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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS ESCOLA

1. 1000 p 100 e I 10 2 2 Q D 1 0 Discharge Resistance Ohms Figura 2 1 Efeito da temperatura na capacidade da bateria 6 A Figura 2 2 mostra o efeito da temperatura na capacidade de uma bateria alcalina comercial 6 Observando a not rio o fato de que a capacidade da bateria se reduz drasticamente a baixas temperaturas 10 C e isto n o deve ser negligenciado de maneira alguma em projetos de sistemas que ter o baterias como sua principal fonte de energia e que ser o utilizados em tais temperaturas 11 TEMPERATURE C 20 30 40 50 60 wo ALKALINE MANGANESE DIOXIDE amp MERCURIC OXIDE a APPOXIMATE CAPACITY LOSS PER YEAR a 30 50 ZINC CARBON 100 70 80 90 100 110 120 130 140 TEMPERATURE F Effect of temperature on capacity retention for various DURACELL zinc anode systems Figura 2 2 Efeito da auto descarga da bateria em sua capacidade 2 11 A Figura 2 2 mostra o efeito da auto descarga na capacidade de alguns tipos de baterias comerciais 2 Contudo o fator mais importante a taxa de descarga A Figura 2 3 mostra o efeito da taxa de descarga na capacidade neste caso no tempo de servi o de uma bateria comercial 6 CONSTANT CURRENT DISCHARGE Typical Service 1000 100 10 LH 0 8 Cutoff Voltage ses
2. Service Hours Discharge Current mA Figura 2 3 Efeito da taxa de descarga na capacidade da bateria 6 Constata se pela Figura 2 3 que realmente existe uma forte depend ncia entre a capacidade da bateria e a taxa de descarga e quanto maior a corrente de descarga da bateria menor ser o seu tempo de vida Assim torna se imprescind vel a necessidade de se considerar tal efeito no modelo da bateria 2 2 M TODOS DE ESTIMA O DA CAPACIDADE RESIDUAL DE BATERIAS Dentre os m todos de estima o da capacidade residual de baterias ser o de relev ncia para este trabalho a estima o baseada na tens o e a estima o baseada na corrente O primeiro caso consiste em monitorar a tens o da bateria com o circuito em opera o e a partir dela estimar a capacidade residual Embora seja fato que a tens o da bateria decremente continuamente durante a descarga a rela o entre o n vel de tens o e capacidade residual varia amplamente 12 principalmente com a taxa de descarga conforme pode ser observado na pilha alcalina da Figura 2 4 2 TYPICAL DISCHARGE CHARACTERISTICS AT 21 C 70 F Tens o V Capacidade Ah Figura 2 4 Caracteristica de descarga considerando a tensao 2 Um detalhe importante que isto n o ocotre para todos os tipos de baterias Por exemplo as baterias de l tio apresentam uma mudan a muito pequena no n vel de tens o ao l
3. 1 40 1 35 2823 67 2706 99 2520 30 2030 24 1 30 3010 36 2940 35 2847 01 2753 66 2636 98 2473 63 2006 91 1096 80 420 05 1 25 2823 67 2730 33 2660 32 2566 97 2473 63 2356 95 1960 24 1073 47 412 28 1 20 2450 29 2356 95 2286 94 2240 27 2240 27 2170 26 1866 89 1050 13 404 48 1 15 746 75 630 07 583 40 630 07 910 11 1750 21 1633 53 956 79 396 71 1 10 140 02 116 68 93 35 116 68 163 35 256 70 1003 46 746 76 350 04 1 05 23 33 23 34 23 34 2333 4667 4668 116 68 280 04 233 36 1 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 Tabela 2 3 Capacidade residual em mAh da bateria de NiMH vs tens o e temperatura taxa de descarga de 0 7C 10 A estima o baseada na corrente tamb m denominada de contagem de Coulomb consiste em monitorar a corrente do circuito a partir de um sensor de corrente conversor corrente tens o em s rie com a carga geralmente um resistor de baixo valor hmico e de baixa toler ncia resistor shunt Apesar de haver uma pequena dissipa o de energia no sensor ser demonstrado que haver uma melhora significativa na exatid o da estima o dependendo do modelo de bateria utilizado Na pr tica havendo disponibilidade de ambas as medidas corrente e tens o pode se utiliz las para incrementar ainda mais a exatid o e a confiabilidade da estima o 14 2 3 MODELOS DE BATERIAS Conforme citado no item anterior a exatid o da estima o da capacidade residual da bateria tamb m depender do modelo utili
4. Sensores Os sensores s o os respons veis pelo monitoramento de fen menos de interesse tais como temperatura press o luminosidade umidade etc Eles traduzem fen menos f sicos em sinais el tricos e podem ser classificados como dispositivos anal gicos ou digitais dependendo do tipo de sa da que produzem As fontes de consumo de energia em sensores incluem amostragem do sinal e a convers o do sinal f sico para o sinal el trico condicionamento do sinal e convers o de anal gico para digital PLATAFORMA MICA MOTES O MICA2 um n sensor da plataforma Mica Motes uma das mais utilizadas para projetos em redes de sensores sem fio Ele composto basicamente pelo microcontrolador 32 ATMEGA128L 42 uma mem ria externa de 512 KB AT45DB041B 55 um transceptor digital CC1000 47 um conector de 51 pinos para conex o de placas de sensores denominadas de sensorboards e tr s LEDs para depura o conforme pode ser visto na Figura 2 12 56 Antanna m 5 fn B E 5 p E T 5 Figura 2 12 Diagrama esquem tico do MICA2 56 O ATMEGA128L um microcontrolador de 8 bits com 128 KB de mem ria flash 4KB de SRAM Static Random Access Memory 4 KB de EEPROM e um conversor anal gico digital ADC de aproxima es sucessivas de 10 bits Al m disso ele possui seis modos de gerenciamento de pot ncia que permitem o desligamento de m dulos n o utilizados na MCU por parte da aplica o Idl
5. 40 60 140 lt 0 1 pee 1 2 1 080 20 50 300 700 90 150 10 20 c dmio N quel metal 1 2 1 580 20 50 300 600 160 310 20 30 hidreto no 3 6 1 500 20 50 500 1000 200 280 5 10 L tio 3 600 40 60 140 lt 0 1 Tabela 2 1 Principais tipos de baterias comerciais e suas caracter sticas Alguns exemplos foram repetidos baterias de l tio propositalmente para mostrar a rela o existente entre o tamanho e a capacidade da bateria ou seja a redu o do tamanho para o mesmo tipo qu mico implica necessariamente em redu o da capacidade da bateria 2 1 4 FATORES QUE INFLUENCIAM A CAPACIDADE DA BATERIA A complexidade da tecnologia de baterias se deve ao fato das mesmas envolver fen menos intr nsecos altamente n o lineares 7 A opera o da bateria depende de fatores tais como dimens es da bateria tipos de materiais utilizados nos eletrodos catodo e anodo e taxa de difus o dos materiais ativos no eletr lito 7 Assim a modelagem de baterias torna se uma tarefa pouco trivial A capacidade da bateria geralmente medida em Amp re hora Ah ou em miliamp re hora mAh Fatores tais como taxa de descarga temperatura auto descarga e tempo de uso da bateria afetam sua capacidade 8 9 A Figura 2 1 6 e Figura 2 2 2 mostram o efeito da temperatura e da auto descarga respectivamente 10 TEMPERATURE EFFECTS Typical Service to 0 8 Volts
6. Vol 27 n 4 pp 473 484 april 1992 23 Srinivas Devadas Sharad Malik A Survey of Optimization Techniques Targeting Low Power VLSI Circuits 32 ACM IEEE Design Automation Conference 1995 24 V Gutnik A Chandrakasan Embedded Power Supply for Low Power DSP IEEE Transactions On VLSI Systems pp 425 435 december 1997 25 Mani B Srivastava et al Energy Aware Wireless Microsensor Networks IEEE Signal Processing Magazine pp 40 50 march 2002 26 P Pillai Kang G Shin Real Time Dynamic Voltage Scaling for Low Power Embedded Operating Systems Proceedings of the eighteenth ACM symposium on Operating systems principles pp 89 102 2001 27 Johan Pouwelse Koen Langendoen Application Directed Voltage Scaling IEEE Transactions on Very Large Scale Integration VLSI Systems Vol 11 n 5 pp 812 826 October 2003 28 Anantha Chandrakasan et al Power Aware Wireless Microsensor Systems IEEE ESSCIRC pp 47 54 2002 29 Luca Benini et al Dynamic Voltage Scaling and Power Management for Portable Systems Proceedings of the 38th conference on Design automation pp 524 529 2001 30 Intel Corporation StrongARM Microprocessors http www intel com 2005 31 Transmeta Corporation Cruso Microprocessor http www transmeta com 2005 32 Wayne Wolf Computers as Components Principles of Embedded Computing System Design San Francisco Morgan Kaufmann Publishers 2001 33 Luca Benini et al B
7. http www mcmelectronics com 2005 64 National Instruments NI USB 6009 DAQ http www ni com 2005 65 Crossbow Technology MTS MDA Users Manual http www xbow com Support Support pdf files MTS MDA Series Users Manual pdf 2005 66 Texas Instruments Power Management http www ti com 2005 67 National Semiconductor Power Management http www national com 2005 68 Dallas Semiconductor Power Supplies and Power Management http www maxim ic com 2005 69 Texas Instruments INA327 Datasheet http www ti com 2005 70 Luciano Sighieri Akiyoshi Nishinari Controle Autom tico de Processos Industriais Instrumenta o S o Paulo Edgard Blucher 1988 102
8. o via r dio e a possibilidade de prover o n com capacidade de decis o pois a quantidade de energia residual estar dispon vel seria interessante efetuar tal processamento no n sensor Como o microcontrolador ATMEGA128L somente opera com n meros inteiros precisa se avaliar o desvio que ser causado pelo truncamento dos c lculos Aproveitando se as medidas do experimento 2 obteve se a Tabela 4 5 59 Corrente Corrente medida eave calculada no no mult metro n mA mA G M dia 17 16 82 1 08 Desvio Padr o 0 00 0 18 Coeficiente de Varia o 9 00 io i Tabela 4 5 Avalia o da exatid o da corrente calculada no n Comparando se a Tabela 4 3 e a Tabela 4 5 conclui se que houve uma redu o do desvio em fun o do truncamento e conseq entemente pode se processar os dados no n sensor sem maiores problemas de exatid o 4 2 7 CUSTO ENERG TICO REFERENTE AO PROCESSAMENTO NO N Como energia uma preocupa o constante em RSSFs precisa se verificar qual ser o custo energ tico para efetuar o processamento dos dados no n sensor que basicamente ser representado pela estima o da capacidade residual da bateria A proposta para o experimento 3 efetuar a estima o da capacidade residual tanto na esta o base como no n sensor durante um mesmo intervalo de tempo de observa o que foi estipulado em uma hora totalizando 3600 medidas de cada O cen rio
9. pois s o implementadas conjuntamente O Escalonamento din mico de tens o DVS uma t cnica utilizada para o gerenciamento de pot ncia no estado ativo da MCU na qual a tens o de alimenta o e a frequ ncia do clock da MCU s o variadas dependendo da demanda computacional 28 A tens o de alimenta o escalonada pela aplica o por meio do sistema operacional e controlada na camada f sica por um conversor DC DC de tens o vari vel 25 28 Contudo o hardware da MCU deve prover este tipo de funcionalidade como o caso dos microcontroladores StrongARM da Intel 30 e o Cruso da Transmeta 31 Existem dois tipos de gerenciamento de pot ncia fornecidos por CPU s em estados idle Um mecanismo de gerenciamento est tico de pot ncia SPM Static Power Management 32 que acionado pelo usu rio e n o depende das atividades da CPU Um exemplo de um mecanismo est tico o modo power down Este modo uma maneira de se reduzir a dissipa o de pot ncia desnecess ria e geralmente implementado via execu o de uma instru o espec fica A sa da deste modo ocorre por meio de uma interrup o ou outro evento n o sendo poss vel sair por meio da execu o de outra instru o Um mecanismo de gerenciamento din mico de pot ncia DPM Dynamic Power Management 32 33 34 35 36 implementa a es para controlar a dissipa o de pot ncia baseadas na atividade din mica da CPU Por exemplo a
