem uma ambiente aqutico, por exemplo, para as eventuais infiltraes de gua em da unidade, os depsitos de algas sobre o sensor, a comunicao ineficincia devido a reflexes de RF e uma elevao constante da antena w.r.t. superfcie da gua. O objetivo deste trabalho apresentar uma monitorizao da gua framework baseado em redes de sensores que escalvel e adaptvel com relao s mudanas topolgicas da rede, poder-aware nas suas componentes de middleware e dotado de captao de energia mecanismos tanto nos ns de gateway e de sensores. a quadro proposto aborda todos os aspectos relacionados com meio ambiente monitoramento: deteco, local e transmisso remota, armazenamento de dados, e visualizao. A WSN foi implantado em Moreton Bay, Brisbane, Austrlia, para entregar dados de temperatura e luminosidade da marinha Artigo recebido em 30 de novembro de 2009; revista 20 de maio de 2010; Aceito 20 de maio de 2010 Data de publicao 10 de junho de 2010; data da verso atual 29 de outubro de 2010 O editor associado coordenar a reviso deste manuscrito e aprov-lo para publicao era o professor Evgeny Katz. Os autores esto com a Dipartimento di Elettronica e Informazione, Politecnico di Milano, Milo, Itlia (e-mail: alippi@elet.polimi.it; camplani @ elet. polimi.it; galperti@elet.polimi.it; roveri@elet.polimi.it). As verses de cor de uma ou mais das figuras neste documento esto disponveis online em http://ieeexplore.ieee.org. Digital Object Identifier 10.1109 / JSEN.2010.2051539 ecossistema em diferentes profundidades. No entanto, esta configurao inicial do sensor pode ser simplesmente estendida adicionando aplicao relacionada sensores e atuadores. Escalas de cobertura de dados de tempo e espao, a informao que, at agora, indisponveis devido a custo, tcnica viabilidade, ou uma combinao dos dois. O sistema desenvolvido leva aos seguintes resultados: capacidade de monitorar o ambiente marinho em mltiplos escalas simultaneamente de modo que possvel validar modelos biolgicos para estes ecossistemas; uma melhoria significativa na previso da ocorrncia de fenmenos ecolgicos, tais como a proliferao de algas txicas e perda de espcies e da biodiversidade em geral relacionados com o clima; disponibilidade de dados preciosos e pontualidade para o desenvolvimento de sistemas baseados no risco e de alerta precoce (por exemplo, furaces formao) para apoiar a resposta da gerncia e a gesto sustentvel de longo prazo de marinha costeira recursos. A estrutura deste artigo a seguinte. Seo II avaliaes As principais aplicaes apresentadas na literatura wrt energia colheita, a adaptao s alteraes topolgicas e robustez. Seo III apresenta os componentes de hw do embutido sistema, bem como a captao de energia adaptativa eo avanado mdulos de armazenamento. Seco IV apresenta a aplicao Sw com foco no protocolo robusto ad-hoc. Seo V brevemente apresenta o em tempo real do sistema de armazenamento de dados e de visualizao. finalmente, Seo VI discute os problemas encontrados durante a implantao e os dados adquiridos, tanto em aplicao e sensor de nvel. II. Aplicaes relevantes: UMA REVISO Implantaes de redes de sensores raramente abordam adaptabilidade ao meio ambiente mudanas e questes de conscincia-energia; tal limitao afeta vida e QoS do sistema de monitoramento. O trabalho de [4] apresenta uma topologia baseada em estrela para as aves marinhas monitoramento habitat (o gateway coleta dados do sensor ns e os encaminha para uma estao de controle remoto para obter mais processamento). Um mecanismo de eliminao de energia solar tem sido prevista s em nvel de gateway, deixando ns sensores bateria alimentado. Uma vez que a comunicao refere-se ao sensor segmentos estao unidade gateway eo gateway-base, o gateway deve estar sempre ligado. No h esquemas de adaptao tm sido relatados. O trabalho em [5] prope um sistema de monitorizao vulcnica erupes; h solues de captao de energia foram includas para o gateway e as trs unidades de sensores. Embora a transmisso protocolo baseado em um esquema tradicional que envolve retransmisso de pacotes, um grande nmero de pacotes se perdeu devido s condies meteorolgicas e presena de obstculos. Uma arquitectura WSN mais complexa proposto em [6]; h, uma RSSF mltiplos saltos para monitoramento florestal fogo proposto.Todas as unidades so alimentados por baterias, sem mecanismos de energia-colheita. A capacidade de adaptao limitada do sistema requer interveno humana no nvel do software para nova adio n. O trabalho em [7], apresenta uma WSN para estudar raras e ameaadas espcies de plantas no Parque Nacional dos Vulces do Hava. Unidades, equipados com cmeras, entre outros sensores, so batterypowered; no esto previstos mecanismos de energia-colheita. A protocolo de mltiplos saltos, que implementa um mecanismo de sincronizao e uma estratgia de encaminhamento adaptativo, tem sido considerado. O trabalho em [8] prope uma RSSF para monitoramento das zebras. cada unidade est equipada com um sensor de GPS. Dados adquiridos so periodicamente coletado por uma mula de dados instalado em uma base mvel tripulada estao. Infelizmente, essa abordagem no eficaz para aplicaes exigindo uma grande WSN ou no permitir