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Universidade Federal de Minas Gerais Departamento de Ciência da Computação
Relatório Técnico 001/2003
Tecnologia de Nodos Sensores Sem Fio
Fabrício Aguiar Silva Thais Regina de Moura Braga
Linnyer Beatrys Ruiz José Marcos Silva Nogueira
{fasilva, thaisrb, linnyer, jmarcos}@dcc.ufmg.br
Belo Horizonte, janeiro de 2003.
Tecnologia de Nodos Sensores Sem Fio - UFMG/DCC - RT 001/2003
Resumo
Uma Rede de Sensores Sem Fio é composta por um conjunto de dispositivos
compactos e autônomos, chamados nodos sensores. Estes nodos executam essencialmente tarefas diferentes tais como sensoriamento do ambiente, processamento da informação e tarefas associadas com a comunicação da informação. Contudo, os nodos sensores ainda devem realizar outras atividades colaborativas envolvidas com a formação da rede, tais como a descoberta de localização, auto-teste e organização da rede.
O objetivo deste trabalho é apresentar os principais nodos sensores desenvolvidos por diferentes grupos de pesquisa e também descrever suas principais características.
Fabrício Silva, Thais Braga, Linnyer Ruiz e José Marcos Nogueira
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Tecnologia de Nodos Sensores Sem Fio - UFMG/DCC - RT 001/2003
Sumário
1 Introdução ................................................................................................................... 042 Nodos Sensores Sem Fio ............................................................................................. 073 Projeto Motes .............................................................................................................. 093.1 Macro Motes - COTS Dust ........................................................................................ 09
RF Motes .......................................................................................... 10Laser Motes ........................................................................................... 11CCR Motes ........................................................................................ 11WeC Motes ........................................................................................... 11
3.2 Mica Motes ................................................................................................................. 123.3 Smart Dust .................................................................................................................. 134 Projeto µAMPS ............................................................................................................ 165 Projeto PicoRadio ........................................................................................................ 186 Projeto WINS RockWell ............................................................................................. 197 Projeto Sensor Web ..................................................................................................... 227.1 Sensor Web1 ............................................................................................................... 227.2 Sensor Web 2 e 3 ........................................................................................................ 238 Projeto Medusa MK-2 ................................................................................................ 259 Comparativo entre os Nodos Sensores ...................................................................... 2610 Conclusão ..................................................................................................................... 2711 Referências Bibliográficas .......................................................................................... 28
Fabrício Silva, Thais Braga, Linnyer Ruiz e José Marcos Nogueira
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Índice de Tabelas
Tabela 1 - Diferentes Fontes Energéticas................................................................................... 6 Tabela 2 - Características Gerais dos Nodos Sensores Motes ................................................... 9 Tabela 3 - Características Gerais dos Nodos Sensores Macro Motes ...................................... 10 Tabela 4 - Características Específicas dos RF Motes .............................................................. 10 Tabela 5 - Características Específicas dos Laser Motes .......................................................... 11 Tabela 6 - Características Específicas dos CCR Motes ........................................................... 11 Tabela 7 - Características Específicas dos WeC Motes ........................................................... 11 Tabela 8 - Comparação entre Diferentes Tipos de Motes........................................................ 12 Tabela 9 - Características dos Dispostivos Sensores dos Macro Motes .................................. 12 Tabela 10 - Características Gerais do Mica Motes .................................................................. 13 Tabela 11 - Características dos Nodos Sensores Smart Dust................................................... 14 Tabela 12 - Características Gerais dos µAMPS....................................................................... 16 Tabela 13 - Estado Operacional e Consumo do Nodo Sensor µAMPS ................................... 17 Tabela 14 - Características Gerais dos Nodos Sensores Pico Radio........................................ 18 Tabela 15 - Características Gerais do Nodo Sensor WINS RockWell .................................... 20 Tabela 16 - Consumo de Energia para Combinação Processador, Sensor e Rádio. ................ 20 Tabela 17 - Módulos dos Sensores para Nodos WINS RockWell ........................................... 21 Tabela 18 - Características do Nodo Sensor Web 1................................................................. 22 Tabela 19 - Características do Nodo Sensor Web 2................................................................. 23 Tabela 20 - Características do Nodos Sensor Medusa MK-2 .................................................. 25 Tabela 21 - Comparativo entre os Diferentes Nodos Sensores................................................ 26
Fabrício Silva, Thais Braga, Linnyer Ruiz e José Marcos Nogueira
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1 Introdução
Uma rede de sensores sem fio, que neste texto é tratada também por RSSF, é formada
por um conjunto de dispositivos compactos e autônomos, chamados nodos sensores. Os nodos
da RSSF são distribuídos por uma área e comunicam entre si formando uma rede ad hoc e
também comunicam-se com o ambiente com o objetivo de coletar dados sob determinados
fenômenos. Os nodos sensores podem localmente processar os dados coletados e enviá-los a
um ou mais pontos de acesso. Nas RSSFs planas, esses pontos de acesso representam os
nodos que processam e armazenam a informação coletada pela rede, chamados de nodos
sorvedouros (sink nodes) ou nodos de monitoração (monitoring nodes). Nas RSSFs
hierárquicas, o ponto de acesso representa uma estação base (base station). Os pontos de
acesso podem utilizar um gateway para o envio da informação coletada para os observadores.
Portanto, de acordo com suas funcionalidades, podem existir alguns tipos de nodos nas RSSF,
a saber: nodos comuns, nodos sorvedouros e nodos gateway. Em uma RSSF hierárquica, os
nodos comuns estão organizados em grupos (clusters) e sempre existirá um nodo
desempenhando o papel de líder do grupo (cluster-head). Os algoritmos de eleição de líderes,
de roteamento e outros algoritmos tradicionais não serão adequados às RSSFs devido às
características específicas dessas redes.
Os nodos sensores coletam dados sobre os fenômenos em um ambiente e estão aptos a
realizar processamento local e a comunicação desses dados. Contudo, os nodos sensores
também podem servir exclusivamente como nodos roteadores das informações produzidas por
outros nodos comuns da rede. Os nodos sensores sozinhos possuem um pequeno poder
computacional, mas em conjunto podem executar tarefas bastante complexas.