10. um amper metro MD 6450 e um voltimetro MD 6450 durante uma hora totalizando 3600 medidas de cada A Figura 4 11 ilustra o experimento 1 Voltimetro WID 6450 Computador PCI Esta o Base Computador R5 2320 POS mperimetro MD 6450 Figura 4 11 Experimento 1 O MICA2 foi programado com a aplica o OscilloscopeRF que coleta amostras dos sensores e as envia via RF R dio Frequ ncia para a esta o base que por sua vez as envia para o computador para serem visualizadas Estas amostras necessitam ser processadas pois s o valores obtidos da sa da digital do ADC valor entre 0 e 1023 A Equa o 4 2 ea Equa o 4 3 foram utilizadas para se obter os valores de corrente e tens o da bateria do MICA2 respectivamente ADC E ao 4 2 tshunt 5 12 G Rshunt 7 R REF onde I hunt corrente total medida no MICA2 ADC o valor lido na sa da digital do conversor A D G o ganho m dio da placa de condicionamento de sinais 46 1832 Rpunt O valor do resistor shunt 1 2 Q e Vgpr a tens o de refer ncia interna do conversor A D 57 Conforme manual do MICA2 56 a tens o da bateria pode ser determinada pela seguinte equa o ADC FS ADCCounts Var VREF Equa o 4 3 onde Vpa a tens o da bateria do MICA2 Vrgp a tens o de refer ncia interna gerada pelo circuito integrado LM4041 1 225V ADC FS
11. uma mem ria externa de 512 KB M25P40 59 um transceptor digital CC1000 47 e um rel gio de tempo real DS2417 60 Os componentes de hardware s o de alta efici ncia energ tica e possui o diferencial de permitir a medi o de consumo destes componentes separadamente A programa o do BEAN e a comunica o com o PC s o efetuadas utilizando se a porta paralela por meio de uma interface JT AG O MSP430F169 45 um microcontrolador de 16 bits de baix ssimo consumo com 60 KB de mem ria flash 2 KB de RAM um conversor anal gico digital ADC de aproxima es sucessivas de 12 bits e cinco modos de gerenciamento de pot ncia A Figura 2 14 ilustra o BEAN e a placa de condicionamento de sinais tamb m desenvolvida na UFMG que viabiliza a 34 medi o de consumo dos componentes de hardware separadamente e atualmente se encontra sob testes para valida o Placa de condicionamento de sinais Figura 2 14 BEAN e sua placa de condicionamento de sinais 2 5 5 TELOS O Telos 61 foi projetado para ser uma alternativa de n sensor que apresenta melhor desempenho e baix ssimo consumo quando comparado aos n s da plataforma Mica Motes Para isso foi utilizado o microcontrolador MSP430F1611 45 que possui caracter sticas tais como 48 KB de mem ria flash 10 KB de RAM opera es com ponto flutuante conversor A D por aproxima es sucessivas de 12 bits al m de ser um microcontrolador de 16 bits e de b
12. valor de fundo de escala do conversor A D 1024 e ADCCounts o valor lido na sa da digital do conversor A D A Tabela 4 3 permite fazer uma compara o das medidas obtidas do amper metro e do volt metro com as medidas de corrente e tens o do conversor A D importante ressaltar que os valores obtidos pelo ADC est o sendo calculados na esta o base a partir das equa es de corrente e tens o relacionadas acima No experimento 1 o MICA2 somente envia a sa da digital do conversor A D para a esta o base Corrente ADC Corrente Desvio Tens o mi Desvio mA Mult metro mA ADC V V Yo M dia 17 12 16 82 1 75 3 322 3 151 5 43 Desvio Padrao 0 0941 0 1834 E 0 0049 0 0175 E Coeficiente de Varia o 0 0027 0 0053 0 0001 0 0005 Tabela 4 3 Resultados obtidos para o experimento 1 Como a proposta estimar a capacidade residual da bateria com o intuito de testar os modelos de baterias apresentados no cap tulo 2 os desvios apresentados na Tabela 4 3 ser o automaticamente inseridos nesta estima o Assim pode se concluir que o desvio da corrente aceit vel 1 75 pois ter um impacto na estima o dentro dos limites aceit veis lt 5 4 2 5 CUSTO ENERG TICO DA INSER O DO HARDWARE PROPOSTO NO MICA2 Outta questao de grande importancia a ser respondida quanto de energia o hardware adicional placa de condicionamento de sinais consumira A
13. 3018 12 289 8 3477 60 47 5 2850 13 266 1 3459 61 42 2 2572 14 244 2 3419 62 40 6 2516 15 225 0 33 5 63 40 8 2571 16 208 6 3337 64 41 7 2668 17 194 8 3311 65 42 5 2763 18 183 1 3296 66 42 9 2831 19 173 1 3289 67 42 8 2865 20 164 3 3286 68 42 1 2866 21 156 4 3283 69 41 2 2841 22 149 0 3277 70 40 0 2800 23 141 9 3264 71 38 8 2752 24 135 2 3244 72 37 6 2706 25 128 6 3215 73 36 5 2667 62 26 122 3 3179 74 35 7 2640 27 116 2 3137 75 35 0 2625 28 110 4 3092 76 34 5 2621 29 105 0 3046 77 34 1 2624 30 100 0 3000 78 33 7 2631 31 95 4 2957 79 33 4 2638 32 91 2 2918 80 33 0 2640 33 87 4 2885 81 32 5 2635 34 84 0 2857 82 32 0 2623 35 81 0 2835 83 31 4 2603 36 78 3 2818 84 30 7 2577 37 75 9 2807 85 30 0 2550 38 73 7 2801 86 29 4 2525 39 71 8 2798 87 28 8 2507 40 70 0 2800 88 28 4 2499 41 68 4 2805 89 28 1 2504 42 67 0 2813 90 28 0 2520 43 65 7 2824 91 28 0 2545 44 64 5 2836 92 28 0 2571 45 63 3 2849 93 27 9 2590 46 62 2 2860 94 27 6 2591 47 61 1 2870 95 27 0 2565 48 59 9 2876 96 26 1 2508 49 58 7 2878 97 25 0 2427 50 57 5 2875 98 24 0 2352 51 56 2 2869 99 23 6 2341 52 55 0 2861 100 25 0 2500 Tabela 4 7 Capacidade Efetiva de 1 em 1 mA para a pilha Duracell MN1500 A Tabela 4 7 foi utilizada para implementar o algoritmo referente ao fluxograma da Figura 4 14 63 Le saida digital do ADC Calcula a corrente Busca valor
14. 4 ato ips a 15 231 MODELO LINEAR o ar acta io cence ite tee dae quien AN te lacus eectncub tected 16 232 MODELO DEPENDENTE DA TAXA DE DESCARGA metas 16 24 REDU O DO CONSUMO DE ENERGIA EM SISTEMAS PORT TEIS OPERADOS POR BATERIAS usinas sacaesesessescecashas bo Uoninsiess oobi uvsneannaa eae suds 17 241 REDU O DO CONSUMO DE ENERGIA EM DISPOSITIVOS CMOS 17 242 REDU O DO CONSUMO DE ENERGIA EM SISTEMAS COMPUTACIONAIS ls o e AA a 21 243 POT NCIA ENERGIA E EFICI NCIA ENERG TICA ste 23 244 GERENCIAMENTO DE POT NCIA EM CPU S temer 23 2 5 REDES DE SENSORES SEM FIO wescssssscsssssscsrsssssessssssnsssessnsssessassescessnessnssseestenessessns 27 25 1 SOFTWARE DE UM N SENSOR ssssssissasscscccecsssssvnsscosnsesodenacecesnnressessecsbensnssceiee 28 2 5 2 HARDWARE DE UM N SENSOR wccssssssccsssssssenssssesessssestsessesssssseesnscessestsessuees 30 253 PLATAFORMA MICA MOTES piora aaa 32 IRH E I A AAE E E E A 34 PEST P E E E O EA ada ea E E EAE 35 3 MATERIAS E MEI DOSE to te e e ee en 37 4 ESTIMA O DA CAPACIDADE RESIDUAL DE BATERIAS EM N S DE REDES DE SENSORES SEM FIO quo irei a cae rede 48 41 ESTIMA O BASEADA NA TENS O Wsssssssssssssssssssssssssssesteransssssanssssussnsesussssseses 48 4 2 HARDWARE PROPOSTO unsinnig a E 51 o REQUISITOS con R E gel et enast iste 51 422 SOLU O PROPOSTA E IMPLEMENTA O 52 423 DETERMINA O DO GANHO E TESTE DO HARDWARE PROPOSTO 54 424 AVAL
15. 539 2004 52 Agarwal S Krishnamurthy S Katz R H Dao S K Distributed power control in ad hoc wireless networks In Personal and Indoor Mobile Radio Communication PIMRCO07 2001 F59 66 53 Jung E S Vaidya N H A power control mac protocol for ad hoc networks In MobiCom 02 Proceedings of the 8th annual international conference on Mobile computing and networking 2002 36 47 54 Power Sources Review Power Sources for Wireless Sensor Networks http www eureka gme usherb ca memslab docs PowerReview 2 pdf 2005 55 Atmel Corporation Flash Memory http www atmel com 2005 56 Crossbow Technology MPR MIB Users Manual http www xbow com Support Support pdf files MPR MIB Series Users Manual pdf 2005 57 Crossbow Technology Wireless Sensor Networks http www xbow com Products productsdetails aspx sid 3 2005 58 M A M Vieira BEAN Uma Plataforma Computacional para Rede de Sensores Sem Fio Disserta o de mestrado Universidade Federal de Minas Gerais 2004 59 STMicroelectronics Flash Memory http www st com 2005 60 Dallas Semiconductor DS2417 Datasheet http www maxim ic com 2005 61 Moteiv Corporation Tmote sky Datasheet http www moteiv com 2005 62 ICEL Instr E Comp Eletr Ltda Manual de Instru es do Mult metro Digital Modelo MD 6450 http www icel manaus com br 2005 101 63 MCM Electronics Data Logger User s Guide and Operation Manual
16. 67 Figura 4 17 Diagrama esquem tico do experimento para estimar a capacidade tesidualda bateria inn arr aan aE aiochaiubenisivbe iva blvtetarsas E a aa 68 Figura 4 18 Corrente no in cio do experimento iiocssiiasss stinasesesssvionsaseasncdiesoakiayapssloossdosgardessaseawaneanyes 70 Figura 4 19 Corrente no final do Experimento seesssssssssssssssesrssssssssertetssssssrtteeesssnentereennsnsnrnrteeeesssne 70 Figura 4 20 Capacidade Residual da bateria para o Modelo Linear Tens o 71 Figura 4 21 Compara o entre as tens es medidas pelo MICA2 e o Sistema de INQUISI O irite E E E NE ip DE 72 Figura 4 22 Capacidade Residual da bateria para o Modelo Linear Corrente 12 Figura 4 23 Capacidade Residual da bateria para o novo Modelo Dependente da taxa de DESCATO An ai age E EAO E CR aA 74 Figura 4 24 Modelos para a Estima o da Capacidade Residual da bateria emememe 75 Figura 5 1 Maquina de estados de consumo do ATMEGA128L eee 81 Figura 5 2 M quina de estados de consumo da mem ria externa PATAS DBO O caes sad acre ana Sa RU Da RN 82 Figura 5 3 Maquina de estados de consumo do transceptor CC1000 essences 82 Figura 5 4 Interfer ncia causada por n s sensores da vizinhan a occ 83 Figura 5 5 Diagrama de blocos para o problema uma meras paca aaa salacaga de 84 Figura 5 6 Tens o RSSI x Pot ncia do sinal recebido ima Hess Grissossuarmaris vestouenviasnaamunnease 86 Figura 5 4 Fluxograma dM
17. CPU pode desligar algumas de suas partes quando as instru es que est o sendo executadas n o precisam delas Um cuidado especial deve ser tomado com o modo power down pois uma redu o consider vel de dissipa o de pot ncia s ser alcan ada se a CPU permanecer um per odo substancial de tempo neste modo A entrada e especialmente a sa da deste modo representa um problema pois haver consumo de tempo e energia de modo que se tenha o controle adequado da l gica interna da CPU evitando se corrup o de dados no pipeline mal funcionamento ou at mesmo dano Os modos de gerenciamento de pot ncia de uma CPU podem ser modelados por uma m quina de estados de pot ncia 35 Um exemplo mostrado na Figura 2 6 tos Pa a ah Filep ro o tsr Figura 2 6 M quina de estados de pot ncia 24 Cada estado na m quina representa um modo diferente da mesma e todo estado assinalado com sua dissipa o de pot ncia m dia O exemplo possui dois estados o modo run com pot ncia P un o modo sleep com pot ncia P As transi es mostram como a m quina sleep run pode ir de um estado para outro e cada transi o assinalada com o tempo t t necess rio para ir do estado fonte para o estado destino Em um exemplo mais complexo n o seria poss vel ir de um estado particular para outro sendo necess rio passar por uma sequ ncia de estados intermedi rios Desta discus
