Projetos de nodos sensores - sensornet.dcc.ufmg.br · Title: Projetos de nodos sensores Subject:...

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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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


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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


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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;


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;


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);


Acústico e sísmico, os quais requerem 5mA a uma tensão de 5V;


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.


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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


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;


19


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

20


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


21


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;


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


22

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


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;


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


23


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]


24


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;


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


25


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


26


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.


27


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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http://www-bsac.eecs.berkeley.edu/~shollar/macro_motes/macromotes.html

http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust/

http://www.mit.edu/~rmin/research/min-sips00.pdf

http://www.mit.edu/~rmin/research/min-wvlsi00-slides.pdf

http://www-mtl.mit.edu/mtlhome/6Res/AR2002/01_ics/006_hapamn.pdf

http://www-mtl.mit.edu/mtlhome/6Res/AR2002/01_ics/006_hapamn.pdf

http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc1041.pdf

http://www.rfm.com/products/data/tr1000.pdf

http://wins.rockwellscientific.com/publications/WINS_for_AIAA_99-4557.pdf

http://www2.parc.com/spl/projects/cosense/csp/slides/Srivastava.pdf

http://sensorwebs.jpl.nasa.gov/

http://sensorwebs.jpl.nasa.gov/resources/Delin-Jackson2000.pdf

http://sensorwebs.jpl.nasa.gov/resources/sensorweb-concept.pdf


[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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http://cens.ucla.edu/Project-Descriptions/Sensor Platform/index.htm

http://nesl.ee.ucla.edu/projects/ahlos/reports/iccd_mk2.pdf

http://www.xbow.com/

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