que uma mula de dados. Painis solares recarregar as baterias das unidades. Uma RSSF projetado para detectar o sapo-cururu, no norte da Austrlia apresentado em [9]. As unidades de RSSF aquisio de dados acsticos, localmente process-los, e transmitir dados para uma porta de entrada que, por sua vez, envia o sapo "presena / ausncia" de informao para o controle centro. Nem a energia-colheita, solues de energia-conhecimento nem polticas sofisticadas de gerenciamento de energia tm sido relatados. O trabalho em [10] representa um dos maiores esforos na Campo WSN. O pedido refere-se ao desenvolvimento de um WSN para identificar alvos mveis dentro de um aplicativo de vigilncia. a 70 unidades tambm gerir ocorrncia de falhas por reconstruir periodicamente os caminhos de roteamento. No h solues de energia-colheita tem sido considerado; por outro lado, um mecanismo de ciclo de trabalho eficaz Prev-se para manter sob controle o consumo de energia. Em [11], os autores apresentam um sistema para monitorar uma rea cultivada com sensores de temperatura e umidade. O pedido baseado em um ciclo de baixa e implementa um protocolo de mltiplos saltos de transmitir dados de ns de sensores a uma porta de ligao, o qual est ligado por uma ligao WiFi para uma estao base. Tabelas de roteamento so periodicamente reconstruda para proporcionar robustez; algumas unidades sem sensores so implantados e atuar como rels de comunicao. O trabalho em [12] considera um sistema para medir a umidade do solo e monitorar as condies da grama; unidades so equipadas com energia solar painis. WSNs tambm so utilizados para estudar o comportamento do gado, como mostrado em [13] e [14], a adopo de unidades equipadas com GPS e solar painis para rastrear os movimentos dos animais. Todos os dados so enviados para uma portal colocado no paddock. Em todas as implementaes acima, onde adoptadas, o mecanismo de energia-colheita considerado baseado em uma on-off regime de tarifao. Apesar de eficaz em condies ideais de sol, a sua eficincia drasticamente cai (a cobrana no ocorre), quando uma radiao suficiente disponvel (por exemplo, na presena de uma parcialmente cu nublado, nvoa, manh e tarde horas, ou poeira sobre a energia solar painel). Diferentemente, para uma captao de energia solar, eficaz na adaptativo irradiando situaes, um rastreador de mxima potncia (MPPT) esquema deve ser requerido e que se adapta online ponto de trabalho da clula solar com a radiao solar para maximizar A eficincia do carregamento. Ao mesmo tempo, um mecanismo de captao de energia impactos na topologia da rede e, por sua vez, em comunicao protocolo. De facto, as unidades precisam de ser desligado quando as baterias esto esgotados e deve ser ativada uma vez a energia est de volta. este start / restart mecanismo precisa tanto de HW e SW modificaes ser eficaz e um protocolo de reconhecimento de comunicao robusta de energia. Figo. 1 arquitetura de rede. Ele surge imediatamente que uma implementao credvel exige unidades e gateways a ser equipado com energtica base de MPPT mecanismos de colheita, assim como uma comunicao protocolo w.r.t. robusto perturbaes que afetam o QoS e w.r.t. adaptativo mudanas na topologia, como fazemos neste trabalho. III. Concepo do sistema: aspectos do hardware Infra-estrutura de rede A. Em sua arquitetura simples da WSN proposta caracterizada por uma topologia de cluster governado por uma cabea cluster (aqui agindo como um gateway); o conjunto constitui o ncleo de uma forma mais sofisticada arquitetura hierrquica obtida pela adio de outros grupos para a rede (. Fig 1). Gateways transmitir as informaes recolhidas para a estao base. Uma abordagem de mltiplos saltos no nvel do gateway constituiria uma opo diferente para transmitir dados para a estao de base que no foi solicitado no pedido considerado por marine bilogos. Comunicao no cluster eo nvel de gateway pode usar os mesmos protocolos de transmisso (por exemplo, o TDMA base ad-hoc protocolo apresentado na Seo IV), ou podem se diferenciar com base nas necessidades de aplicao (por exemplo, atravs de uma atuao FDMA ao nvel da comunicao gateway). Ao nvel do cluster, com base TDMA-a hierrquica tradicional soluo seria particularmente atraente para a simplicidade e energia eficincia, mas certamente no adequada em uma situao onde a topologia da rede esteja sujeita a uma mudana contnua e pode sofrer interferncia de freqncia dentro de clusters. enquanto o Este ltimo problema pode ser resolvido considerando-se a atribuio de frequncias mecanismo proposto em [15], o ex requer uma concepo de um protocolo ad hoc com base em TDMA capazes de lidar com ambas adaptao na topologia da rede e para aumentar a robustez a erros de comunicao e falhas permanentes ou transitrios de as unidades, ainda mantendo em mente os aspectos de economia de energia. tal protocolo ser apresentado na prxima seo. Cada sensor n [ver fig. 2 (a)] composta de cinco principais mdulos: unidade de controle e processamento de dados, aquisio de sinais e condicionado, rdio transmisso local, energia-colheita mecanismos e armazenamento de energia. O gateway [ver fig. 2 (b)] uma unidade n sensor aumentada