Como visto, um nodo na rede tem essencialmente tarefas diferentes tais como
sensoriamento do ambiente, processamento da informação e tarefas associadas com o tráfego
em um esquema de retransmissão single-hop ou multi-hop (figura 1). A comunicação multi-
hop é uma das principais formas de economia do consumo de energia em RSSFs, pois a
energia requerida para a comunicação entre dois nodos arbitrários “A” e “B” é fortemente
dependente da distância entre os dois nodos.
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Figura 1 – Transmissão multi-hop
Algumas das restrições que devem ser levadas em conta, quando do desenvolvimento
de um nodo sensor são: 1) Comunicação: a largura de banda dos links sem fio que conectam
os nodos é usualmente limitada; 2) Consumo de energia: os nodos possuem suprimento de
energia extremamente limitados; 3) Computação: os nodos possuem poder computacional
limitado e tamanho de memória restritivo; 4) Incertezas no sensoriamento: mal
funcionamento dos sensores ou problemas de calibração e exposição (ângulo, tempo e
distância do fenômeno) podem gerar dados com problemas de precisão [1].
O objetivo deste trabalho é apresentar os principais nodos sensores sem fio em
operação atualmente. Eles foram projetados por diferentes grupos de pesquisa e apresentam
similaridades e diferenças que são apresentadas neste trabalho.
Visto que os temas ligados à energia do nodo sensor são os aspectos mais importantes
das RSSF, a título de ilustração, a Tabela 1 apresenta diferentes fontes energéticas e a
quantidade de energia ou potência que cada uma pode prover [18]. Para redes de sensores sem
fio, uma fonte de energia contínua e disponível no ambiente é de grande importância. Pela
tabela 1, podemos ver que células solares podem contribuir com 15 miliwatts por centímetro
quadrado se expostas diretamente ao sol e 0.15 miliwatts em dias nublados. Para algumas
aplicações, como em ambientes fechados, este tipo de fonte pode não ser suficiente. Outros
tipos, como por exemplo vibração e acústico, podem então ser utilizados.
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Fonte energética Potência provida por dimensão Energia provida por volume
Bateria (Zinc-air) 1050-1560mWh/cm3
Bateria (recarregável Lítio) 300mWh/cm3 (3-4V)Solar (ambiente aberto) 15mW/cm2 (sol direto)
0,15mW/cm2 (nublado) Solar (ambiente fechado) 0,006mW/cm2 (escritório)
0,57mW/cm2 (lâmpada de mesa <60W) Vibração 0,01-0,1mW/cm3 Acústico 3E-6mW/cm2 a 75dB
9,6E-4mW/cm2 a 100dB Reação nuclear 80 mW/cm3 1E6 mWh/cm3
Tabela 1 - Diferentes Fontes Energéticas
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2 Nodos Sensores Sem Fio
Um nodo sensor é composto de bateria, transceptor, processador, memória e dispositivo
de sensoriamento (figura 2).
A bateria é o armazém de energia do nodo sensor, que tem capacidade finita. Há uma
grande diferença entre as tecnologias de fabricação de baterias utilizadas nestes nodos,
referindo-se ao consumo de energia. A escolha da bateria a ser utilizada nos nodos sensores
deve considerar algumas características como volume, condições de temperatura e capacidade
inicial. Os tipos mais comuns de bateria dos nodos sensores são: linear simples, lítio NR e
lítio Coin Cell.
O transceptor inclui todo o sistema de transmissão e recepção, amplificador e antena.
Dois tipos de comunicação são:
1) óptica (laser): o transmissor utiliza raios laser para enviar a informação. Pode ser
dividida em ativa e passiva. Tem como principal vantagem o baixo consumo de energia e
como desvantagem a necessidade de que os nodos estejam direcionados;
2) rádio frequência (RF): baseado em ondas eletromagnéticas com frequência variando
de dezenas de KHz a centenas de GHz. O tamanho da antena deve ser pelo menos λ/4, onde λ
é o comprimento de onda, para otimizar a comunicação.
O consumo de energia do transceptor é dependente da operação efetuada e tipicamente a
transmissão de dados consome mais energia que a sua recepção.
A memória e o processador estão envolvidos nas atividades de computação realizada
pelo nodo. Quanto maior a freqüência do processador, maior o consumo de energia. O
consumo do processamento pode ser medido pelo número de ciclos de relógio para diferentes
tarefas como o processamento de sinais, verificação de código de erro, etc. Algumas das
características dos processadores utilizados em nodos sensores são: operam em baixa
frequência (a maioria utiliza processadores de 4 MHz), possuem um baixo custo com energia
e baixa capacidade de armazenamento (a maioria possui entre 4 e 128 KB).
Um dispositivo sensor é um dispositivo que produz uma resposta mensurável para uma
mudança na condição física (e.g., temperatura, pressão, campo magnético, estresse mecânico,
presença ou ausência de movimento, áudio, vídeo). Dispositivos sensores geralmente têm
características físicas e teóricas diferentes. Assim, numerosos modelos de nodos sensores de
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complexidade variável podem ser construídos baseado nas necessidades das aplicações. Os
principais tipos de sensores utilizados são:
• Magnetômetro: sensoria o campo magnético;
• Acelerômetro: capaz de medir a distância entre uma massa de referência e uma
massa de prova;
• Luz: sensoria a intensidade de luz no ambiente;
• Temperatura: sensoria a temperatura do ambiente;
• Pressão: sensoria a pressão do ambiente. Pode ser usado para medidas de
altitudes;
• Umidade: sensoria a umidade relativa.
Um resumo das principais caracterísitcas de alguns tipos de sensores é mostrado na
tabela 9 da seção 3.
A redução do tamanho do sensor tem como conseqüência a redução no tamanho e
capacidade de seus componentes. Para se ter uma noção das principais características de
construção de nodos sensores e das grandezas envolvidas, apresentamos a seguir alguns dos
principais projetos de pesquisa e desenvolvimento de nodos sensores.
Figura 2 – Componentes de um nodo sensor
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3 PROJETO Motes
Existem hoje no mercado sensores desenvolvidos por pesquisadores da Universidade
de Berkeley, conhecidos como Motes. Esses sensores foram desenvolvidos tendo como um
dos seus principais objetivos, o de consumirem a menor quantidade de energia possível
durante suas atividades. Isso se deve ao fato de que o consumo de energia em aplicações que
utilizam estes dispositivos, tais como as RSSF, é um fator crítico.