18. Sissin ennai aieia a anea a iiiaae 89 Figura 5 8 EXpermmento Dersa n a Mr E ARE E E AEE RE PR RR On eT Ter TET Ce 90 Figura 5 9 Cen rio de teste do Experimento 6 sesssssssssssssssseetssssssssssttetssssrrteeessssnnteretnnnsnnnsrteeeesssnt 91 Figura 5 10 Potencia de transmisso Ra eres is nanna onra a ia ii 92 Figura 5 11 Ajuste din mico da pot ncia de transmiss o us papi pu is rag caua 93 Figura 5 12 Ajuste din mico da pot ncia de transmiss o cssssesssersorsecssnssesssevssvnsensorseenssenoevonsosases 94 Figura 5 13 Pot ncia de transmiss o fixa x Pot ncia de transmiss o ajustada dinamicamente earar dd 95 Figura 5 14 Redu o do consumo de energia obtido sssssssssssessssssesssssssseseseesssnrrrresnsssnsnnsreeeessssne 95 iv LISTA DE TABELAS Tabela 2 1 Principais tipos de baterias comerciais e suas caracter sticas 10 Tabela 2 2 Capacidade residual em mAh da bateria de NiMH vs tens o e temperatura taxa de descatga de O a a aid 14 Tabela 2 3 Capacidade residual em mAh da bateria de NiMH vs tens o e temperatura taxa de descarga de OO en pa a a aaa fina io 14 Tabela 3 1 MSA Contin a asian Aa O a E aasqiesi ates 39 Tabela 3 2 C rrente continuassin doa ppa Lands Rap aaa a 39 Tabela 4 1 Capacidade Residual da bateria senna a sngianiins 50 Tabela 4 2 Resultados da emula o da Placa de Condicionamento de Sinais do ADs arcano paia Sc o a OEE A AAEN 56 Tabela 4 3 Resultados obtidos para o experimento
19. a corrente do n que representado por um inteiro de oito bits J para o caso do processamento no n sensor precisa se de um inteiro de dezesseis bits para representar a capacidade residual Como no experimento 3 corrente e tens o tamb m foram monitoradas chegou se ao seguinte resultado 67 Consumo bits transmitidos referentes 0 079 Capacidade Residual mJ Consumo total de bits transmitidos 0 380 mJ Consumo bits transmitidos referentes a 20 69 Capacidade Residual i Tabela 4 9 Custo Energ tico para a transmiss o dos bits referentes capacidade residual calculada no n Com um consumo de 20 69 imprescind vel que a transmiss o da capacidade residual seja minimizada de modo a n o impactar a bateria do n sensor Outra possibilidade implementar as decis es de gerenciamento no n evitando se assim a necessidade de transmiss o da capacidade residual 4 3 VALIDA O DOS MODELOS DE DESCARGA DA BATERIA O pr ximo passo partir para a valida o dos modelos apresentados na revis o bibliogr fica cap tulo 2 O diagrama esquem tico do experimento 4 apresentado na Figura 4 17 e foi ilustrado na Figura 3 8 Station Figura 4 17 Diagrama esquem tico do experimento para estimar a capacidade residual da bateria 68 O n sensor foi programado para fazer a cada segundo uma coleta da tens o de sa da da placa de condicionamento de sinais denominada EE
20. com o monitoramento da tens o com o intuito de aumentar a exatid o e a confiabilidade da estima o da capacidade residual da bateria O hardware desenvolvido pode tamb m ser utilizado para medir o consumo de hardware e software tais como novas aplica es e novos sensores e para outros n s sensores da plataforma Mica Motes MICA MICAz Como o algoritmo de MS proposto age nas camadas mais inferiores dos protocolos de comunica o ele pode ser agregado a diversos protocolos MAC usados em RSSF Um trabalho futuro consiste na an lise e teste da integra o entre MS e protocolos MAC para avaliar a redu o de consumo obtida Como consequ ncia pode se integrar o algoritmo de MS no TinyOS de modo que o algoritmo possa ser testado em outras plataformas A migra o do algoritmo para a plataforma BEAN permitir uma an lise e verifica o mais espec fica do consumo de energia uma vez que medidas de consumo de partes espec ficas do hardware microcontrolador transceptor mem ria externa etc poder o ser efetuadas por meio da placa de condicionamento de sinais apresentada na Figura 2 14 e que se encontra sob teste para valida o 98 7 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS 1 Baterias Energizer Energizer 1215 datasheet http data energizer com PDFs 1215 pdf 2005 2 Baterias Duracell DURACELL Alkaline Manganese Dioxide datasheet http www duracell com oem Pdf others ATB full pdf 2005 3 N Bocchi et al Pilhas
21. de teste do experimento 3 ilustrado na Figura 4 12 Voltimetro MD 6450 Esta o Base MD 6450 Figura 4 12 Experimento 3 O experimento 3 foi dividido em duas fases uma fase com o MICA2 executando somente a aplica o OscilloscopeRF e uma outra fase com o MICAZ executando a OscilloscopeRF com o algoritmo de estima o da capacidade residual implementado sendo que cada uma das fases teve uma hora de dura o totalizando 3600 medidas de cada fase Para cada uma das fases foram utilizadas duas pilhas alcalinas MN1500 da Duracell novas com tens o de corte igual a 0 8V 2 Assim pode se concluir que se houver diferen a entre os valores estimados para a 60 capacidade residual na esta o base e no n esta representar aproximadamente o consumo de energia referente ao processamento do algoritmo de estima o no n sensor Considerando se a Equa o 2 3 precisa se determinar a capacidade efetiva C e Para isto foi necess rio tabular o gr fico da caracter stica de descarga fornecido pelo fabricante 2 e apresentado na Figura 4 13 TYPICAL CONSTANT CURRENT DISCHARGE CHARACTERISTICS AT 21 C 70 F E Horas de Servico 10 II ee ee Ei ER E NN l CU INN Corrente de a mA Figura 4 13 Caracter sticas de Descarga da pilha Duracell MN1500 2 Para o caso da estima o da capacidade residual efetuada na esta o base a Tabela 4 6 foi utiliza
22. deve se realizar o experimento completo ou seja at que a bateria do n sensor se descarregue completamente pata se ter uma maior precis o nas avalia es e conclus es 4 2 HARDWARE PROPOSTO 4 2 1 REQUISITOS estima o baseada na tens o pode ser facilmente obtida pois a tens o da bateria pode ser lida no canal 7 do conversor A D do microcontrolador utilizado no MICA2 Por isso nao h necessidade de nenhuma interven o de hardware Por outro lado a estima o baseada na corrente oferece maior exatid o por m precisa se intervir no hardware de modo que seja poss vel medir a corrente do n A utiliza o de amper metro oscilosc pio ou placa de aquisi o restringiria as medidas ao ambiente de laborat rio e dependendo da quantidade dispon vel destes equipamentos a poucos n s sensores Considerando se que o objetivo inserir um sensor de corrente conversor corrente tensao entre a bateria e o circuito do MICA2 ent o a melhor solu o utilizar uma placa de sensores da plataforma Dentre as placas de sensores dispon veis a MTS101 MoTe Sensorboard a nica que permite a inser o de novos sensores disponibilizando o acesso aos canais anal gicos 3 a 7 do conversor A D do MICA2 e rea para prototipagem A Figura 4 4 mostra a MTS101 Thermistor To je Ea Ie e e Light Sensor e Figura 4 4 MTS101 65 Contudo ainda existe um problema a ser resolvido deve se fazer a escolha
23. din mico da pot ncia de transmiss o Como a faixa de valores do eixo das ordenadas muito ampla retirou se a plotagem do n mero de pacotes perdidos na base para melhorar a visualiza o da pot ncia de transmiss o conforme pode ser observado no gr fico da Figura 5 12 93 RSSI dBm Pot ncia Transmiss o dBm Milk Set Point dBm ES Eres A D E E E EN ORORO S YP yop 13 EA E E ES 85 88 ll Figura 5 12 Ajuste din mico da pot ncia de transmiss o Para que se possa calcular quanto foi obtido de redu o de consumo de energia aplicando o ajuste din mico da pot ncia de transmiss o com perda m xima de pacotes estabelecida torna se necess rio plotar um gr fico com ambas as pot ncias de transmiss o fixa e din mica A Figura 5 13 apresenta este gr fico A rea entre a pot ncia fixa e a pot ncia de transmiss o ajustada dinamicamente representa esta redu o de consumo e pode ser melhor visualizada no gr fico da Figura 5 14 rea preenchida 94 A RSSI dBm Pot ncia Transmiss o dBm F Set Point dBm lt gt Pot ncia de Transmiss o 2 dBm Figura 5 13 Pot ncia de transmiss o fixa x Pot ncia de transmiss o ajustada din
24. distintas das demais por serem essencialmente n o recarreg veis Como alguns exemplos podem se citar os seguintes tipos zinco di xido de mangan s comum zinco di xido de mangan s alcalina zinco xido de prata litio didxido de mangan s l tio etc Dentre estas as que mais se destacam no mercado nacional s o a pilha comum a alcalina e a de l tio podendo ser encontradas nas formas cil ndricas retangulares bot o moeda etc e Pilha Comum Zinco Di xido de Mangan s A pilha zinco di xido de mangan s a mais comum das baterias prim rias Seu anodo de zinco met lico utilizado normalmente na forma de chapa para constituir a caixa externa da pilha O catodo um bast o de grafite rodeado por uma mistura em p de di xido de mangan s e grafite O eletr lito uma pasta formada pela mistura de cloreto de zinco e cloreto de am nio Uma pilha comum fornece tens o nominal de 1 5 V temperatura ambiente Apresentam uma rela o custo benef cio interessante somente para aplica es que requerem corrente el trica de at 10 mA 1 Al m disso um grande problema observado neste tipo de pilha s o as rea es paralelas tamb m conhecidas como rea es de prateleira Essas rea es ocorrem durante o armazenamento das pilhas antes de serem usadas e durante o per odo em que permanecem em repouso entre descargas distintas podendo provocar vazamentos 2 1 2 Pilha Alcalina Zinco Di xido de Mangan s Os
25. e configura es de baixa corrente 47 Na teoria cl ssica de controle existem tr s a es b sicas de controle proporcional P integral D e derivativa D Al m disso pode se fazer uma combina o destas a es b sicas de controle tais como PI PD e PID No problema de controle apresentado na Figura 5 5 a a o de controle compara o valor medido RSSI pacotes perdidos com o valor desejado refer ncia e age de maneira a anular a diferen a existente entre os dois Dentro do cen rio de RSSFs a a o de controle ideal a ser implementada deve ser a mais simples poss vel de modo que o consumo de energia referente ao seu processamento seja m nimo e al m disso seja r pida o suficiente para que o transceptor fique o menor tempo poss vel em pot ncias de transmiss o elevadas Outra observa o que oscila es provocadas pela a o de controle s o altamente indesej veis uma vez que as mesmas podem representar aumento do consumo de energia Na a o proporcional a resposta ou sinal de sa da proporcional ao erro existente entre o valor desejado e o valor medido Uma caracter stica inerente a este tipo de a o o fato de o sinal de sa da sempre apresentar um erro tamb m denominado de offset que ser multiplicado pelo ganho do controlador baseando se neste valor que o controlador atuar na pot ncia de transmiss o 87 A a o integral age como um somador que examina o sinal de erro e c