com uma comunicao de longo alcance capacidade que permite a transmisso remota da estao de base.Ambos os ns e gateways, totalmente projetado tanto em termos de componentes de hardware e software por nosso grupo, esto inseridos em bias impermeveis (ver Figura 3.); sensores submarinos (desenvolvidos da Universidade de Queensland) vivem fora da bia. Figo. Placa 4 Potncia: subunidades principais. Energia concedido por dois de 0,5 W e 0,5 W oito policristalino clulas solares para ns e porta de entrada, respectivamente, com uma soluo de bateria em tandem, como meio de armazenamento. Uma antena omnidirecional dipolo est presente em ns para comunicar com o gateway que, diferentemente, monta dois antenas omnidirecionais: um para se comunicar com o local, rede de cluster e outro para estabelecer uma ligao de rdio para a estao de controle de solo. Os detalhes sobre o Hw e Sw vontade ser dado na sequncia. B. Unidades Ns e gateways foram concebidos para ser intercambiveis, com a nica diferena de HW associada com a presena do mdulo de link de rdio para o gateway. Uma electrnica de bia composto por duas placas circulares empilhados verticalmente e ligadas atravs de conectores. Quanto menor um responsvel pela gesto de energia da unidade e armazenamento, eo superior responsvel por gerenciar o processamento, o sinal condicionado e rdio comunicao. A placa inferior contm um circuito de controle de clula solar, uma circuito de controle da bateria, uma alta eficincia dc / dc fonte de alimentao mdulo, e uma CPU de gerenciamento de energia que controla a fluxos de energia. O PCB da placa dada na figura. 4, onde subunidades foram delineadas. C. Energia colheita e armazenamento A gerao de energia, armazenamento, aquisio de dados, regulamentao dc, e atividades de partida a frio so coordenados por uma dedicada 8-bit microcontrolador, que opera de forma independente de outros subsistemas (e est alojado na placa superior). o microcontrolador executa um relativamente simples cdigo C incorporado no extremamente -baixo consumo de energia freqncia de clock de 32 kHz. em Alm disso, o microcontrolador age como um co de guarda falha do disco para subsistemas de nvel superior por simplesmente alternando-se o seu poder abastecimento, uma vez condies de falha so detectados. O mdulo de energia-colheita composto por um CPU e um conversor DC / DC step-up controlado com base no circuito MPPT sugerido pelos autores em [16]. O MPPT colhe otimamente energia solar atravs da adaptao do ponto de trabalho da clula solar para maximizar a transferncia de energia a partir das clulas para as baterias. A sistema substitui os mtodos de colheita de energia-existentes de colheita energia, mesmo quando a clula no est diretamente exposta ao radiao ideal ou a radiao solar baixa, como acontece em aplicaes ao ar livre, onde a superfcie do painel pode ficar empoeirado ou coberto com gua e / ou sal marinho ou nuvens alterar o intensidade da radiao solar. A potncia extrada pelo circuito MPPT ento dirigido mdia de armazenamento, aqui concebido como um gmeo-bateria especial sistema. A idia bsica por trs dessa soluo de armazenamento de energia separar no momento em que a carga e as fases de descarga das baterias, ou seja, o sistema permite que as baterias sejam carregadas e descarregado, a intervalos de tempo separados. Com esta soluo, resolver um dos grandes inconvenientes em pequenos dispositivos movidos a energia solar, ou seja, a carga parcial / descarga sofrida por baterias durante o ciclo de dia / noite: durante o dia, a energia solar transmitida a baterias (fase de carga), enquanto que durante a noite no solares alimentao est presente e baterias fornecem energia para as unidades de sensor (fase de descarga). uma prtica comum (como fizemos) para empregar baterias com uma capacidade de energia maior do que o de clulas solares produo de energia diria e diria do consumo de energia do sistema , a fim de ser capaz de armazenar a energia e permitir que o sistema fornecer alimentao, mesmo em caso de mau tempo. Por este motivo, no mbito condies climticas normais, as baterias so parcialmente carregada e descarregada cada dia. Infelizmente, as baterias qumicas no podem resistir a uma prolongada conjunto de ciclos de carga / descarga parcial, j que muitos efeitos qumicos secundrios surgem: forar a bateria para o prolongada parcial ciclos de carga / descarga condio faz com que a severa reduo da capacidade nominal de energia da bateria e, como conseqncia, severas limitaes ao desempenho (por vezes este efeito referido como o "efeito de memria" de qumica baterias). Uma maneira de resolver este fenmeno indesejado executar separadamente descarga completa e ciclos completos de carga. Foram utilizados dois conjuntos de baterias idnticas e implementado uma idia muito simples: enquanto as potncias embalagem Uma bateria do sistema (e, portanto, descarregada sob a), o outro est sob carga. Uma vez a primeira descarregado, um circuito integrado permite a bateria pacotes para ser invertida. Deste modo, uma bateria sempre cobrar enquanto o outro est sempre sendo descarregada. A unidade de comutao bateria especial ad-hoc foi