Os sensores Motes podem ser encontrados sob diversas formas, tamanhos e
características. A primeira geração, implementada como projeto de tese de Seth Hollar em
2000, é conhecida como Macro Motes ou COTS dust Motes, em seguida temos Rene Motes
e finalmente, a última geração de desenvolvimento, formada pelos MICA Motes e Smart
Dust. A Tabela 2 descreve as características mais frequêntes dos nodos sensores Motes.
Características Descrição Processador Atmel AT90LS8535 micro controlador [7] 4Mhz, 35 pinos (I/O),
voltagem de operação de 2,7 a 5,5 V. Consome 19.2 mJ/s no modo ativo, 5.7 mJ/s Idle e menos de 3 µJ/s no modo Sleep (medidas para consumo com 4MHz, 3V e 20ºC);
Comunicação Rádio Transceptor RF 916,5 Mhz, com capacidade de transmitir em média 10Kbps. O dispositivo de comunicação mais comum é o TR1000 [8], que possui gastos de energia com transmissão e recepção de 36 mJ/s e de 5.4 mJ/s a 14.4 mJ/s, respectivamente;
Sistema Operacional
TinyOS, que é um sistema operacional dirigido a eventos desenvolvido para os nodos sensores. É designado para suportar as operações de concorrência intensiva requerida pelas redes de sensores, utilizando pucos recursos de hardware, já que ocupa apenas 178 bytes de memória;
Memória 8 KB de memória programável, 512B de memória SRAM para dados e 32KB de EEPROM.
Tabela 2 - Características Gerais dos Nodos Sensores Motes
No entanto, vamos descrever as características de cada nodo sensor citado
anteriormente em separado, pois estes diferem bastante no que diz respeito ao tamanho, área
de alcance do sensor, tipos de sensores utilizados e preço.
3.1 Macro Motes – COTS Dust
Os MacroMotes [2], como já foi dito, foram os primeiros sensores a serem
desenvolvidos pela Universidade de Berkeley (UCB). Existe uma boa quantidade de nodos
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sensores classificados como Macro Motes: WeC Motes, RF Mote, Laser Mote, CCR Mote,
Mini Motes, MALT Motes e IrDA Motes. A diferença entre estes dispositivos está no fato
de que cada um deles possui um subconjunto dos tipos de sensores disponíveis, e um
determinado tipo de dispositivo de comunicação. As opções dentre sensores e dispositivos de
comunicação disponíveis são apresentadas na Tabela 3.
O CCR (Corner Cube Reflector) é um dispositivo composto de três espelhos
mutuamente ortogonais que refletem a luz diretamente de volta para o laser de origem.
Características Descrição Sensores Temperatura, luz, umidade, pressão, magnetômetro e acelerômetro. Dispositivos de comunicação
Transceptor RF, módulo Laser e um refletor CCR (Corner Cube Reflector).
Tabela 3 - Características Gerais dos Nodos Sensores Macro Motes
Os micros sensores COTS Dust foram desenvolvidos para que testes básicos, que
visam observar o comportamento de sensores com pequenas dimensões e reduzidas
capacidades de armazenamento de energia, pudessem ser realizados. O objetivo dos
pesquisadores da UCB era, na realidade, a realização destes testes utilizando os chamados
Smart dust, que possuem a dimensão de um grão de areia. No entanto, como a finalização
deste tipo de nodo sensor ainda levará algum tempo para se concretizar, uma solução mais
rápida, objetiva e viável foi a fabricação dos Macro Motes, para efeitos de simulação.
Podemos descrever as características de alguns dos tipos de micro sensores citados
acima, sabendo que em termos de processador, memória e sistema operacional utilizados
todos seguem as descrições gerais citadas anteriormente para os sensores Motes.
RF Motes Características Descrição Transceptor RF de 916 Mhz, que transmite 4.8 kbps; Comunicação Pode se estabelecer comunicação sem fio com outros
sensores, com alcance de 20 metros; Sensores disponíveis
Temperatura, umidade, luz, pressão barométrica, aceleração e magnetômetro;
Bateria Uma bateria de Lítio mantém o sensor funcionando continuamente por 5 dias ou por um ano e meio operando a 1% da frequência do processador.
Tabela 4 - Características Específicas dos RF Motes
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Laser Motes
Características Descrição Transceptor Utiliza comunicação a Laser para transmitir dados a uma
longa distância;
Comunicação
Pode transmitir a um alcance de quilômetros, porém deve ser ajustado manualmente para que aponte na direção correta do receptor.
Sensores disponíveis
Umidade, luz, temperatura e pressão;
Bateria Utiliza duas baterias AA; Características Especiais
Possui um semicondutor como alarme, que faz com que este sensor possa passar a trabalhar em um modo de baixa energia (Low power) com aproximadamente 1µW.
Tabela 5 - Características Específicas dos Laser Motes
CCR Motes
Características Descrição Transceptor Utiliza comunicação passiva a laser, com auxílio de um
CCR, refletor do canto de um cubo, a um custo de 100pJ/bit, para movimentação dos espelhos que compõe o CCR;
Comunicação O alcance da transmissão é uma função da intensidade do laser;
Sensores disponíveis
Temperatura;
Bateria Bateria Lítio de 3 V e 23 mm; Características Especiais
O sensor funciona corretamente tanto exposto a intensos raios solares, quanto em ambientes fechados.
Tabela 6 - Características Específicas dos CCR Motes
WeC Motes
Características Descrição Transceptor Contém antenas PCB; Comunicação Alcance de 20 metros a uma taxa de transmissão de 10 Kbps; Sensores disponíveis
Luz e temperatura;
Bateria Bateria Lítio de 3 V e 23 mm; Características Especiais
É o sensor com maior poder computacional dentre os Macro Motes. No entanto, sua característica mais notável em relação aos outros é o fato de poder ser re-programado através de ligações sem fio.
Tabela 7 - Características Específicas dos WeC Motes
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A Tabela 8 apresenta um comparativo entre os diferentes tipos de Motes. As características comparadas são aquelas consideradas mais críticas tanto para confecção quanto para escolha de um micro sensor.