26. eletrodos s o os mesmos utilizados na pilha comum mas o eletr lito uma solu o aquosa de hidr xido de pot ssio concentrada contendo uma dada quantidade de xido de zinco o que justifica a denomina o alcalina para essa pilha Al m disso o seu recipiente externo produzido em chapa de a o pata garantir melhor veda o e prevenir portanto o risco de vazamento de eletr lito altamente c ustico A pilha alcalina fornece tens o nominal de 1 5 V temperatura ambiente e seu desempenho muito superior ao da pilha comum Al m disso as pilhas alcalinas n o apresentam as rea es de prateleira e consequentemente os vazamentos observados nas pilhas comuns Por isso podem ser armazenadas por longos per odos de tempo mantendo mais do que 80 da sua capacidade inicial 2 Pilha de L tio L tio Di xido de Mangan s As pilhas de l tio s o conhecidas pelo fato de n o apresentarem rea es de prateleira al m de apresentarem excelente desempenho para uma ampla faixa de temperatura de opera o e alta densidade de energia A diferen a b sica em rela o as anteriores est no fato de o anodo ser constitu do por l tio Outra caracter stica interessante o fato de sua tens o nominal apresentar se praticamente constante ao longo de sua vida til caracter stica esta muito til para cargas que n o admitem grandes varia es da tens o de alimenta o Al m disso dependendo do projeto pode se optar pelo uso d
27. fica deste trabalho Assim os resultados para cada modelo poder o ser analisados separadamente e comparados em rela o ao m todo de medi o utilizado O gr fico da Figura 4 20 mostra o resultado para a capacidade residual da bateria considerando se o modelo linear baseado na tens o A diferen a entre as curvas refere se queda de tens o no resistor shunt que n o foi medida pelo n sensor pois com a sua inser o no hardware do MICA2 a leitura da tens o da bateria pelo conversor A D passou a ser a diferen a entre a tens o da bateria propriamente dita e a queda de tens o neste resistor ilustrado na Figura 4 21 Pode se observar que apesar do modelo ser linear o resultado final n o apresentou tal linearidade A justificativa est na n o linearidade da varia o da tens o ao longo da descarga da bateria causada por fen menos intr nsecos principalmente pelo efeito de relaxa o que pode ser observado em pontos das curvas onde houve recupera o de capacidade O modelo linear baseado na tens o reflete o efeito de relaxa o mas o mesmo n o ocorre com a taxa de descarga Capacidade Residual Modelo Linear Tens o 4000 T T 7 H A i Modelo Obtido pelos dados da Placa Aquisi o i Modelo Obtido pelos dados do TinyOS 3500 3000 2500 2000 Capacidade Residual mAh 1500 1000 i j j i a a Tempo s d Figura 4 20 Capacidade Residual da b
28. garantia de sobreviv ncia do n ap s o seu lan amento e na ocotr ncia de problemas no canal de transmiss o Para tratar todos os cen rios acima efetuou se o monitoramento da perda de pacotes na base e do RSSI Received Signal Strength Indicator A intensidade do sinal recebido pelo transceptor medida no canal zero do conversor A D do microcontrolador e disponibilizado para o software A vers o do TinyOS utilizada para a realiza o do experimento 1 1 14 disponibiliza o RSSI como um campo do pacote de mensagens Com o RSSI dispon vel e determinando se a sensibilidade do receptor podem se comparar os dois valores para realizar o ajuste da pot ncia de transmiss o Isto poss vel baseando se no fato de que este um problema de controle cujo diagrama de blocos apresentado na Figura 5 5 Sensibilidade Limiar de Pot ncia de Perdas de Pacotes Transmiss o A o de Transceptor Controle P RSSI N de Pacotes Perdidos na base Figura 5 5 Diagrama de blocos para o problema 3 Capacidade do receptor de operar com sinais de pequena intensidade 84 Conforme pode ser observado no diagrama de blocos t m se as seguintes vari veis que devem ser determinadas RSSI sensibilidade a o de controle e n mero de pacotes perdidos na base O valor do RSSI disponibilizado precisa ser processado pois se refere ao valor da sa da digital do conversor A D do microcontrolador que pode ser um valor entre O e 102
29. menor quantidade de baterias e que estas apresentem o maior tempo de vida Para o desenvolvimento de n s sensores para RSSFs todos os itens acima s o relevantes mas n o suficientes pois dependendo do projeto o tamanho da bateria tornar se de fundamental import ncia e deve tamb m ser considerado Cuidado adicional deve ser tomado pois a capacidade da bateria se reduz com o tamanho Outro fator a ser considerado a quest o do impacto ambiental de determinadas baterias n quel c dmio por exemplo pois na maioria das aplica es de RSSF s os n s sensores ser o deixados no meio ambiente Al m disso pode ser constatado que as caracter sticas de capacidade taxa de descarga e rea es de prateleira das pilhas comuns as tornam invi veis para o uso em RSSFs Com rela o s baterias secund rias seu uso pode ser interessante no mbito de laborat rio pois em campo n o se ter acesso a elas para executar a recarga Al m do desempenho uma medida muito til para auxiliar na escolha entre baterias prim rias e secund rias determinar a rela o mAh R A Tabela 2 1 apresenta alguns tipos de baterias comerciais e suas principais caracter sticas Taxa de Tens o Capacidade Faixa de Ciclo de Densidade auto Tipo Nominal temperatura a de Energia descarga V ER C Wh 1 Y m s a 20 C Comum 15 1 100 20 50 63 160 08 16 Alcalina 15 2 850 20 50 428 0 3 0 6 L tio 15 3 000
30. ncia de dist ncias acima Este procedimento foi adotado com o intuito de emular os cen rios propostos na se o 5 1 O MICA2 foi configurado com a aplica o OscilloscopeRF que foi adaptada para enviar o RSSI dBm o numero de pacotes perdidos na base e a pot ncia de transmiss o de dois em dois segundos via RF para a esta o base que por sua vez estava configurada com a aplica o TOSBase O amperimetro e o voltimetro foram configurados para coletar amostras simult neas de corrente e tens o da bateria respectivamente de um em um segundo importante observar que o intervalo de tempo de transmiss o configurado para o transceptor atende com folga o tempo de limiar cr tico de 1 35 ms que foi calculado conforme a Equa o 2 9 A primeira fase foi realizada configurando se o MICA2 com a m xima pot ncia de transmiss o com o intuito de observar as varia es do RSSI e a quantidade de pacotes perdidos 91 conforme o MICA2 era distanciado ou aproximado da base O gr fico da Figura 5 10 apresenta os resultados do experimento Constata se que a perda de pacotes na base se torna cr tica acima de 200 pacotes em 7A de dist ncia Outra observa o interessante que mesmo nas maiores dist ncias conseguidas 6A e 7A o valor do RSSI chegou a 95 dBm O que demonstra considerando se o erro de linearidade do transceptor 2 dB a validade da sensibilidade determinada 97 dBm RSSI dBm P
31. os demais sensores pelo sistema operacional O TinyOS 1 1 14 processa localmente o c lculo referente tens o da bateria Equa o 4 3 e este processamento n o causa impacto ao n Al m disso observando se a Equa o 2 2 e a Equa o 2 3 poder se ia esperar que o custo energ tico para implementa o do modelo dependente da taxa de descarga fosse superior ao do modelo linear devido ao fator de efici ncia k o que n o foi observado Contudo constatou se um problema na primeira tentativa de implementa o do experimento 3 que foi explicitado no gr fico da Figura 4 15 65 Capacidade Residual Modelo Dependente 2500 lt x E 2000 T 3 1500 am o 1000 Ee 500 q q o 0 0 100 200 300 400 500 Tempo s Figura 4 15 Descarga da bateria do n para o modelo dependente da taxa de descarga Pelo modelo apresentado na Equa o 2 3 as duas pilhas alcalinas novas colocadas no n sensor do experimento se descarregaram em menos de 400 segundos Portanto o modelo dispon vel na literatura para considerar a depend ncia da taxa de descarga mostrou se inadequado a Tabela 4 1 j apresentava ind cios de n o conformidade pois a diferen a observada entre os resultados obtidos para a capacidade residual da bateria dos modelos lineares e o modelo dependente da taxa de descarga era demasiadamente grande principalmente para o modelo linear baseado na tens o A resposta para isto est no fato
32. para possibilitar medidas de consumo e a estima o da capacidade residual da bateria do n sensor que tem como intuito verificar a validade de alguns modelos de baterias propostos na literatura Este desenvolvimento de hardware teve o apoio do Projeto SensorNet que forneceu os elementos de hardware da plataforma Mica Motes para a realiza o 1 SensorNet Arquitetura Protocolos Gerenciamento e Aplica es em RSSFs Projeto financiado pelo CNPq e que tem como institui es participantes a UFMG e a UFPE dos experimentos deste trabalho e o apoio de software Na segunda parte ser implementada a m xima sobreviv ncia MS cuja caracter stica integrar o controle da pot ncia do sinal transmitido e da quantidade de pacotes perdidos na esta o base em um mecanismo din mico Com a m xima sobreviv ncia as seguintes situa es poder o ser tratadas 1 O n lan ado n o consegue se comunicar Como n o se sabe a que dist ncia o n ficar afastado da base ap s o seu lan amento a pot ncia inicial ser ajustada para a m xima 2 O n lan ado se comunica e o pacote recebido pela base n o cont m erro Um procedimento de redu o da pot ncia de transmiss o implementado no n sensor 3 Problemas no canal de transmiss o depois da pot ncia de transmiss o ter sido ajustada para a m nima fazem o n parar de se comunicar ou ocorrer perda de pacote na base acima do limite estabelecido Um procedimento
33. pequena redu o da capacidade Bateria N quel Metal Hidreto Hidreto Met lico xido de N quel As baterias de n quel c dmio empregam o c dmio em sua composi o por isso s o consideradas as de maior impacto ambiental Devido a isso e ao recente avan o tecnol gico em armazenamento de hidrog nio h uma tend ncia mundial em substitu las pelas baterias de n quel metal hidreto cujas caracter sticas de opera o s o muito semelhantes s da n quel c dmio A principal diferen a est na composi o do anodo cujo material ativo hidrog nio absorvido na forma de hidreto met lico em vez de c dmio Apresentam desempenho superior ao da bateria n quel c dmio fornecendo tamb m tens o nominal de 1 2 V temperatura ambiente mas maior densidade de energia duas vezes maior incorrendo em capacidade de carga 40 a 50 superior Al m disso apresentam um tempo de recarga r pido uma hora aproximadamente Uma desvantagem das baterias de NiMH a sua taxa de auto descarga relativamente alta comparada s outras baterias secund rias e Bateria ons de L tio Em vez de l tio met lico utiliza ons de l tio no eletr lito na forma de sais de l tio dissolvidos em solventes n o aquosos Comparadas s baterias de n quel c dmio e n quel metal hidreto as baterias de ions l tio apresentam maior tens o nominal tr s vezes maior maior densidade de energia perfil de tens o de descarga extremamente plan
34. sensor Al m disso ser o apresentados as principais caracter sticas de baterias comerciais os principais m todos de estima o da capacidade residual de baterias e alguns modelos de baterias existentes na literatura Finalmente ser o apresentadas as principais t cnicas de hardware para a redu o do consumo de energia O cap tulo 3 descreve a metodologia adotada para o desenvolvimento deste trabalho e as especifica es dos equipamentos e softwares utilizados O cap tulo 4 apresenta o hardware desenvolvido e todo o seu processo de valida o para auxiliar na estima o da capacidade residual da bateria do n sensor e viabilizar o teste de alguns modelos de baterias existentes na literatura al m de apresentar os resultados obtidos O cap tulo 5 apresenta uma an lise do consumo de energia dos principais componentes de hardware do MICA2 a implementa o da m xima sobreviv ncia e os resultados obtidos O cap tulo 6 encerra este trabalho com as conclus es e trabalhos futuros CAP TULO 2 2 REVIS O BIBLIOGR FICA Este cap tulo tem por objetivo fazer uma revis o bibliogr fica das principais caracter sticas das baterias comercialmente dispon veis dos principais m todos de estima o da capacidade residual e dos modelos de baterias existentes na literatura Al m disso ser o estudadas as caracter sticas da tecnologia CMOS de modo que possa ser identificado como e onde atuar para viabilizar a redu o do consumo de