projetado e desenvolvido. A unidade capaz de conectar as duas baterias ou para a sada do conversor de MPPT ou a entrada do reguladores DC / DC em resposta aos comandos dedicados vindo a partir da CPU de controlo. Alm disso, o aparelho capaz de completamente desconectar as duas baterias da sada do circuito MPPT e / ou a partir da entrada do regulador de DC / DC, sempre que a energia questes de CPU de controle tal comando. Este aspecto particularmente importante, uma vez que a base de um procedimento simples, mas eficaz de gerenciamento de energia baseado em limiares. Em particular, quando as tenses de duas baterias estejam abaixo de um limiar de alerta definida pelo usurio, as unidades desligue se a partir da rede, mas continuam a adquirir sensorial dados. Esses dados so armazenados temporariamente em um buffer de memria e so enviados para a porta de entrada uma vez energia suficiente disponvel para se reconectar a unidade com a rede. Alm disso, quando a tenso das baterias cai abaixo de um valor crtico definido pelo utilizador (isto , no caso de pilhas gastas), a unidade desligada (e Figo. 5. Signal diagrama de blocos bordo. baterias esperar para ser recarregada). Naturalmente, energeticamente mais avanada sistemas de gesto, por exemplo, aqueles que prev uma previso de o consumo de energia, pode ser considerado. Pelo contrrio, se uma condio de sobrecarga da bateria ocorre embalar sob carga, a bateria desligada do Circuito MPPT e posou em um estado ocioso (o sistema alimentado pela outra bateria), enquanto que a energia gerada automaticamente redirecionado para uma unidade de desperdcio especial. Em unidades comerciais de RSSF, a falta de energia coincide com alternando-los; h mecanismos so, para o melhor de nosso conhecimento, hoje em dia disponvel para conceder um novo reincio da unidade quando energia est disponvel. Uma vez que esta uma questo principal a concesso de uma credvel implantao, foi desenvolvido um circuito e procedimentos no-trivial a concesso de uma reinicializao a frio para as unidades quando ambas as baterias so em um estado de descarga profunda. Por depender exclusivamente clulas solares (isto , sem qualquer interveno de manuteno externa), o circuito adquire energia, armazena em uma bateria, e espera ter o suficiente energia antes de ligar os mdulos da unidade. O ltimo mdulo do conselho de administrao composto por reguladores DC / DC cujo dever para alimentar o sistema. Foram utilizados quatro Bateria NiMH clulas packs com tenso nominal de 4,8 V (diferente mdulos unitrios exigiriam tenses diferentes para alimentar). em particular, geramos trs dc ligar nibus em 3,3 V para a unidade de controlo principal, 5 V para a ligao de rdio, e de 7,5 V para UQ sensores submarinos. Unidades D. Sensor controle e processamento O conselho superior contm sensores submarinos condicionamento de sinal, um rdio transceptor de longo alcance, um rdio transceptor de curto alcance, e principal CPU de controle da unidade. Figo. 5 mostra um diagrama esquemtico do conselho de administrao. O mdulo de aquisio e condicionamento de sinal composta de uma radiao fotossinttica ativa (PAR) condicionamento de sinal, uma trmica (TH) condicionamento de sinal, e um sinal de umidade (MS) condicionado. O dispositivo trata da aquisio analgica do grandezas fsicas para ser monitorizada (por exemplo, temperatura ou brilho , bem como sensores de humidade) e o sinal de condicionamento subsequente fase. Sensores de radiao e temperatura solares ad hoc Foram desenvolvidos pela Universidade de Queensland para esta aplicao desde sensores submarinos eficaz off-the-shelf estavam ausentes no mercado. O mdulo oferece uma eletrnicaInterface comandado pela unidade de controlo; ele realiza tradicional a filtragem do sinal antes de uma converso analgico-para-digital, e isto permite que sensores submarinos para ser ligado e desligado para a energia conscincia. Sensores de umidade foram utilizados para detectar possveis vazamentos na bia de vedao O-rings ou conectores selados com defeito e, assim, alarme para falha eletrnica ou bia afundando. A sinal do sensor de humidade foi colocado tambm no sensor subaqutico habitao, pelas mesmas razes. A placa superior dado na fig. 6. A unidade de controle principal um Crossbow MPR2400 (MicaZ) unidade (ver [17]), que tem um microcontrolador de 8 bits e actua como principal CPU. Consideramos MicaZ pela sua grande disponibilidade no mercado e uso acadmico, a possibilidade de usar o cdigo-fonte aberto Sistema operativo TinyOS, e continha o consumo de energia da unidade. E. e rdios locais de Transmisso Remota No modelo proposto, foi utilizada a Chipcon CC2420 (MicaZ) mdulo de rdio de baixa gama para comunicao de cluster, o que nos permite cobrir facilmente uma rea de 2.800 m (30 m de raio). No entanto, hoje em dia, teramos optado de forma diferente para o rdio mdulos capazes de suportar totalmente o protocolo de comunicao Zigbee [18], por exemplo, os mdulos fornecidos por fio JENNIC Microcontrolador [19] ou Freescale [20]. O transceptor de longo alcance um MaxStream 2,4 GHz Xstream Modem de rdio (ver MaxStream [21]), capazes de fornecer @ 50mW 2.4 GHz