Dimensões (cm) Custo (Dolar) *
Capacidade Bateria (3V)
Tempo de Vida (3 V)
CCR Motes 2.97 x 2.97 x 1.27 $50 560 mAh 56 horas Laser Motes 2.54 x 2.54 x 5.14 $91 2550 mAh 102 horas
RF Motes 7.62 x 2.54 x 1.27 $172 1000 mAh 142 horas WeC Motes 3.81 (diâmetro) x
1.27 $55 560 mAh 58 horas
* Estes valores são do custo na época do desenvolvimento, no ano 2000;
Tabela 8 - Comparação entre Diferentes Tipos de Motes
A Tabela 9 apresenta as características dos dispositivos sensores utilizados pelos Macro Motes:
Consumo atual
Limite de Voltagem
Mínimo/Máximo alcance
Precisão Dependência temperatura
Produto
Magnetômetro 650µA 2,7 - 5,25 -/+0,5Gauss 2mGauss 1,4mG/ ºC AA002-02 NVE
Acelerômetro 600µA 3-5,25 -/+2g 25mg Negligenciável ADXL202 analógico
Luz 200µA 2,7-5,5 0mW/m2-26mW/m2
6mW/m2 Negligenciável H53371 ESSD
Temperatura 600µA 2,7-5,5 -20ºC/100ºC 0,25ºC Não aplicável AD7418 Analógico
Pressão 650µA 2,7-5,5 0,6PSI gauge range/14,aPSI
absoluto
2,4mPSI 10mPSI/ºC SM5310 SMI
Umidade 200µA 4-9 0-100% umidade relativa
+/-2% RH
Negligenciável HIH-3605Hy-Cal
Tabela 9 - Características dos Dispostivos Sensores dos Macro Motes
3.2 Mica Motes Estes são sensores pertencentes à última geração, também desenvolvidos pela UC
Berkeley [17]. Possuem características diferentes daquelas relacionadas nas seções anteriores,
tanto para Motes em geral quanto para os Macro Motes. Os pesquisadores no entanto, ao
desenvolver os MICA Motes, mantiveram o objetivo de se construir dispositivos de
sensoriamento que contassem com pouca energia disponível e que pudesse suportar
comunicação sem fio. Além disso, maior capacidade de armazenamento e largura de banda
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para comunicação foram outros requisitos atendidos pelo projeto. As características gerais dos
Mica Motes são apresentadas na Tabela 10.
Características Descrição Transceptor Rádio transceptor RFM TR1000 de 916 Mhz ou 433 Mhz, com taxa de
transmissão de 50 Kbps; Comunicação Aproximadamente de 30 a 90 metros.
Gasta 36mJ/s para transmitir dados e 5,4mJ/s para receber; Bateria Equipado com duas baterias AA. Energia Externa: 3,0V; Sensores disponíveis
Luz, temperatura, aceleração, sísmico, acústico e magnético;
Características Especiais
Expansão. Possui 51 pinos que permitem que outros elementos possam ser agregados ao sensor;
Sistema Operacional
Tiny OS;
Dimensões Possui aproximadamente 5 cm3; Processador O MICA Motes está equipado com micro controlador Atmega103 de
4Mhz e 8 bits, assim como os Motes tradicionais. O processador operando no modo ativo gasta cerca de 16,5mJ/s, 4,8mJ/s no modo Idle e no modo Sleep menos de 60µJ/s são necessários;
Memória Contém uma memória Flash de 128KB, 4KB de RAM, 4KB de ROM e ainda uma memória Flash externa de 512 KB.
Tabela 10 - Características Gerais do Mica Motes
Dados estes valores e a quantidade de energia disponível, o nodo sensor MICA Motes
consegue permanecer ativo durante um ano no modo de operação Idle, e durante uma semana
operando normalmente. Os MICA Motes são ideais em aplicações onde é necessária a
utilização de redes de sensores sem fio de larga escala, ou seja, pelo menos mil pontos de
sensoriamento utilizados.
Os MICA Motes são comercializados pela empresa Crossbow Technology, Inc., mas
os preços não estão disponíveis ao público. Em [19] pode-se encontrar mais informações
sobre a venda e características destes nodos.
3.3 Smart Dust
Smart Dust [3] é um tipo de sensor que ainda está em desenvolvimento. O objetivo dos
pesquisadores da UCB é conseguir miniaturizar os elementos de um nodo sensor, para que
este fique com as dimensões de um grão de poeira, ou seja, um cubo de aproximadamente um
milímetro. Os componentes disponíveis para este dispositivo serão um sensor, uma bateria,
um circuito analógico, um dispositivo de comunicação óptica bidirecional e um
microprocessador programável.
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As características gerais dos Smart Dust são apresentadas na Tabela 11.
Características Descrição Transceptor Óptico. CCR ou laser Comunicação A comunicação pode ser passiva, através de um CCR (0,5 x 0,5 x
0,1mm3) transmitindo a uma taxa de 10Kbps, utilizando 1µW de energia e com uma área de alcance de 1Km. Outra opção é a transmissão ativa através de laser, (1,0 x 0,5 x 0,1 mm3) transmitindo a 1Mbps, com o gasto de energia de 10mW e área de alcance de 10 Km. Os dois tipos de comunicação citados acima, são conhecidos como comunicação óptica;
Bateria Possui uma bateria thick-film (1 mm3) que provê 1J de energia ao sensor por milímetro cúbico. Além disso, células de captação solar (1,0 x 1,0 x 0,1mm3) são capazes de prover 1J por dia, por milímetro quadrado quando exposto à luz solar, ou de 1 a 10mJ em ambientes fechados. O Smart Dust conta ainda com um capacitor (0,25mm3) que provê 10mJ por milímetro cúbico;
Sensores disponíveis
Luz, temperatura, vibração, magnético, acústico e Wind shear1 (0,5x0,5x0,1mm3);
Dimensões Aproximadamente 1 mm3. O volume total de um nodo sensor Smart Dust chega a 1,5mm3 e a massa total 5mg;
Processador Os objetivos para este Motes ainda não foram alcançados. Espera-se que haja ainda um conversor AC/DC que utilize 1nJ por amostra, e que toda computação dentro do Dust gaste 1pJ por instrução;
Aplicações Como exemplo de aplicações para os Smart Dust podemos citar: teclados virtuais, monitoração da qualidade de produtos, Smart Office Spaces e também espionagem.