35. 00 256 MB de RAM HD de 40 GB e sistema operacional Windows 98 gt PC3 Athlon 950 MHz 256 MB de RAM HD de 40 GB e sistema operacional Linux distribui o Red Hat 9 O Data Logger foi instalado no PC1 e no PC2 e o TinyOS foi instalado no PC3 A vers o do TinyOS utilizada para a realiza o dos experimentos foi a 1 1 14 Al m disso os rel gios dos computadores foram sincronizados em hora minuto e segundo Tamb m foi utilizada a placa de aquisi o NI USB 6009 da National Instruments 64 e o software LabView 7 1 64 para efetuar a aquisi o simult nea de corrente e tens o do n sensor O uso da placa de aquisi o possibilitou a sincroniza o do tempo de aquisi o destas medidas corrente e tens o com as medidas efetuadas pelo n sensor A NI USB 6009 possui as seguintes caracter sticas e Resolu o 14 bits e Taxa m xima de amostragem 48 kS s e Trigger digital PFI 0 e Tipo de conversor A D Aproxima es Sucessivas e Resolu o de Tempo 41 67ns 24MHz base de tempo e Faixa de entrada utilizada 5V a 5V e Imped ncia de entrada 144k ohm e Ru do do sistema 0 3 LSBrms faixa de 10V Todos os experimentos realizados neste trabalho utilizaram dois n s sensores MICA2 uma placa de sensores e uma interface de programa o destes n s Esta interface tem dois prop sitos programar os n s sensores com as aplica es e uma vez que o n acoplado a ela esteja 42 programado a
36. 1 esisscsscsisasstiovsisavsnssdonsasioesvstboyseanensbssnsiservvnnsetes 58 Tabela 4 4 Consumo do hardware desenvolvido suas fr a ea ga ig aaa 59 Tabela 4 5 Avalia o da exatid o da corrente calculada no n ccesesssesssssseseeseseetesesesesteseseseeees 60 Tabela 4 6 Capacidade Efetiva para a pilha Duracell MN1500 ss seeemeereememsemenreames 62 Tabela 4 7 Capacidade Efetiva de 1 em 1 mA para a pilha Duracell MN1500 63 Tabela 4 8 Custo Energ tico referente ao processamento do algoritmo de ESTA O NO NO PENSO E cara apace aN S E TEE SE SESIR dar uheaabina saasabiadveestond MabansSonieiatans 65 Tabela 4 9 Custo Energ tico para a transmiss o dos bits referentes capacidade tesidual calculada no NO acao asian dias sis als 68 Tabela 4 10 S ntese dos resultados dos modelos testados ememenmenenseaseaseemenersesreames 75 Tabela 5 1 Consumo do NUNC NZ ssn ors a a SA RS PR ERR 79 Tabela 5 2 Configura es de pot ncia de transmiss o e consumo de corrente PICO kesigi a o SEA EE 80 Tabela 5 3 Dados obtidos nas configura es de hardware do TinyOS sss s ssssssssssrsrssssssssssssessess 86 Tabela 5 4 Sensibilidade do receptor em fun o da taxa de sinaliza o a 433 e 868 MHz BER 10 separa o de frequ ncia de 64 kHz e configura es Ge Data COTENT ag ln 87 Tabela 5 5 Resultados obtidos para o experimento 5 xcs5 cvccswssvacssonsrasveansned eecenssbeduarseddveatsonsnsev
37. 3 Este valor corresponde convers o da tens o de RSSI Vassr lida no canal zero do conversor A rela o entre esta tens o e a pot ncia do sinal recebido em dBm dada pela Equa o 5 1 dispon vel no manual do transceptor 47 RSSLypm 50 Vass 45 5 dBm 915 MHz Equa o 5 1 onde Vpssy pode ser determinada pela Equa o 5 2 Vbatt ADCCounts Vass 1024 Equa o 5 2 d onde Vatt a tens o da bateria em milivolts e ADCCounts o valor da sa da digital do conversor A D Substituindo se a Equa o 5 2 na Equa o 5 1 50 Voar ADCCounts 1000 1024 RSSLipm 45 5 dBm 915 MHz Equa o 5 3 Uma vez que o valor do RSSI ser calculado no n cujo microcontrolador somente opera com n meros inteiros torna se necess rio rearranjar a Equa o 5 3 de modo a minimizar poss veis ocorr ncias de overflow e truncamento Efetuando se o rearranjo Vbar ADCCounts 20480 RSSlagm 46 dBm 915 MHz Equa o 5 4 85 A Figura 5 6 apresenta o gr fico da rela o entre a tens o RSSI e a pot ncia do sinal recebido conforme manual do transceptor 47 ma b mh Tens o RSSI V a 2 4 1 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 105 100 05 DD 65 60 75 70 65 RSSI dBm Figura 5 6 Tens o RSSI x Pot ncia do sinal recebido Para se determinar a sensibilidade do receptor s o necess rios os seguintes dados de configur
38. 45 assim que 0 Sinc eta gerado o n iniciava a aquisi o dos sinais V os Vmica conforme ilustrado na Figura 3 9 Figura 3 9 Linha do tempo para as medidas do experimento Finalmente considerando se que a taxa de transmiss o do n foi configurada para 19 2 kbps e o tamanho m ximo do pacote transmitido foi de 29 bytes o tempo de transmiss o resultante 12 1 ms Considerando se tamb m que o tempo m ximo de convers o do ADC do ATMEGA128L 260 Us 42 e o tempo de propaga o do sinal desprez vel o tempo de atraso das medidas na esta o base ser inferior a 20 ms Como este tempo de atraso constante e muito inferior a um segundo tempo de amostragem das medidas o sincronismo de tempo das medidas n o sera afetado O experimento da Figura 3 10 tem como objetivo efetuar medidas de tens o corrente RSSI e pot ncia de transmiss o para avaliar o desempenho do algoritmo da M xima Sobreviv ncia MS sob o ponto de vista do consumo de energia A esta o base foi mantida em uma posi o fixa no laborat rio enquanto que o MICAZ foi distanciado da base em submultiplos e m ltiplos do comprimento de onda A A seguinte sequ ncia de dist ncias foi utilizada 10 1A 2A 3A 4A 5A 6A e 7A O MICA2 iniciava se a uma dist ncia de 4 10 da base e era deslocado para a pr xima dist ncia da sequ ncia acima ap s dez minutos totalizando 300 amostras para cada dist ncia e para cada uma das fases do e
39. 46 54 14 6 18 2 0 849 46 65 15 8 19 6 0 917 46 78 16 3 20 4 0 947 46 42 17 8 22 4 1 037 46 29 18 5 23 0 1 071 46 56 20 0 25 2 1 165 46 23 21 0 26 7 1 217 45 58 22 2 28 7 1 302 45 36 55 22 5 28 4 1 304 45 91 24 8 31 3 1 436 45 88 27 1 34 3 1 569 45 74 27 3 33 9 1 579 46 58 29 1 36 6 1 687 46 09 31 7 40 1 1 835 45 76 32 3 40 8 1 864 45 68 35 1 44 1 2 030 46 03 36 0 45 3 2 093 46 20 40 7 51 2 2 350 45 89 Valor M dio do Ganho 46 1832 SENIA o do 0 571 Coeficiente de Varia o 04 1 236 Tabela 4 2 Resultados da emula o da Placa de Condicionamento de Sinais do MICA2 Cada um dos tr s prot tipos desenvolvidos foram testados e emulados pelo menos duas vezes Assim o valor do ganho do amplificador de instrumenta o que ser utilizado nos experimentos o valor m dio apresentado na Tabela 4 2 46 1832 Finalmente importante ressaltar e conforme p de ser observado na Figura 4 8 e na Figura 4 9 foi desenvolvido um hardware de interven o m nima pois houve somente a inser o de um conector no MICA2 Al m disso a op o de embutir a placa de condicionamento de sinais em uma placa de sensores possibilitou a sua utiliza o nos demais n s sensores da plataforma MICA MICAz 4 2 4 AVALIA O DA EXATID O DAS MEDIDAS O uso da rea de prototipagem da MTS101 mostrou se interessante pois possibilitava o uso do canal do ADC e o sinal d
40. CAZ SE Te Figura 4 7 Placa de Condicionamento de Sinais do MICA2 53 Gensar Beard e gt e UC Berkeley Jason Mill Rena Saat Figura 4 8 Placa de condicionamento de sinais soldada na area de prototipagem da MTS101 A nica interven o de hardware necess ria no MICA2 foi a inser o de um conector em s rie com as pilhas conforme mostrado na Figura 4 9 Figura 4 9 MICA2 adaptado 4 2 3 DETERMINA O DO GANHO E TESTE DO HARDWARE PROPOSTO Foram montados tr s prot tipos da placa de condicionamento de sinais Para testar os prot tipos e determinar o ganho do amplificador de instrumenta o foi montado o circuito da Figura 4 10 em protoboard para emular a faixa de corrente de opera o do MICA2 54 Placa Condicionamento Vo de Sinais Figura 4 10 Circuito de Emula o do MICA2 Os instrumentos de medi o utilizados no circuito de emula o amperimetro e voltimetros s o os multimetros digitais MD 6450 descritos no cap tulo 3 cujas medidas podem ser observadas na Tabela 4 2 Corrente Shunt mA Tens o Shunt mV Tens o Sa da V Ganho 2 4 2 9 0 144 49 79 3 4 4 1 0 200 48 68 4 5 5 6 0 268 47 84 4 8 6 0 0 285 47 42 6 5 8 1 0 378 46 67 7 0 8 8 0 409 46 48 8 4 10 5 0 489 46 57 9 0 11 2 0 527 47 05 10 4 13 1 0 607 46 33 11 0 13 7 0 640 46 71 12 7 16 2 0 737 45 49 13 2 16 5 0 768
41. IA O DA EXATID O DAS MEDIDAS 56 425 CUSTO ENERG TICO DA INSER O DO HARDWARE PROPOSTO NTE MAO goi E E E E E ig a ea 58 426 EXATID O DO VALOR DA CORRENTE CALCULADA NO MICA2 59 42 7 CUSTO ENERG TICO REFERENTE AO PROCESSAMENTO NO N 60 43 VALIDA O DOS MODELOS DE DESCARGA DA BATERIA 68 5 REDU O DO CONSUMO DE ENERGIA E M XIMA SOBREVIV NCIA EM NOS SENSORES IDE ROSE Sa nathie Acai catenin A aoa 78 51 REDUCAO DO CONSUMO DE ENERGIA E MAXIMA SOBREVIVENCIA NA PLATAFORMA MICA MOTES ister ei a cies atihteonssere cca cee tecdncicadans 78 6 T 5 2 _ TESTEE AVALIA O DA EXATID O DO VALOR DO RSSI CALCULADO NO NO 90 5 3 EXPERIMENTOS REALIZADOS E RESULTADOS OBTIDOS 91 CONCLUS ES E TRABALHOS FUTUROS REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS LISTA DE FIGURAS Figura 2 1 Efeito da temperatura na capacidade da bateria suas naipe 11 Figura 2 2 Efeito da auto descarga da bateria em sua capacidade eememenmememenmeamanes 11 Figura 2 3 Efeito da taxa de descarga na capacidade da bateria ssssssssssssssssssrrrssssssssssssssssssrerrese 12 Figura 2 4 Caracter stica de descarga considerando a tens o sss ssesssssssessssssssreressssssssirsesesssssrrreee 13 Figura 2 5 Irivetsor SIM O Sd Sunol nauk i a a a douse 18 Figura 2 6 M quina de estados de pot ncia essss sssssssssssesseesesssstettessssseesrtessssterrrrteeesnsseseeeeesssserrrrne 24 Figura 2 7 Arquitetura de um sistema com gerenciamen
42. L ser de 2 7V 42 este ainda estava em opera o quando o transceptor interrompeu a transmiss o A Figura 4 18 e a Figura 4 19 apresentam as correntes de in cio e final de experimento medidas no n sensor respectivamente Para constatar que o microcontrolador ainda estava em funcionamento no momento da interrup o da transmiss o do transceptor os tr s LEDs do MICA2 foram configurados para piscar no mesmo tempo de amostragem de coleta das medidas ou seja de 1 em 1 segundo Por isso que as correntes de in cio e final de experimento apresentaram as oscila es da Figura 4 18 e da Figura 4 19 69 Corrente x Tempo In cio Experimento 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 0 50 100 150 200 250 Tempo s Corrente mA Figura 4 18 Corrente no inicio do experimento Corrente x Tempo Final Experimento lt E QU Ru i D Q 100 150 Tempo s Figura 4 19 Corrente no final do experimento Al m disso as varia es de corrente foram propositalmente impostas para que os modelos fossem submetidos a uma situa o cr tica de teste pois os mesmos desconsideram o efeito de relaxa o exceto o modelo linear baseado na tens o 70 Os resultados foram obtidos para os dois m todos de medi o utilizados placa de aquisi o e n sensor considerando se alguns modelos descritos na literatura e mencionados na revis o bibliogr