de potncia de RF na antena de longo alcance. Como o poder consumo deste mdulo particularmente elevada (sendo em torno de Transmisso 0.75Win), a unidade de controle principal liga e a intervalos de tempo fixos a comunicar com o solo estao. Uma vez que no esto na fase de transmisso da rdio colocado em um estado de baixa energia do sono e sua fonte de alimentao DC / DC ligado a exploso de controle de modo a economizar ainda mais energia, tal como apresentado acima. Os dados a serem transmitidos so fornecidos para o rdio modem pelo CPU de controle principal atravs de sua linha de comunicao serial. IV. Concepo do sistema: ASPECTOS DE SOFTWARE A descrio de alto nvel das tarefas realizadas por unidades e gateway fornecida na Fig. 7 Em mais detalhe, uma vez interromper periodicamente acorda a unidade que adquire dados sensoriais, transmite os dados para o gateway em seu slot TDMA, e depois vai para Figo. 7. fases SW ao longo do tempo. unidade (a) Sensor. (b) Gateway. dormir espera da prxima interrupo. O gateway de coleta de dados de unidades (agravado por seus prprios dados) e os encaminha para a estao de base no final do prazo TDMA da unidade. A comunicao pode ser corrompido pelo rudo, ea rede topologia pode mudar de forma imprevisvel devido remoo ou introduo de ns ou falta / disponibilidade de energia. Alm disso, algoritmos de roteamento poder-aware apenas simples pode ser considerada em funo da energia limitada armazenado em pilhas ou supercapacitores. No quadro considerado, robustez e de energia eficiente gesto so, portanto, dois elementos fundamentais do local, o protocolo de transmisso para a rede de sensores sem fio. Vrios algoritmos de roteamento esto presentes na literatura. a sentido transportadora de acesso mltiplo (CSMA) evita colises de mensagens ouvindo o canal antes de cada transmisso; muito simples e fcil de implementar, mas, infelizmente, a abordagem No o poder-aware (o consumo de energia do rdio no modo de recepo comparvel ao de transmisso ea rdio deve ser mantido diante). Na auto-organizao de controle de acesso ao meio (SMAC) [22], todos os ns selecionar uma freqncia de transmisso para se comunicar com ns adjacentes. Infelizmente, o off-the-shelf mais comum unidades de sensores (por exemplo, unidades de MICA Xbow [17], sem fios JENNIC microcontrolador [18], e T-Mote Sky Moteiv [23], s para citar alguns) no pode receber simultaneamente mais de uma frequncia (sem FDMA), e a sobrecarga introduzida pelo protocolo SMAC no se justifica para a topologia que estamos considerando (ou seja, o criao de clusters virtuais, o que tpico da SMAC, intil na aplicao considerada). Eavesdrop E Register (EAR) [22] um protocolo eficaz para tanto gerenciando fixa e mvel unidades, mas superdimensionado para a rede proposta (EAR introduz mecanismos de roteamento que no so necessrios aqui). A hbrida TDMA-FDMA ([24]) permite combinar TDMA e FDMA se aproxima, transmitindo mais dados no alocado perodo de tempo com uma modulao de frequncia; de novo, no podem ser implementadas em MICA Z. Uma soluo TDMA [24] particularmente interessante quando as unidades pode transmitir em um horrio pr-definido, portanto, permitindo uma eficiente gesto do mdulo de rdio. Infelizmente, TDMA no especfico para redes de sensores e no-ciente poder orientada (numa TDMA tradicional, o mdulo de rdio do gateway continua ativo para todos os horrios disponveis, mesmo quando menos ns sensores so disponvel). Para reduzir o consumo de energia da WSN, implementamos um ciclo de trabalho para o mdulo de rdio e comunicao ad hoc protocolo; verificou-se que a energia requerida para outro fases, por exemplo, a aquisio e processamento, foram insignificantes.Um protocolo modificado TDMA foi sugerido que enfrenta aspectos poder-aware e escalabilidade de rede e, ao mesmo tempo, permite uma insero de plug-and-play / wake-up e inofensivo remoo de unidades. Ressalta-se que o anncio sugere protocolo de transmisso hoc foi desenvolvida para garantir tanto comunicao wrt robustez e falhas ao nvel da unidade (permanente ou transitria) e capacidade de adaptao s mudanas de a topologia da rede. O que sugerido aqui uma soluo que foi provado ser eficaz em uma verdadeira implantao, mas isso no acontece representam necessariamente o mecanismo nico de comunicao para ser considerado para este tipo de applications.We sugerem a WSN designer para considerar um protocolo que comercializa off desempenho e simplicidade (e, portanto, a economia de energia). O que propomos pode ser efectuada atravs da finitestate mquinas (FSMs) das Figs. 8 (unidades) e 9 (gateway). a atos de protocolo ser detalhado mais a seguir. A. Sensor Node Cada n sensor comea a partir do estado INIT. Neste inicial estado, o n no tem nenhuma informao sobre o estado do gateway e seu horrio de transmisso. O n sensor liga o rdio em um modo de transmisso (TX) e envia uma ASSINE mensagem para a porta de entrada para sinalizar a sua presena e ser includo na tabela TDMA gateway. Uma vez que a mensagem foi enviada, o aparelho comuta para o modo de recepo (RX) e aguarda uma mensagem de confirmao (ACK) do gateway. Se o ACK mensagem no chegar dentro de ACK Timeout