Tabela 11 - Características dos Nodos Sensores Smart Dust
1 Fenômeno natural que envolve mudanças bruscas na velocidade e/ou direção do vento em curtas distâncias.
A comunicação através de transceptores RF é bastante inadequada para os nodos deste
tipo, devido a vários aspectos. Um deles é o fato de que as antenas seriam muito grandes para
os Smart Dust, e outro é o consumo de energia, que seria alto para a disponibilidade do nodo.
Assim sendo, a transmissão óptica é a mais adequada, e é utilizada tanto na forma passiva
quanto ativa:
• Transmissão óptica passiva: Os motes não precisam irradiar energia e a assimetria
pode ser bastante explorada. No entanto, requer uma linha de visão direta para a
estação base e é portanto afetada pela chuva e por turbulências.
• Transmissão óptica ativa: Possui alcance e área de transmissão maiores que a
passiva, mas, no entanto, requer mais energia para operar. Nem todos os nodos
precisam ter uma linha de visão alinhada à estação base. É vulnerável a chuvas e
turbulências.
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As contribuições que este projeto, quando concluído, trará para a área de pesquisa em
redes de sensores sem fio serão incontáveis, visto que um nodo sensor com dimensões tão
pequenas e características tão restritivas, permitirão sensoriamentos nas mais diversas áreas.
Concluindo, o Smart Dust é um projeto que une sensoriamento, computação,
comunicação e energia em um volume de um milímetro cúbico.
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4 PROJETO µAMPS
Os nodos sensores µAMPS (µ-Adptative Multi-domain Power Aware Sensro) [4, 5, 6]
possuem uma política de gerenciamento de energia, conhecida por power-aware ou energy-
aware, que permite que o nodo sensor seja capaz de fazer com que seu consumo de energia se
adapte às características e variações do ambiente onde se encontra, dos recursos que ele
próprio dispõe e das requisições dos usuários da rede. Esta metodologia é, portanto, ideal para
aplicações onde existem muitas variações no ambiente. Os pesquisadores da MIT
(Massachusetts Institute of Technology) são os responsáveis pelo desenvolvimento do
µAMPS.
As características gerais dos µAMPS são apresentadas na Tabela 12.
Características Descrição Transceptor Utiliza o rádio transceptor National Semiconductor´s LMX3162.
Opera na banda ISM na frequência 2,45Ghz; Comunicação Consegue um máximo de 1Mbps, em transmissões sem fio, ponto a
ponto. Camada de Enlace utiliza TDMA. Alcance entre 10 e 100 metros;
Bateria Necessita de 3,6V DC, que pode ser provido por uma única e pequena bateria de lítio (cell lithium ion);
Sensores disponíveis
Acústico e sísmico, os quais requerem 5mA a uma tensão de 5V;
Características Especiais
A camada de enlace é integrada ao rádio PCB, e age como um bloco de memória de armazenamento (Ver Tabela 13);
Sistema Operacional
µOS, que é uma adaptação do micro kernel eCos para suportar a metodologia power aware;
Dimensões Não disponível; Processador CPU estática CMOS StrongARM SA-1100, mantida em um módulo
com 55mm2; Memória 16MB SRAM e 512KB de Flash ROM.
Tabela 12 - Características Gerais dos µAMPS
Existem atualmente 13 estados de consumo de energia que compõe a característica de
power-aware do micro sensor µAMPS, dos quais citaremos os cinco mais distintos. Dentro
destes estados, o alcance de transmissão pode variar entre 10 e 100 metros. A Tabela 13
apresenta os estados do nodo sensor e o respectivo consumo de energia associado ao rádio
transceptor.
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Estado do nodo sensor Consumo associado ao rádio transceptorDesligado Não consome energia Idle 60 mW Recebimento 280 mW Transmissão – baixa (10 metros) 330 mW Transmissão – alta (100 metros) 1,1 W
Tabela 13 - Estado Operacional e Consumo do Nodo Sensor µAMPS
Redes distribuídas de micro sensores requerem a utilização de algoritmos power-
aware e protocolos que permitam um longo tempo de vida para o sistema. O DVS, Dinamic
Voltage Scaling, permite adaptação da qualidade de energia (energy quality scaling), para a
redução adaptativa de energia. Se a carga do processador está baixa ou a atraso tolerável é
alto, pode-se reduzir a tensão e a frequência do processador, para reduzir o consumo de
energia. DVS é a tecnologia chave disponível para o µAMPS, e as RSSF formadas por estes
nodos sensores. Outras formas de economia de energia são:
• Desligar componentes (rádio, sensor ou processador) dos nodos, caso estes não
estejam sendo utilizados;
• Utilização de algoritmos capazes de escalonar o consumo de energia, como a
métrica Mais Importante Primeiro, por exemplo.
Fabrício Silva, Thais Braga, Linnyer Ruiz e José Marcos Nogueira
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5 PROJETO PicoRadio O PicoRadio [16], que também está sendo projetado na Universidade de Berkeley, é
um tipo de micro sensor conhecido como picoSensor. Este tipo de nodo é projetado com o
objetivo de que a dissipação de energia do sensor, tanto em processamento quanto em
comunicação, seja extremamente baixa. Portanto, os limites aceitáveis em relação à energia
são de 10pJ por bit corretamente transmitido ou processado, e em relação à potência, o
máximo é de 1mW. Para que tais objetivos possam ser alcançados, as seguintes técnicas serão
utilizadas:
• Energy sacavenging. Intensas pesquisas são realizadas a respeito dessa técnica que
tenta fazer com que o nodo sensor retire o máximo de energia possível do ambiente
onde se encontra. Energia provida do sol e de vibrações são exemplos de fontes
energéticas;
• Baixo consumo de energia na arquitetura do PicoSensor e seus circuitos, ou seja,
escolher os componentes (processador, rádio, etc..) que possuem um baixo consumo
de energia;
• Sistema Operacional dirigido a eventos, já que resultados de testes mostraram que este
tipo de sistema pode ser mais econômico do que sistemas operacionais de propósito
geral, no que diz respeito a energia.
Assim, para o PicoRadio, um simples sensor oferece toda a comunicação, mecanismos
de localização espacial e funções de computação.