43. M SISTEMAS COMPUTACIONAIS As caracter sticas de consumo de CPU s Central Processing Unit e outros componentes de um sistema s o derivados dos circuitos usados na constru o dos mesmos Em fun o do que foi ressaltado no item 2 4 1 as fontes b sicas de dissipa o de pot ncia em circuitos CMOS s o as seguintes e Tens o de Alimenta o a dissipa o de pot ncia de um circuito CMOS proporcional ao quadrado da tens o de alimenta o Equa o 2 7 Assim reduzindo a tens o de alimenta o ao menor n vel que ainda possibilite um desempenho satisfat rio pode se reduzir a dissipa o de pot ncia significativamente CPU s CMOS podem ser usadas em n veis de tens es reduzidos Por exemplo reduzindo a tens o de alimenta o de 5V para 3 3V implica em redu o da pot ncia dissipada de 5 3 3 2 29 e Fregu ncia de opera o um circuito CMOS dissipa mais pot ncia quando troca seu valor de sa da Equa o 2 5 e Equa o 2 7 Assim pode se reduzir a pot ncia dissipada pela redu o da frequ ncia de opera o do circuito e ou eliminando se chaveamentos de n veis l gicos desnecess rios nas entradas do circuito Embora n o haja redu o da energia consumida necess ria para a opera o visto que o resultado s estar dispon vel algum tempo mais tarde CPU s CMOS podem ser operadas em uma frequ ncia menor de modo a reduzir a pot ncia dissipada e CPU s CMOS podem desabilitar certas unidade
44. MD Energy Efficient Measurement Device cujo valor V os possibilita calcular a corrente do n sensor e a tens o da bateria Vmica Em seguida a capacidade residual dependente da taxa de descarga calculada e posteriormente enviada via RF juntamente com a corrente calculada a partir de Vos O ganho tos do amplificador e o valor do resistor shunt e a tens o da bateria ata base p mic O sincronismo entre as medidas dos dois sistemas placa de aquisi o e n sensor foi obtido utilizando se o trigger externo PFI 0 provido pela placa de aquisi o Assim antes do n iniciar a medida ele gerava um sinal Sgine que disparava a aquisi o de Vhat Vshunt pelo sistema de aquisi o placa de aquisi o conforme ilustrado na Figura 3 9 Al m disso assim que O Sync era gerado o n iniciava a aquisi o dos sinais Vos V mica Como se trata da estima o da capacidade residual da bateria foram colocadas duas pilhas alcalinas novas MN1500 da Duracell 2 O experimento 4 durou aproximadamente 139 horas mas para o n sensor ele terminou no momento que o seu transceptor efetivamente parou de transmitir quando a tens o da bateria estava em 1 92V ultimo registro de tens o transmitida pelo n sensor ou seja abaixo da tens o de opera o minima do transceptor 2 1V 47 Uma observa o a ser ressaltada que apesar da tens o m nima de opera o do microcontrolador ATMEGAI128
45. SB 6009 da National Instruments Ser demonstrada a baixa exatid o da estimativa baseada somente na tens o al m de apresentar uma solu o de hardware de interven o m nima no n sensor para a implementa o do melhor m todo de estima o conforme os estudos e comprova es pelos experimentos Abstract This dissertation presents a hardware solution for the effective reduction of power consumption in wireless sensor networks Among the possible alternatives to reduce the power consumption the radio communication channel presented the best opportunity A new solution that integrates the transmitted signal power control with the received information quality is presented in a dynamic mechanism Several models were tested and used to estimate battery residual capacity The MICA2 wireless sensor platform and NI USB 6009 data acquisition board were used in the experiments Experiments show that the voltage only based estimation is quite imprecise and a new estimation technique is presented with minimal hardware intervention AGRADECIMENTOS A Deus por sempre iluminar meu caminho me dar coragem para enfrentar os desafios da vida e permitir que minha filha permanecesse entre n s Aos grandes amores de minha vida minha esposa Ana e minha filha Luana pelo apoio carinho e compreens o Aos meus grandes e verdadeiros her is meus pais Francisco e Maria por me ensinar a humildade a dignidade e a honra Aos meus irm os pelo apoio e a
46. SSFs s o redes compostas por elementos denominados n s sensores que possuem recursos limitados tais como pouca capacidade computacional pouca mem ria capacidade de comunica o limitada e pouca reserva de energia Estes n s sensores coletam dados do ambiente monitorado realizam ou n o processamento local e disseminam os dados para um ponto de acesso podendo usar por exemplo comunica o multi saltos O ponto de acesso o elemento atrav s do qual a rede se comunica com outras redes e pode ser implementado em um n sensor denominado de n sorvedouro ou esta o base 37 A Figura 2 8 ilustra uma RSSF s 38 rea Monitorada N Sensor Esta o Base desea monitorar Figura 2 8 Rede de Sensores Sem Fio 38 As RSSFs diferem de redes de computadores tradicionais pois possuem um grande n mero de elementos distribu dos operam sem interven o humana direta possuem restri es severas de energia e devem possuir mecanismos pata auto gerenciamento auto configura o auto manuten o auto organiza o etc Este ltimo se torna necess rio devido deposi o em reas remotas a pouca capacidade individual dos n s e a topologia din mica 37 Al m disso os n s de uma RSSFs podem ser descartados perdidos ou sa rem de servi o por diferentes motivos tais como falta de energia problemas na deposi o falhas nos componentes falha de comunica o etc Mesmo sem a mobilidade dos n s a top
47. UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS ESCOLA DE ENGENHARIA PROGRAMA DE P S GRADUA O EM ENGENHARIA EL TRICA UMA ABORDAGEM PARA REDU O DE CONSUMO DE ENERGIA EM N S SENSORES DE REDES DE SENSORES SEM FIO AN LISE DE CASO DO MICA2 ADRIANO BORGES DA CUNHA ORIENTADOR PROF DI GENES CEC LIO DA SILVA J NIOR Disserta o apresentada ao Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica da Universidade Federal de Minas Gerais como requisito parcial para a obten o do grau de Mestre em Engenharia El trica rea de Concentra o Engenharia de Computa o e de Telecomunica es Linha de Pesquisa Sistemas de Computa o Belo Horizonte Novembro de 2005 Resumo O objetivo desta disserta o apresentar uma solu o em hardware que permita a redu o do consumo de energia em Redes de Sensores Sem Fio mais efetiva dentre as poss veis alternativas atuais Como a transmiss o representa o maior custo energ tico no n sensor MICA2 ser apresentada uma solu o que integra o controle da pot ncia do sinal transmitido e a qualidade da informa o recebida em um mecanismo din mico Al m disso apresentar se a uma solu o de hardware para a medi o de consumo e o teste de alguns modelos de baterias dispon veis na literatura para estima o da capacidade residual de baterias utilizando se para os experimentos o n sensor MICA2 da plataforma Mica Motes para Redes de Sensores Sem Fio e a placa de aquisi o NI U
48. a o as baterias O tempo de vida da rede depende da quantidade de energia dispon vel nos n s sensores e por isso estes n s devem balancear seus recursos limitados com o objetivo de aumentar o tempo de vida da rede Tendo isso em mente seria interessante prover mecanismos na rede para estimar o tempo de vida de cada n sensor o que remete diretamente ao problema de se estimar a capacidade residual da bateria sua principal fonte de energia Outra quest o considerada bastante cr tica a que se refere ao lan amento dos n s sensores na rea a ser monitorada pois n o se sabe ao certo a que dist ncia da base eles cair o e como estar o canal de transmiss o uma vez que na frequ ncia em que os n s sensores operam o sinal pode ser atenuado consideravelmente devido a condi es clim ticas e composi o do solo Diante disso em um cen rio real de aplica o haver necessidade de se configurar a pot ncia de transmiss o do n para um valor mais elevado para que o mesmo possa efetivamente estabelecer comunica o e garantir a sua sobreviv ncia Contudo a transmiss o representa o maior custo energ tico para o n sensor Diante do exposto constata se que a conserva o de energia um dos aspectos mais importantes a serem considerados em RSSFs e representa a grande motiva o deste trabalho 1 1 OBJETIVOS Os objetivos deste trabalho podem ser divididos em duas partes na primeira parte sera desenvolvido um hardware
49. a o do hardware taxa de sinaliza o tipo de formata o de dados e separa o de frequ ncia Sendo que esta ltima pode ser determinada pela Equa o 5 4 conforme manual do transceptor 47 E fxose FSEP SP REFDIV 16384 Equacao 5 4 A frequ ncia do oscilador a cristal fgos 14 7456 MHz FSEP vale 568 e REFDIV vale 8 Estes dois ltimos valores foram obtidos nas configura es de hardware do TinyOS Substituindo se os valores na Equa o 5 4 o valor de f de 64 kHz A Tabela 5 3 sumariza os sep dados obtidos nas configura es de hardware do TinyOS Taxa de Formata o Transmiss o de dados FSEP REFDIV 19 2 kbps Manchester 568 8 Tabela 5 3 Dados obtidos nas configura es de hardware do TinyOS 86 Como a formata o de dados Manchester a taxa de sinaliza o o dobro da taxa de transmiss o ou seja 38 4 kbauds De posse destes dados a Tabela 5 4 fornecida pelo fabricante 47 pode ser consultada para se obter a sensibilidade do receptor Baseando se nesta tabela a sensibilidade do receptor de 97 dBm Data rate Separation _____433 MHz To goomHz mode mode mode mode mode mode 0 6 19 2 96 19 2 98 aE 38 96 Coop 99 100 9 35 95 Average current consumption Tabela 5 4 Sensibilidade do receptor em fun o da taxa de sinaliza o a 433 e 868 MHz BER 10 separa o de frequ ncia de 64 kHz
50. a estima o da capacidade residual da bateria mais exata que o modelo baseado na tens o Contudo deve se observar o custo energ tico da EEMD para cada aplica o Finalmente o novo modelo dependente da taxa de descarga apresentou resultado final para a capacidade residual da bateria mais negativo que o modelo linear baseado na corrente No entanto observa se que ambos os modelos sofreram o mesmo impacto relativo ao efeito de relaxa o Por m o modelo linear baseado na corrente n o considera a taxa de descarga o que contribuiu para amenizar o impacto do efeito de relaxa o e incorreu em um resultado menos negativo As mesmas considera es sobre aplica es em RSSFs feitas para o modelo linear 76 baseado na corrente s o v lidas para o modelo dependente da taxa de descarga A consequ ncia direta dos resultados negativos destes modelos a indica o da quantidade de energia dispon vel no n sensor abaixo da energia existente 2 57 para o modelo linear baseado na corrente e 12 71 para o modelo dependente da taxa de descarga o que pode representar desperd cio mas n o afeta negativamente a tomada de decis es de gerenciamento o que certamente aconteceria no caso do modelo linear baseado na tens o Uma outra an lise de grande relev ncia e elucida o considerar o tempo de vida restante do n sensor Ao se considerar por exemplo que a corrente permanecesse constante em 20 mA um mapa de energia da RSSF implem