segundos, o n sensor desliga o rdio, dorme por Retry segundos, e retorna para o estado INIT inicial. Se o n sensor recebe a mensagem ACK, o gateway registrou o n sensor como pertencentes rede e modificado tabela TDMA conformidade. Alm disso, no ACK mensagem, a porta de entrada fornece a unidade com a dormir tempo (DUTY DELTA) antes de acordar para a prxima sincronizao fase (que a primeira fase de cada ciclo TDMA). Aps DUTY DELTA segundos, o n sensor se move para o WAIT estado SYNC e liga o rdio no modo RX. Se a mensagem SYNC no chegar dentro de Tempo limite de sincronizao segundos, o aparelho muda para um estado do ciclo de Lost, transforma o rdio desligado, dorme por CICLO TIMEOUT segundos e acorda novamente no estado de espera SYNC. Se uma unidade perde trs vezes consecutivas Mensagens de Sync (o nmero um parmetro de aplicao), ele desliga-se da rede e comea novamente a partir o estado INIT. Quando o n sensor recebe a SYNC mensagem passa para o estado sincronizado. o gateway inclui na mensagem SYNC a informao sobre se um novo Mesa TDMA est chegando (devido a uma mudana na topologia da rede ciclo anterior TDMA) ou no (nenhuma mudana aconteceu). em o caso de um novo quadro TDMA, o n sensor se desloca para o WAIT estado TAB e aguarda a mensagem TAB do gateway TAB para TIMEOUT segundos. Se a mensagem no chegar TAB a unidade desliga-se da rede e se move em o estado INIT. Quando a mensagem chega TAB uma unidade torna-se consciente de seu prprio horrio de transmisso, calcula a dormir tempo (tempo de sono) e dorme at a prxima transmisso (Dormir at o estado slot). Se a mensagem de sincronizao no antecipar a chegada de um novo quadro TDMA a unidade se move na SLEEP at que o estado SLOT. Aps o tempo de sono segundos, cada n sensor liga o rdio e transmite seus prprios dados (uma mensagem). Em seguida, ele desliga o rdio e dorme (SLEEP prximo ciclo) at a prxima fase de sincronizao. B. gateway O gateway comea no estado INIT, liga o rdio, e espera por uma mensagem se inscrever a partir de unidades de sensores. esta abordagem no-consciente de energia para o gateway que pode permanecer no o modo de RX por um longo tempo. Pelo contrrio, esta limitao compensado pelo mecanismo poder-aware em unidades de sensor apresentado na subseo anterior. O gateway exige um capacidade de energia maior, como j foi salientado quando se discute sua actividade link de rdio. Quando o gateway recebe uma mensagem se inscrever, ele ativa um temporizador que ir gerar uma interrupo aps o perodo de segundo, passa ao estado register node, atualiza o Mesa TDMA com a unidade registrada, e envia de volta o ACK mensagem. Depois, a espera por estado INSCRIO define o rdio no modo de RX e aguarda assinatura de outro unidades. Se uma mensagem Cadastrar chega, a porta de entrada se move para o estado register node e registra o novo n sensor. Ento, depois de segundos perodo compreendido entre a assinatura do primeiro n, a porta se move para o estado SEND SYNC, define ordio para um modo de TX, transmite a mensagem SYNC (que contm informaes sobre a necessidade de enviar uma tabela TDMA ou no) e ativa o temporizador TAB TIMEOUT. No caso de transmisso TDMA tabela, a porta de entrada termina na o estado SEND TABLE, transmite o quadro TDMA atualizado, desliga o rdio, e move-se para o estado RADIO SLEEP. Quando a porta de entrada no necessita de enviar uma nova tabela de TDMA, que simplesmente se move para o estado de rdio do sono. Quando o cronmetro TAB TIMEOUT gera uma interrupo, o porta de entrada se move para a espera para o estado de dados, define o rdio para o modo de RX, e aguarda as mensagens de dados provenientes da ns registrados. Cada vez que uma mensagem recebida, o gateway mudar para o registo Estado de dados, lojas de dados recebidos em uma memria especfica localizao, e retorna para a espera para o estado de dados. Aps CORR NODES * TX segundo tempo (ou seja, a soma de todos os intervalos de tempo dos ns registadas), os ganhos de gateway o estado de Dados Prontos, o qual significa que todos os dados tenham sido coletadas pelos ns sensores neste ciclo TDMA. Em seguida, o Gateway retorna para a espera por estado INSCRIO para permitir o registro de novos ns sensores. C. Robustez Issues Robustez um aspecto fundamental em um projeto WSN para reduzir o efeito das perturbaes que podem afetar a transmisso local phase.With este objetivo em mente, ns projetamos o protocolo TDMA para ser robusto tanto w.r.t. erros de transmisso (por exemplo, um ou mais mensagens no chegar ao destinatrio) e mudanas na topologia (por exemplo, ns ou gateway no so momentaneamente acessvel). Em particular, o protocolo sugerido TDMA robusto wrt erros de transmisso, causando a perda da mensagem SUBSCRIBE [ver fig. 10 (a)], a perda da mensagem SYNC [fig. 10 (b)], perda de quadro TDMA [fig. 10 (c)] em unidades, e uma perda de DATA mensagem para o gateway [Fig. 10 (d)]. No caso de perda da mensagem subscribe [Fig. 10 (a)], a unidade assenta numa repita mecanismo que mantm o envio da inscrio em ciclos prximos at a realizao final. Se a unidade no recebe a mensagem SYNC, ele aguarda para repetio vezes (em nosso caso, definido) e, no