A Tabela 14 apresenta as características gerais dos nodos sensores PicoRadio. Características Descrição Transceptor Taxa de transmissão de dados de 1 a 100Kbps, com alcance de 1 a 100
metros; Comunicação Largura de banda de 5Ghz. Camada de Enlace (MAC) utiliza TDMA.
Possui transmissão reativa ou auto engatilhada; Bateria Não disponível; Sensores Acelerômetro, magnetômetro e temperatura; Características Especiais
Ideal para um grande número de nodos;
Sistema Operacional
Não disponível;
Dimensões Não disponível; Processador StrongARM; Aplicações Identificação inteligente, controle e monitoração de ambientes,
segurança e formação de redes instantâneas.
Tabela 14 - Características Gerais dos Nodos Sensores Pico Radio
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6 PROJETO WINS RockWell
Rockwell Science Center, com colaboração de pesquisadores da UCLA (University of
California, Los Angeles), desenvolveram o protótipo de um nodo sensor, chamado WINS 1
[9]. O nodo sensor combina capacidade de sensoriamento (tais como sísmica, acústica e
magnética) com um processador RISC embutido e um rádio de transmissão. Algumas das
principais exigências seguidas pelos pesquisadores para o desenvolvimento são: pequenas
dimensões, robustez quando sujeito a condições climáticas, baixo consumo de energia e custo
razoável.
Características Descrição Transceptor O alcance do rádio pode ultrapassar os 100 metros.
O módulo do rádio usa o Conexant RDSSS9M que implementa uma comunicação RF spread spectrum a uma frequência de 900 Mhz (ISM). O rádio opera em um dos 40 canais, escolhido pelo controlador;
Comunicação Camada de Enlace (MAC) utiliza TDMA. Transmissão: o protocolo da camada de enlace permite transmissão de dados a uma taxa de 100 Kbps;
Bateria WINS 1 irá funcionar continuamente por 15 horas em duas baterias 9V, podendo este tempo ser estendido, diminuindo-se a coleta de dados e a transmissão. Operando com o máximo da sua capacidade, gasta menos que 300mJ/s, no modo típico ou normal gasta menos que 200mJ/s, no Idle gasta menos que 40mJ/s e no Sleep menos que 0.8mJ/s.
Interface de Rádio
3 wire (GND, RX e TX) RS-232.
Interface de Sensor
Conexões com os sensores são realizadas através da interface 4 wire SPI
Interface Externa
Possui interfaces JTAG e RS-232
Sensores Disponíveis
Ver Tabela 17
Características Especiais
Radiated RF Power: é capaz de operar a vários níveis de energia para transmissão, podendo variar de 1 mW até 100 mW, permitindo assim o uso de algoritmos de otimização do consumo de energia para a transmissão; Controlador Embutido: micro controlador 65C02 com 32 KB de memória SRAM e 1 MB memória FLASH bootável; Voltagem de entrada: 4-15 V; Voltages de saída: Pode variar entre os valores máximos de: 1.5 V / 160 mA; 3.0 V / 20 mA e 3.3 V / 300mA;
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Sistema Operacional e Software
Os pesquisadores da Rockwell desenvolveram softwares para os protocolos básicos de comunicação, um Kernel runtime, drivers para os sensores, aplicações para processamento de sinais e APIs;
Dimensões 6.98 cm x 6.66 cm x 8.89 cm; Processador Intel StrongARM 1100 @ 133 MHz, 150 MIPS. Oferece 16 KB de cache
para instruções e 8KB para dados, e possui E/S serial e interface JTAG. Pode ser executado em três estados: normal, idle e sleep, que podem ser controlados para reduzir o consumo de energia;
Memória Possui 128 KB de SRAM e 1 MB de memória FLASH bootável; Aplicações Os pesquisadores estão desenvolvendo uma série de aplicações para o WINS
1, tais como militares, espaciais e industriais. Tem trabalhado em parceria com a marinha americana e com U.S. Army, monitorando desertos, florestas e terrenos urbanos. Além disso, testes de monitoração de máquinas complexas e processos em fábricas (ex. U.S. Navy) estão sendo feitos. O principal objetivo é reduzir monitoração humana e prover continuamente e detalhadamente o estado de operação do equipamento. Picosatélites são modificações do WINS 1 para monitorar o espaço.
Foto do Nodo
Tabela 15 - Características Gerais do Nodo Sensor WINS RockWell
O nodo sensor WINS RockWell consome por volta de 1 W de energia em momento
de pico, sendo 300 mW do processador, 600 mW para transmissão de dados ou 300 mW para
recepção e menos que 100 mW para os transdutores. Possui duas baterias de 9 V cada. A
Tabela 16 mostra uma comparação entre o consumo de energia para combinações de uso do
processador, sensor e rádio [10].
Processador Sensor Sísmico Rádio Energia (mW)
Ativo Ligado RX 751,6 Ativo Ligado Idle 727,5 Ativo Ligado Dormindo 416,3 Ativo Ligado Removido 383,3
Dormindo Ligado Removido 64,0 Ativo Removido Removido 360,0
Tabela 16 - Consumo de Energia para Combinação Processador, Sensor e Rádio. Fabrício Silva, Thais Braga, Linnyer Ruiz e José Marcos Nogueira
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O nodo sensor WINS RockWell pode ser equipado com diferentes tipos de
dispositivos sensores. A Tabela 17 apresenta os tipos de dispositivos sensores utilizados pelo
WINS RockWell e suas características.
Módulo dos Sensores
Descrição
Sísmico Usa o Mark IV geophone, designado para detecção de eventos sísmicos a baixas frequências. A sensitividade é por volta de 1µg.
Acústico Usará uma miniatura de um microfone, o Knowles BL1785. A previsão para a frequência é de 4 Hz até 2 KHz. Está sendo desenvolvido.
Magnetrômetro O protótipo está sendo testado. Emprega o Honeywell HMC1001, possuindo uma sensitividade de 27 µGauss, podendo detectar uma libra de ferro a 6 pés.
Acelerômetro Está sendo criado para monitorar vibrações em máquinas. A banda é de 20 KHz, e possui entrada para sensores de temperatura e de pressão. Tabela 17 - Módulos dos Sensores para Nodos WINS RockWell
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7 PROJETO Sensor Web
O Jet Propulsion Laboratory (JPL) do California Institute of Technology [11] está
desenvolvendo um projeto chamado SensorWeb. Este projeto consiste em um sistema sem
fio, com nodos sensores que comunicam-se entre si, distribuídos espacialmente, que podem
ser dispostos para monitorar e explorar novos ambientes. O projeto é frequentemente
confundido com projetos nomeados “sensores distribuídos” ou “rede de sensores”. Uma
característica exclusiva do Sensor Web é que a informação coletada em um nodo sensor é
compartilhada e usada por outros nodos.