51. a plataforma Mica Motes extremamente recomend vel efetuar um levantamento do consumo de cada um dos componentes de hardware que comp em esta plataforma mais especificamente do MICA2 Al m disso o microcontrolador utilizado nesta plataforma possibilita somente o gerenciamento de pot ncia de estados sleep n o sendo poss vel a implementa o de DVS A Tabela 5 1 mostra o consumo dos principais componentes de hardware 78 Tabela de Consumo Modo Corrente Microcontrolador ATMEGA128L Run 6 mA Sleep 10 uA Mem ria Externa AT45DB041B Write 15 mA Read 4mA Standby 2uA Transceptor CC1000 Rx 8 mA Tx 5 dBm 25 4 mA Power Down 0 2 uA Tabela 5 1 Consumo do MICA2 Pode se observar que o consumo cr tico na mem ria externa e no transceptor No primeiro caso a nica alternativa evitar ao m ximo seu uso e mant la em modo standby que a sua configura o padr o J no caso do transceptor al m da op o do modo power down ele possui a pot ncia de transmiss o ajust vel para os valores relacionados frequ ncia de 868 MHz na Tabela 5 2 dispon vel no manual do fabricante 47 Estes valores s o v lidos tamb m para a frequ ncia de 915 MHz 79 RF frequency 433 MHz RF frequency 868 MHz dBm PA POW Current consumption PA POW Current consumption hex ein y hex eA Tabela 5 2 Configura es de pot ncia de transmiss o e consu
52. a com cutva de descarga plana pode resolver o problema Outra quest o que deve ser levada em conta a efici ncia do regulador 22 Uma vez que os itens acima foram considerados o resultado ser um projeto totalmente otimizado para baixo consumo de energia 2 4 3 POT NCIA ENERGIA E EFICI NCIA ENERG TICA Os termos pot ncia e energia t m sido utilizados ao longo do texto Por isto torna se interessante abrir um pequeno par ntese para ressaltar a diferen a entre pot ncia e energia O fato que n o se pode confundir pot ncia com energia Pot ncia o consumo de energia por unidade de tempo De outra forma pode se dizer que pot ncia taxa de transfer ncia de energia de um sistema para outro Assim a redu o da dissipa o de pot ncia implica na redu o desta taxa de transfer ncia Considerando se como exemplo um sistema alimentado por bateria a redu o da dissipa o de pot ncia implicaria em um aumento no tempo de vida da bateria pois menos energia seria consumida por unidade de tempo Como um segundo exemplo um carro tem muita pot ncia se puder converter a energia qu mica do seu combust vel em energia cin tica ou em energia potencial na subida de uma ladeira num curto intervalo de tempo poss vel aumentar a energia qu mica de um carro pelo aumento da quantidade de combust vel do seu tanque Para aumentar a pot ncia do carro por m preciso aumentar a taxa em que o combust vel queimado pel
53. a e n o apresentam o efeito mem ria observado nas baterias de n quel c dmio Um unico par de eletrodos fornece tens o nominal de 3 6 V a temperatura ambiente Al m disso o fato de empregarem materiais de baixa densidade permite que sejam projetadas para terem menor massa tamanho e custo Os riscos ambientais tamb m s o muitos menores que os apresentados pelas baterias de n quel c dmio Contudo precisam de circuitos eletr nicos de prote o para evitar sobrecarga cuja consequ ncia a redu o do tempo de vida da bateria ou at mesmo ocorr ncia de explos es 2 1 3 CONSIDERA ES PARA A ESCOLHA DA BATERIA Diante de tantas op es a escolha do tipo de bateria deve passar pelas seguintes considera es e Capacidade da bateria representa a quantidade de energia que est armazenada em uma bateria prim ria nova ou em uma bateria secund ria completamente carregada 5 Indica a capacidade de determinada pilha ou bateria medida em Amp re hora Ah ou miliamp re hora mAh Para uma bateria de 1000 mAh poderia ser inferido que a mesma pudesse fornecer uma corrente de 1000 mA por uma hora ou de outra forma uma corrente de 1 mA por 1000 horas Infelizmente a situa o n o t o simples assim as baterias tendem a se recuperar entre per odos de uso e al m disso apresentam diferentes capacidades para diferentes correntes de descarga Particularmente no caso das baterias secund rias importante ressaltar a neces
54. a para RTS Ready To Send CTS Clear To Send e confirma es data ack Especificamente a pot ncia de transmiss o m xima utilizada para RTS CTS e uma pot ncia de transmiss o m nima para a transmiss o de confirma es data ack com o intuito de economizar energia 52 Jung e Vaidya 53 propuseram um protocolo MAC para controle de pot ncia que periodicamente aumenta a pot ncia de transmiss o para o seu valor m ximo durante a transmiss o dos dados Com essa mudan a os n s sensores que podem potencialmente interferir com o envio do ack para o transmissor constatar o que o canal de transmiss o est ocupado e adiar o a transmiss o do pacote de confirma o Contudo RSSF diferem de redes ad hoc em dois aspectos fluxo de dados unidirecional para a maioria das aplica es e fortes restri es de energia Assim outras quest es e cen rios devem ser considerados Fonte de Alimenta o geralmente uma bateria a fonte de alimenta o dos componentes de hardware mas existem outras fontes de energia que podem ser utilizadas tais como c lulas solares ultracapacitores vibra es micro c lulas de combust vel etc 54 Contudo uma vez que mais de uma fonte de energia esteja dispon vel torna se necess rio o condicionamento de energia para lidar com o armazenamento da fonte alternativa escolha de qual fonte ser utilizada em determinado momento e permuta destas fontes ao longo da vida til do n sensor
55. ade da informa o em um mecanismo din mico Assim al m de se maximizar a probabilidade de sobreviv ncia do n tamb m poder haver uma redu o do consumo de energia do n bastante efetiva Pelo menos duas justificativas plaus veis podem ser dadas para a necessidade de se maximizar a probabilidade de sobreviv ncia de n s o custo de n s sensores comerciais ainda elevado e o custo energ tico do processo de reorganiza o da rede quando do re lan amento de novos n s 83 sensores para a substitui o dos que n o sobreviveram Mais objetivamente a proposta baseia se nos seguintes cen rios a serem tratados 1 O n lan ado n o consegue se comunicar Como n o se sabe a que dist ncia o n ficar afastado da base ap s o seu lan amento a pot ncia inicial ser ajustada para a m xima Assim o sucesso no estabelecimento da comunica o maximizado 2 O n lan ado se comunica e o pacote recebido pela base n o cont m erro Um procedimento de redu o da pot ncia de transmiss o implementado no n sensor 3 Problemas no canal de transmiss o depois da pot ncia de transmiss o ter sido ajustada para a m nima fazem o n parar de se comunicar ou ocorrer perda de pacote na base Um procedimento de aumento da pot ncia de transmiss o implementado no n sensor Uma vez que estes procedimentos sejam implementados espera se uma redu o efetiva do consumo de energia por parte do transceptor e a
56. aix ssimo consumo Al m disso o Telos possui interface USB antena integrada sensor de temperatura e de umidade integrados transceptor digital CC2420 48 mem ria externa M25P80 59 e tr s LEDs para depura o A Figura 2 15 ilustra a mais nova vers o dispon vel comercialmente o Tmote Sky 35 Figura 2 15 Tmote Sky 61 Os n s sensores da plataforma Telos Motes tamb m adotam o TinyOS como sistema operacional de distribui o 36 CAP TULO 3 3 MATERIAS E M TODOS Este cap tulo tem como objetivo descrever as especifica es dos equipamentos e softwares utilizados e a metodologia adotada para o desenvolvimento deste trabalho O MD 6450 um mult metro digital port til de 4000 d gitos que al m das fun es normais permite medir capacit ncia temperatura frequ ncia e pode ser conectado em microcomputadores por meio da interface RS 232C Ele vem acompanhado de um manual de instru es um cabo RS 232C um jogo de pontas de prova um jogo de garras de jacar um termopar TP 01 e um CD ROM com o software Data Logger para sistema operacional Windows 95 98 2000 XP A Figura 3 1 ilustra o mult metro digital MD 6450 62 37 PAMAT Figura 3 1 Mult metro Digital MD 6450 62 Especifica es el tricas A exatid o est especificada por um per odo de um ano ap s a calibra o em porcentagem da leitura mais n mero de d gitos menos significativos v lida na faixa de temperatura co
57. al uma mem ria externa de maior capacidade que funciona como mem ria secund ria respons vel pelo controle dos sensores e execu o dos protocolos de comunica o e algoritmos de processamento de sinais que ser o aplicados aos dados coletados pelos sensores Os microprocessadores StrongARM da Intel 30 os microcontroladores AVR da Atmel 42 e os microcontroladores MSP430 da Texas 45 s o as MCUs comumente utilizadas em n s sensores para RSSFs Transceptor A comunica o sem fio realizada por meio de um transceptor Este viabiliza a comunica o do n sensor com seus vizinhos e com o mundo exterior As caracter sticas que afetam o consumo de energia de um transceptor incluem o tipo de modula o utilizada a taxa de transmiss o a pot ncia de transmiss o determinada pela dist ncia de transmiss o e o ciclo de trabalho operacional 25 46 O CC1000 47 e o CC2420 48 s o os transceptores comumente utilizados nas plataformas comerciais mais difundidas Uma possibilidade para reduzir o consumo de energia do transceptor 31 2 5 3 efetuar o controle da pot ncia de transmiss o uma vez que ela pode impactar a vida til da bateria e a capacidade de transporte de tr fego da rede 49 50 51 V rios pesquisadores t m proposto modifica es simples no padr o IEEE 802 11 para incorporar o controle de pot ncia A id ia principal desses esquemas de controle de pot ncia usar n veis diferentes de pot nci
58. al data for high rate discharges of plastic lithium ion batteries Journal of Power Sources 88 pp 219 231 2000 14 M Doyle J Newman Analysis of capacity rate data for lithtum batteries using simplified models of the discharge process Journal of Applied Electrochemistry 27 pp 846 856 1997 15 C Mare Doyle Design and Simulation of Lithtum Rechargeable Batteries PhD Dissertation University of California Berkeley 1995 16 Ravishankar Rao et al Battery Modeling for Energy Aware System Design IEEE Computer Society pp 77 87 December 2003 17 J S Newman FORTRAN Programs for Simulation of Electrochemical Systems Dualfoil f Program for Lithium Battery Simulation www cchem berkeley edu jsngrp fortran html 2004 18 S Park et al Battery capacity measurement and analysis using lithium coin cell battery In Proceedings of the 2001 international symposium on Low power electronics and design pp 382 387 2001 19 Neil H E Weste et al Principles of CMOS VLSI Design A Systems Perspective Massachusetts Addison Wesley 1992 99 20 Tim Wilmshurst An Introduction to the Design of Small Scale Embedded Systems New York Palgrave 2001 21 Rex Min Manish Bhardwaj Seong Hwan Cho Eugene Shih Amit Sinha Alice Wang Anantha Chandrakasan Low Power Wireless Sensor Networks IEEE pp 205 210 2000 22 Anantha P Chandrakasan et al Low Power CMOS Digital Design IEEE Journal of Solid State Circuits