caso de um compromisso negativo, os retornos para o estado INIT. Uma vez theTDMAtable no recebido devido a um erro de transmisso [fig. 10 (c)], o aparelho desliga-se da WSN para no interferir com os outros; depois, a unidade move-se para o estado INIT. Se a mensagem de dados no alcana gateway [fig. 10 (d)], o protocolo passa para o prximo TDMA fenda (do prximo n) sem afetar toda a aquisio de dados do ciclo TDMA: para garantir robustez para mensagem perdas a recepo de dados no gateway um sem bloqueio operao. O poder-awareTDMAprotocol capaz de gerenciar essas situaes em que a porta de entrada activa depois as unidades [fig. 11 (a)] ou, quando a rede sincronizado, o gateway alterna antes de enviar a mensagem SYNC [ver fig. 11 (b)] ou o TDMA mesa [ver fig. 11 (c)]. O protocolo no requer a porta de entrada para estar ativo antes a ns, graas fase de registo que, periodicamente, ativa a fase de subscrio [a mensagem subscribe enviado e recebido um ACK, ver fig. 11 (a)]. Como explicado acima, quando o n no recebe a mensagem SYNC, ele espera lo para repetio vezes e depois, aps uma insucesso, move-se em o estado INIT. Como tal, se a porta de entrada, quando se desliga o rede sincronizado, todos os ns, depois de ter esperado pelo SYNC mensagem para repetio vezes, vai se mudar para a inicial gratuita configurao caracterizada pelo estado INIT [Fig. 11 (b)]. Consequentemente, uma vez de acordar, o gateway ir encontrar unidades prontas para ser ligado [Fig. 11 (a)]. Se a porta de entrada antes de se desligar enviando a tabela de TDMA [fig. 11 (c)], as unidades desligar da a rede e passar para a fase inicial de registro. V. concepo do sistema: armazenamento de dados e APRESENTAO Medidas adquiridos por unidades e transmitidos pelo gateway de finalmente alcanar o centro de controle para armazenamento de dados e agregao (ver Fig. 12). Em particular, as medidas e as datas e horas so armazenadas em um banco de dados com base em um multithreaded, multi-usurio SQL DBMS MySQL Server 5.0 rodando em um sistema operacional Linux. Alm do medies de aplicao, tambm armazenada no estado da rede, definido como o "ligado, no ligado, no registrada" etiqueta para cada unidade, a tenso das baterias, a potncia de entrada proveniente do painel solar, o nvel de humidade e a possvel presena de gua no interior da bia. Figo. 13 Banco de dados e interface grfica na estao de base. (a) Banco de Dados. (b) Interface grfica. Operadores consultar facilmente o banco de dados na estao de controle ou remotamente, atravs da Internet, graas a um aplicativo SW proprietrio (ver fig. 13 para dois pontos de vista do sistema). Em particular, usurios podem perguntar para temperatura, luminosidade, estado de as baterias para um n especfico ou para todos os ns conectados por especificando o intervalo de tempo de interesse. Alm disso, uma imediata interface grfica de utilizador fornece o estado de todos os ns na rede e, para cada n ligado, a medio mais recente aquisies (temperatura e luminosidade), e informaes sobre seu estado (estado das baterias, a absoro de energia solar, e alarmes), tanto numrica e graficamente. VI. IMPLANTAO AT baa de Moreton O quadro proposto foi implantado no Australian Coral Reef em Moreton Bay, Brisbane, Austrlia. o desenvolvimento RSSF composta por nove unidades (imediatamente expansvel at 70 de forma plug-and-play) e uma porta de entrada; dispositivos so inseridos em bias ancoradas ao recife de coral (ver fig. 14 para a parte superior interna vista de uma unidade). A distncia entre o gateway e estao de base ALIPPI et al .: ROBUSTO, adaptveis, movido a energia solar QUADRO PARA WSN AQUTICO MONITORAMENTO AMBIENTAL 53 Figo. 14 unidade de RSSF. Figo. 15. implantao final em Morenton Bay, Brisbane, Austrlia. QUADRO I PARMETROS potncia protocolo TDMA-AWARE foi de cerca de 1 km; unidades foram implantadas em uma configurao pseudolinear conforme fig. 15. A frequncia de amostragem da temperatura e do brilho sensores 1 Hz; medies obtidas so em mdia (para reduzir o rudo de aquisio) e enviado para a porta de entrada a cada 30 s. Cada mensagem de DADOS composto de 24 bytes, com 14 bytes de carga. A Tabela I apresenta os parmetros de transmisso considerados escolhido para a aplicao. Figo. 16 N 1: Brilho, temperatura, e com relao a energia solar tempo (7000 amostras entre 2007-11-18 20:06:03 e 2007-11-22 09:20:27). Perodo inversamente proporcional frequncia de amostragem, enquanto o tempo TEMPO TX deve ser longa o suficiente para garantir a transmisso de uma mensagem de dados por parte do transceiver CC2420 rdio a uma taxa efetiva de 250 kpbs. TAB tempo limite, ACK Timeout e Tempo limite de sincronizao foram corrigidos experimentalmente, considerando a implantao geogrfica das unidades de sensor e tendo em conta o tempo de voo-, distncia entre unidades e porta de entrada, tempo computacional e relgio possvel distorce. TIMEOUT CICLO perdido, o que o tempo entre o Tempo limite de sincronizao ea recepo da mensagem seguinte SYNC, podem ser facilmente calculado como PERIOD- Tempo limite de sincronizao-1 s (tempo de guarda). A. Aspectos Crticos da Implantao No caso da monitorizao do meio