O laboratório JPL foi formado para atender aos interesses da NASA, que tem como
meta a exploração do Sensor Web em diversas aplicações. Já foram desenvolvidos três tipos
de nodos sensores: Sensor Web 1, Sensor Web 2 e Sensor Web 3. A seguir, é apresentado as
principais características destes nodos.
7.1 Sensor Web 1
Sensor Web 1 foi desenvolvido para permitir testes iniciais dos conceitos mais simples
do Sensor Web. A Tabela 18 apresenta as características dos protótipos dos nodos Sensor
Web 1.
Características Descrição Transceptor Chips para transmissão e recebimento e micro controlador; Comunicação O alcance do rádio de transmissão pode chegar a 40 metros,
com uma taxa de transmissão de 20 Kbps a uma frequência de 916 MHZ [12];
Bateria 3 V Lítio; Sensores disponíveis
Luz e temperatura;
Características Especiais
Em um ciclo de um conjunto de medidas por segundo, é estimado que se precise de 50 mW de energia;
Sistema Operacional
Não disponível;
Dimensões Peso de 50g; Processador Não disponível;
Tabela 18 - Características do Nodo Sensor Web 1
Fabrício Silva, Thais Braga, Linnyer Ruiz e José Marcos Nogueira
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Um experimento com 4 nodos Sensor Web 1 foi realizado em laboratório. Um nodo
foi conectado a um notebook, para receber as informações dos outros nodos. O primeiro teste
foi feito com os nodos postos linearmente, onde cada um só poderia se comunicar com o mais
próximo. O segundo experimento foi feito em um layout de “diamantes” (figura 3). Assim, os
nodos 1 e 2 poderiam se comunicar com qualquer outro nodo. Devido a essa redundância, a
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retirada de um dos nodos (1 ou 2) não causaria interrupção da coleta e transmissão de dados
feita pelo nodo 3. A redundância de sensores também causa uma redundância de dados, como
por exemplo, dados do nodo 3 podem seguir os seguintes caminhos: 3-2-1-M e 3-1-M (M é o
nodo conectado ao notebook). Contudo, os protocolos são designados para eliminar a
redundância de dados dinamicamente.
Figura 3 - Disposição dos Nodos Sensores nos Experimentos Sensor Web Realizados
7.2 Sensor Web 2 e 3 Enquanto o Sensor Web 1 foi designado a testes laboratoriais, Sensor Web 2 foi
aplicado em situações reais [12]. A manipulação de dados é feita a uma taxa que pode
ultrapassar 50 Kbps.
Características Descrição Transceptor O alcance do rádio pode chegar a 150 metros.
A frequência de transferência é de 916 MHZ; Comunicação Taxa de transmissão é de 28.8 Kbps; Bateria Possui uma bateria de 8 V que pode ser recarregada por raios solares; Sensores disponíveis
Luz e temperatura;
Características Especiais
Sensor Web 2 possui características mais avançadas que o Sensor Web 1;
Sistema Operacional
Não disponível;
Dimensões Maior e mais pesado que o Sensor Web 1. Tem as seguintes dimensões: 5cm x 10cm x 16cm;
Processador Não disponível; Tabela 19 - Características do Nodo Sensor Web 2
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Essas características também pertencem ao Sensor Web 3 (figura 4). Mas algumas
melhoras foram feitas, como o design para suportar altas temperaturas (-55C até +70C) e
intensos jatos de água. O micro controlador também foi melhorado. Mas a principal diferença
entre Sensor Web 2 e 3 é a interface do usuário final. Uma interface gráfica (GUI) foi
desenvolvida para que os dados coletados possam ser visualizados através da internet. Esta
interface gráfica pode ser vista na Figura 5.
Figura 4 - Nodo Sensor Web 3
O Sensor Web 3 foi e ainda está sendo testado em várias aplicações, monitorando diferentes ambientes.
Figura 5 - Interface Gráfica (GUI) desenvolvida para que os dados coletados possam ser visualizados
através da Internet. A Nasa tem grande interesse no Sensor Web, já que permite um novo paradigma para
monitoração de ambientes e funcionamento de naves espaciais, além de exploração planetária,
o que pode gerar um significante impacto no design de naves e no planejamento de missões
espaciais. [13]
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8 Medusa MK-2
Medusa MK-2 [14,15] (figura 6) é um nodo sensor desenvolvido no Laboratório de
Engenharia Elétrica da Universidade da Califórnia com objetivo de se fazer testes reais de
redes de sensores sem fio, que operam sem a supervisão humana.
A Tabela 20 apresenta as principais características do nodo sensor Medusa MK-2.
Característica Descrição Transceptor O rádio possui uma potência de transmissão de 0,75 mW e seu alcance pode
chegar aos 20 metros. A taxa de transferência pode variar de 2,4 Kbps até 115 Kbps;
Comunicação A comunicação é feita através de um rádio TR1000 (RF Monolithics) e um barramento serial RS-485;
Bateria Possuir bateria recarregável Lithium-ion de 540 mAh e um conversor DC-DC que possui uma saída de 3,3V e pode prover até 300mA de corrente vinda da bateria. Não tendo sensores conectados, o nodo requer menos do que 165mJ/s para o seu funcionamento. No entanto, o suprimento de energia foi designado para prover 990mJ/s, utilizados para oferecer a energia adicional necessária aos sensores que podem ser colocados no nodo como acessórios de bordo;
Sensores disponíveis
Acelerômetro (ADXL202E) e temperatura;
Dimensões Não disponível; Interfaces É composto de um conjunto de interfaces: entradas 10-bit ADC, portas seriais
(I2C, RS-232, RS-485, SPI) e várias portas de E/S de propósito geral (GPIO); Sistema Computacional
Consiste em dois micro controladores. O primeiro é um ATMega128L MCU (Atmel) de 8 bits e 4 MHZ, com 32 KB de flash e 4 KB de RAM. O segundo é um processador AT91FR4081 ARM THUMB (Atmel), de 16/32 bits e 40 MHZ, com 136 KB de RAM e 1 MB de memória FLASH on-chip. As tarefas são distribuídas entre os dois micros controladores, sendo que o ATMega128L MCU fica incumbido das funções que necessitam de menos processamento.