marinho, a bia um dos mais questes importantes desde estanqueidade deve ser garantida. em transformar, isto implica que os conectores fsicos entre o eletrnico placas, que permanecem no interior da embalagem, e elementos externos (ou seja, sensores e antenas) devem ser estanques. para reforar ainda mais reduzir o risco de infiltrao da gua, interruptores magnticos foram considerada para ativar os componentes eletrnicos: as unidades podem ser ativado / desativado sem qualquer ligao fsica com a bia no interior. Elementos de fixao, como parafusos, ganchos, cabos e ancoragem parafuso deve ser feito com os aos especiais, capazes de resistir em a gua marinha. Foram includos no interior da bia de alguns sensores de servios pblicos, tais como umidade e gua para detectar o mais rpido possvel a possvel formao de gua ou gua de infiltraes (os sensores nos permitiu para a deteco da infiltrao de gua na porta de entrada durante o primeiro implantao). Temperatura dentro da bia foi controlada por um permutador trmico, que um fecho de ao metlico colocado em a parte inferior da bia em contacto directo com o mar. Um outro aspecto fundamental foi o sistema de fixao e seus interao com alta mar baixa e ondas /. Bias foram ancorado com um cabo de amarrao para um reforado bloco de concreto no fundo do mar. Ondas induzir grave Figo. 17 N 1: baterias de tenso, e com relao a energia solar tempo (7000 amostras entre 2007-11-18 20:06:03 e 2007-11-22 09:20:27). tremula sobre as bias que tm impacto sobre o cabo de amarrao (que poderia romper, causando a perda das bias) ou que afectam os sensores. Alm disso, quando a distncia entre as bias adjacentes no , os cabos de amarrao adequados pode ficar torcido causando possvel lgrimas. Por este motivo, utilizou-se cabos de amarrao elstica capaz de absorver a forte oscilante das ondas pode induzir as bias. Alm disso, utilizou-se um gancho especfico (entre a bia e o cabo de amarrao) para manter a bia horizontal, mesmo em caso de correntes fortes. H um outro problema que afecta as medies: o formao de algas nas sensores que afectam a aquisio de dados processo. A calibrao pode ser considerada para reduzir essa perda em efeito de preciso, mas uma limpeza peridica do sensor (por exemplo, uma vez por ano) necessria. Como ltima questo, a implantao de unidades deve ser adequadamente sinalizado com sinalizao bias e uma permisso para a implantao precisa ser liberado pela autoridade competente. B. Resultados e Discusses atuais Aqui, apresentamos e discutimos as medies obtidas pelo um n em quatro dias da campanha de aquisio (a partir de 2007/11/18 20:06:03 a 09:20:27 2007/11/22). Em particular, a fig. 16 presentes a temperatura, o brilho, e a energia solar gerada por os painis solares, enquanto a fig. 17 mostra o estado das baterias. O comportamento do brilho e da energia solar resulta o clssico ciclo de dia / noite. Tal como esperado, tanto o brilho e de entrada energia solar assumir o valor zero durante a noite (por exemplo, As amostras no intervalo de [0, 960] para um dia), em seguida, sobem na manh (intervalo [960, 1260]) e da tarde (intervalo [1800, 2100]). Mesmo a temperatura segue o dia / noite sazonalidade com dinmica dependendo da inrcia trmica da gua. Figo. 17 mostra o estado das baterias e da energia solar durante o perodo de aquisio. No incio da experincia Bateria 1 ativa; a tenso diminui w.r.t. tempo at provar 900 Bateria 2, no mesmo perodo, sofre de auto-descarga fenmenos que provocam uma reduo da tenso, mesmo quando o bateria no usada. Quando a tenso da bateria cair abaixo de 1 4 V (no exemplo 900), o mdulo de energia os mecanismos de colher alterna entre as duas baterias e ativa da bateria 2 (e Bateria 1 passa sob carga). Entre as amostras 900 e 1200, 1 bateria recarregada pela energia solar. quando o bateria est totalmente carregada (a tenso supera 5,5 V), desconectado do mdulo de energia-colheita para evitar sobrecarga (amostra 1200). Quando a bateria estiver inativo, ele sofre de fenmenos de auto-descarga, como pode ser visto entre amostras de 1200 e 2600 Bateria 2 utilizada at 2600 amostra; depois, as baterias de mudar: Bateria 1 torna-se operacional e Bateria 2 sob carga. VII. CONCLUSO Apresentamos uma estrutura baseada em RSSF para ambiente marinho monitorizao. Todos os aspectos do monitoramento ambiental sistema, como atividade de deteco, transmisso local (a partir do sensor ns para gateways), transmisso remota (do gateway para o centro de controle), armazenamento de dados e visualizao, tem foi projetado e implementado. Um poder-aware e adaptativa Protocolo TDMA para a transmisso local que garante robustez e capacidade de adaptao s alteraes da rede em termos de topologia foi proposto enquanto a implantao tem sido projetado para ser credvel e robusto. Ao contrrio do que foi proposto na literatura, cada unidade do WSN dotado com adaptativo solar energyharvesting mecanismos e baterias em tandem para otimizar energia armazenamento e prolongando a vida til da bateria. Finalmente, o proposto quadro foi implantado com sucesso em Moreton Bay, Brisbane, Austrlia, para monitorar as condies da gua de um segmento do Australian Coral Reef.