Foto do Nodo
Tabela 20 - Características do Nodos Sensor Medusa MK-2
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9 Comparativo entre os Nodos Sensores
As RSSFs são dependentes da aplicação. Assim, a escolha dos elementos para a
composição de uma RSSF está diretamente ligada à aplicação que se deseja desenvolver.
Existem nodos sensores que, dadas as suas dimensões, taxa de transmissão e alcance, por
exemplo, são ideais para uma aplicação e totalmente inadequados para outras. Em outros
casos, nodos que parecem adequados a um tipo de aplicação no que diz respeito ao hardware
apresentam limitações quanto ao software que se quer utilizar. Portanto, não faz sentido
classificar um nodo sensor como melhor ou pior do que outro sem se conhecer a aplicação
para a qual se destina.
A Tabela 21 resume os aspectos específicos de todos os nodos sensores apresentados
neste trabalho.
Nodo Sensor
Dimensões Volume Taxa de transmissão
Alcance de transmissão
RF Motes 7,62 cm x 2,54 cm x 1,27 cm
24,58 cm3 4,8 kbps 20 m
Laser Mote 2,54 cm x 2,54 cm x 5,14 cm
33,94 cm3 Quilômetros
CCR Motes 2,97 cm x 2,97 cm x 1,27 cm
11,20 cm3 30 bps 10 m
WeC Motes 3,85 cm x 1,27 cm 14,47 cm3 10 Kbps 20 m Mica Motes 5 cm3 5 cm3 50 Kbps 30 a 90 m Smart Dust 1 mm3 1 mm3 10 Kbps a 1 Mbps 1 a 10 km
µAMPS 55 mm2 1 Mbps 10 e 100 m PicoRadio De 1 a 100 Kbps 1 a 100 m WINS 1 6,98 cm x 6,66 cm x 8,89
cm 413,70 cm3 100 Kbps 100 m
Sensor Web 1
20 Kbps 40 m
Sensor Web 2-3
5cm x 10cm x 16cm 800 cm3 28.8 Kbps 150 m
Medusa MK-2
2,4 Kbps até 115 Kbps.
20 m
Tabela 21 - Comparativo entre os Diferentes Nodos Sensores
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10 Conclusão
O que se percebe de forma geral é que a maioria dos grupos de pesquisa mantém seus
dados desatualizados ou sob sigilo. Outro fato importante diz respeito aos aspectos de
comercialização desses nodos sensores, uma vez que pouco se consegue descobrir quanto aos
preços e oportunidades de aquisição. Vale lembrar que alguns dados fornecidos neste
documento podem estar desatualizados ou incompletos em decorrência dos motivos citados.
A pesquisa não está encerrada e uma nova versão deste trabalho está prevista para os
próximos meses.
Fabrício Silva, Thais Braga, Linnyer Ruiz e José Marcos Nogueira
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11 Referências Bibliográficas [1] Yong Yao, and Johannes Gehrke. The Cougar Approach to In-Networks Query Processing in Sensor Networks. Cornell University. [2] Disponível em: http://www-bsac.eecs.berkeley.edu/~shollar/macro_motes/macromotes.html. Acessado em 23 de novembro de 2002. [3] Disponível em: http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust/. Acessado em 20 de novembro de 2002. [4] Rex Min, Manish Bhardwaj, Seong-Hwan Cho, Amit Sinha, Eugene Shish, Alice Wang, and Anantha ChandraKasam. An architecture for a power-aware distributed microsensor node. Cambridge Ma. Disponível em http://www.mit.edu/~rmin/research/min-sips00.pdf. Acessado em 27 de novembro de 2002. [5] Rex Min, Travis Furrer, and Anantha ChandraKasan. Dynamic voltage Sacling for Distributed microsensors Networks. IEEE WorkShop on VLSI. April 2000. Disponível em http://www.mit.edu/~rmin/research/min-wvlsi00-slides.pdf. Acessado em 25 de novembro de 2002. [6] N. Ickes, F.S. Lee, and P.Phanaphat. Hardware Architeture for a Power-aware microsensor node. Disponível em http://www-mtl.mit.edu/mtlhome/6Res/AR2002/01_ics/006_hapamn.pdf. Acessado em 25 de novembro de 2002. [7] Documentação oficial relativa ao micro controlador ATMEL: http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc1041.pdf [8] Documentação oficial relativa ao transceptor TR100: http://www.rfm.com/products/data/tr1000.pdf [9] Wireless Sensor Networks for Area Monitoring and Integrated Vehicle. Health Management Applications. Disponível em: http://wins.rockwellscientific.com/publications/WINS_for_AIAA_99-4557.pdf [10] Power Considerations for Sensor Networks http://www2.parc.com/spl/projects/cosense/csp/slides/Srivastava.pdf [11] Disponível em http://sensorwebs.jpl.nasa.gov/ [12] The Sensor Web: A Macro-Instrument for Coordinated Sensing http://sensorwebs.jpl.nasa.gov/resources/Delin-Jackson2000.pdf [13] The Sensor Web: A New Instrument Concept. http://sensorwebs.jpl.nasa.gov/resources/sensorweb-concept.pdf Fabrício Silva, Thais Braga, Linnyer Ruiz e José Marcos Nogueira
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[14] A página do projeto é: http://cens.ucla.edu/Project-Descriptions/Sensor%20Platform/index.htm [15] A Distributed Computation Platform for Wireless Embedded Sensing http://nesl.ee.ucla.edu/projects/ahlos/reports/iccd_mk2.pdf [16] PicoRadio Protocols, Architetures and Plataforms – Berkeley. [17] MICA Mote Architeture – WEBS retreat – Jason Hill 2002 [18] PicoRadio Supports Ad Hoc ultra-low Power Wireless NetWorking Jan M. Rabaey, M. Josie Ammer, Juio L. da Silva Junior, Danny Patel Shad Roundy, UC Berkeley. [19] A página da empresa Crossbow Technology, Inc. É: http://www.xbow.com
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