59. alho o intuito avaliar os modelos e permitir que medi es de consumo possam ser efetuadas tanto em laborat rio como em campo 2 3 1 MODELO LINEAR O modelo linear assume que a bateria uma fonte linear de corrente ou de tens o dependendo do tipo de estima o Se a estima o for baseada na tens o considera se que a capacidade decresce proporcionalmente ao n vel de tens o Assim ao se tra ar um gr fico da tens o em fun o da capacidade tem se uma linha reta Em ambos os casos tens o e corrente o efeito da taxa de descarga sobre a capacidade m xima da bateria desconsiderado Para a estima o baseada na corrente a capacidade residual C depois de um tempo de dura o ty pode ser estimada pela seguinte equa o t to id ol I t dt res t to Equa o 2 1 onde C a capacidade anterior e I t a corrente instant nea que circula pelo circuito em um tempo t Se considerarmos que I t permanecer a mesma por uma dura o ty pode se fazer a seguinte simplifica o t to td C PN I dt o PAE res t to Equa o 2 2 Observando a Equa o 2 2 pode ser constatado que o modelo linear desconsidera a depend ncia da taxa de descarga e do efeito de relaxa o que ocorrem em baterias reais 2 3 2 MODELO DEPENDENTE DA TAXA DE DESCARGA O modelo dependente da taxa de descarga considera o efeito da taxa de descarga da bateria sobre sua capacidade m xima mas n o o efeito de re
60. alia o da M xima Sobreviv ncia MS 47 Fig r 4 1 Comente medida no MICA2 aaa rar tas aj RASA E E 49 Figura 4 2 Tens o medida no MICA Z atenta anta ar ng dust adewstnusvint staal UR SS Uns dai dp 49 Figura 4 3 Gr fico da tens o em fun o da capacidade residual eemesesmermersermeseereees 50 Fisura DS SON DPS PR ERR UR RAR RR RR RR RE RR 51 Figura 4 5 Diagrama de blocos da placa de condicionamento de sinais EEMD 52 Figura 4 6 Diagrama el trico da placa de condicionamento de sinais EEMD s 52 Figura 4 7 Placa de Condicionamento de Sinais do MICA2 sssssssssssssssssessssssssssnrereesnsnssnerreressssne 53 Figura 4 8 Placa de condicionamento de sinais soldada na rea de prototipagem Pa VETS KO y E EEE RE E RR RR 54 Figura4 9 MICA Z adaptado Sra Rag a OI ER 54 Figura 4 10 Circuito de Emula o do MICA2 cnieeeesacagare atas mr des iicaniand ane ap ines desses cocrengataiimo cada 55 Fig ra 4 11 Experimento sc 2 a aiid 57 Figura 4 12 Experi ei te Srann ian a E N E A A E EE AEAEE 60 Figura 4 13 Caracter sticas de Descarga da pilha Duracell MN1500 ssssssssssssssssssreesssssssssserssessse 61 Figura 4 14 Fluxograma para a Estima o da Capacidade Residual sssssssssssssssssrsssssssssssessesssee 64 Figura 4 15 Descarga da bateria do n para o modelo dependente da taxa de descato iine ian t a tote a a 66 Figura 4 16 Novo fluxograma para a Estima o da Capacidade Residual
61. amicamente RSSI dBm Pot ncia Transmiss o dBm E set Point dBm Pot ncia de Transmiss o 2 dBm Figura 5 14 Redu o do consumo de energia obtido A redu o do consumo de energia obtido pode ser calculada a partir das seguintes medidas tens o corrente para cada pot ncia de transmiss o e o tempo de transmiss o em cada uma delas Este tempo pode ser determinado considerando se a taxa de transmiss o do n 19 2 kbps e o tamanho do pacote transmitido 27 bytes De posse dessas medidas deve se calcular o consumo de energia referente primeira e segunda fase do experimento 6 A diferen a entre esses valores 95 representar o quanto foi obtido de redu o do consumo com a implementa o da MS Finalmente os resultados obtidos referentes ao processamento das 2100 medidas de cada fase do experimento s o apresentados na Tabela 5 6 Consumo Consumo Redu o Redu o sem Ajuste com Ajuste Consumo Consumo mJ mJ mJ 40 2085 2 1260 5 824 7 39 5 Tabela 5 6 Resultados obtidos Conforme apresentado na Tabela 5 6 obteve se uma redu o efetiva do consumo de energia de 39 5 Uma quest o importante a ser respondida o custo energ tico referente ao deslocamento inicial da pot ncia de transmiss o m xima at a pot ncia ideal Considerando se o pior caso
62. aplica o haver a necessidade de se configurar a pot ncia de transmiss o do n para um valor mais elevado para que o mesmo possa efetivamente 82 estabelecer comunica o e garantir a sua sobreviv ncia A consequ ncia direta de uma pot ncia de transmiss o elevada para todos os n s sensores ou parte deles a interfer ncia que ocorrer entre vizinhos Considerando se a Figura 5 4 se o n N1 for configurado com pot ncia de transmiss o de 30 mW ele provocar interfer ncia em N4 conforme ilustrado na Figura 5 4 Este fator torna o ajuste din mico da pot ncia de transmiss o imprescind vel mas conforme ser visto adiante n o satisfat rio Alcance para 1 mW Alcance para 30 mW Figura 5 4 Interfer ncia causada por n s sensores da vizinhan a 49 Uma vez que a pot ncia de transmiss o tenha sido ajustada para seu valor m nimo necess rio para haver comunica o com a base pode ocorrer um aumento da pot ncia do ru do no canal de transmiss o suficiente para que a base comece a descartar os pacotes recebidos do n sensor O problema que ele n o notificado sobre tais perdas incorrendo assim em um loop infinito ou seja todos os pacotes que o n enviar ser o descartados pela base at que uma redu o do ru do ocorra proposta prover o n sensor com a capacidade de m xima sobreviv ncia cuja caracter stica integrar o controle da pot ncia do sinal transmitido e a qualid
63. as temperaturas A dissipa o est tica de pot ncia o produto da corrente de fuga do dispositivo e a tens o de alimenta o Ent o a dissipa o de pot ncia est tica Py pode ser estimada da seguinte forma P x Voo Equa o 2 4 onde I a corrente de fuga e Vpp a tens o de alimenta o Por exemplo a dissipa o de pot ncia est tica t pica para um inversor operando a 5V est entre 1 e 2 nW 19 e Dissipa o Din mica Durante a transi o do n vel alto para o n vel baixo e vice versa ambos os transistores PMOS e NMOS do inversor permanecem ligados por um curto per odo de tempo Isto resulta em um pulso de corrente corrente de curto circuito do VDD para o terra A pot ncia dissipada por esta corrente denominada dissipa o de pot ncia de curto circuito Psc e pode ser calculada da seguinte forma Psc Isc X VDD X f Equa o 2 5 onde Is a corrente de curto circuito Vpp a tens o de alimenta o f a frequ ncia do sinal de entrada para uma forma de onda quadrada Existe tamb m uma corrente que carrega e descarrega a capacit ncia de carga simbolizada na Figura 2 5 por Cj Na verdade essa capacit ncia distribu da e representa as capacitancias internas dos transistores das trilhas da placa de circuito impresso PCI e de entradas de outros circuitos CMOS para as quais a sa da do inversor conectada A dissipa o de pot ncia devido a essa corrent
64. ateria para o Modelo Linear Tens o 71 za Compara o entre as tens es medidas pelo MICA2 e pelo Sistema de Aquisi o T T Ybat Vmica Vbat Vmica BA cosine cece E rem E EAE i lt Vhat DAQ Tensao Volts Diferen a entre as tens es Tempo s 5 Figura 4 21 Compara o entre as tens es medidas pelo MICA2 e o Sistema de Aquisi o O gr fico da Figura 4 22 mostra o resultado para a capacidade residual da bateria considerando se o modelo linear baseado na corrente Neste modelo as varia es da taxa de descarga e o efeito de relaxa o n o s o considerados o que justifica a linearidade das curvas Al m disso a diferen a entre as curvas dos m todos de medi o refere se ao truncamento das medidas de corrente no n sensor cujo microcontrolador de ponto fixo 72 Mica2 Modelo Linear Corrente Figura 4 22 Capacidade Residual da bateria para o Modelo Linear Corrente O gr fico da Figura 4 23 mostra o resultado para a capacidade residual da bateria considerando se o novo modelo dependente da taxa de descarga Neste modelo as varia es da taxa de descarga s o consideradas mas o mesmo n o ocorre para o efeito de relaxa o Al m disso constata se tamb m a mesma diferen a entre as curvas dos m todos de medi o devido ao truncamento das medidas de corrente realizadas pelo n sensor 73 Capacidade Residual Modelo Depend
65. aterias 16 J Newman desenvolveu um programa em Fortran denominado Dualfoil 17 que utiliza este modelo para simular baterias de ons de l tio Como complexidade computacional implica em maior consumo de energia e na necessidade de utiliza o de microcontroladores de maior desempenho este modelo torna se invi vel para implementa o em plataformas de RSSFs mesmo considerando se menor quantidade de par metros pois todos envolvem c lculos matem ticos complexos Al m disso em fun o de sua complexidade seu uso est restrito simula o de baterias 17 Em ci ncia a unidade padr o para a capacidade da bateria o Coulomb C e equivale a unidade de carga el trica de um ampere segundo A s No entanto na pr tica os fabricantes utilizam como unidade de medida o Ah Amp re hora ou mAh miliamp re hora para especificar a capacidade de baterias Assim conhecendo a corrente de descarga da bateria e a capacidade total em Ah ou mAh pode se estimar o tempo de vida te rico pela seguinte equa o T C 1 onde T o tempo de vida C a capacidade m xima em Ah e Ta corrente de descarga A seguir ser o apresentados dois modelos 18 que foram utilizados para avaliar o impacto do 2 Tens o em que a bateria n o tem mais condi es de fornecer corrente Considera se que a bateria est descarregada 15 conversor DC DC na capacidade da bateria utilizando se uma placa de aquisi o de dados de tempo real Neste trab
66. attery Driven Dynamic Power Management of Portable Systems Proceedings of the 13th international symposium on System synthesis pp 25 30 2000 34 Tajana Simunic et al Event Driven Power Management IEEE Transactions on Computer Aided Design of Integrated Circuits and Systems Vol 20 n 7 pp 840 857 july 2001 35 L Benini A Bogliolo e G De Micheli A survey of design techniques for system level dynamic power management IEEE Transactions on VLSI Systems 8 3 pp 299 316 june 2000 36 Amit Sinha e Anantha Chandrakasan Dynamic Power Management in Wireless Sensor Networks IEEE Design Test of Computers pp 62 74 march april de 2001 37 Antonio A Loureiro Jos Marcos S Nogueira Linnyer B Ruiz Eduardo Nakamura Carlos Maur cio Ser dio e Raquel Mini Redes de Sensores Sem Fio Paginas 179 226 Simp sio Brasileiro de Redes de Computadores SBRC maio 2003 38 L F M Vieira Middleware para Sistemas Embutidos e Redes de Sensores Disserta o de mestrado Universidade Federal de Minas Gerais 2004 39 L B Ruiz MANNA Uma Arquitetura para o Gerenciamento de Redes de Sensores Sem Fio Tese de doutorado Universidade Federal de Minas Gerais 2003 40 Linnyer B Ruiz Di genes C da Silva Jr et al Arquiteturas para Redes de Sensores Sem Fio Simp sio Brasileiro de Redes de Computadores SBRC 2004 100 41 Jason Hill A software architecture supporting networked sensors Master s thesis Univ
67. baterias seladas de menor tamanho s o utilizadas para alimentar computadores luzes de emerg ncia etc Bateria N quel C dmio C dmio xido de N quel Consiste de um anodo formado por uma liga de c dmio e ferro e um catodo de hidr xido xido de n quel MID imersos em uma solu o aquosa de hidr xido de pot ssio com concentra o entre 20 e 28 em massa 3 4 Um nico par de eletrodos das baterias n quel c dmio que podem ser dispostos de maneira id ntica aos das baterias alcalinas ou chumbo cido fornece tens o nominal de 1 2 V temperatura ambiente Assim como nas baterias alcalinas as baterias de n quel c dmio geralmente s o seladas para evitar vazamento do eletr lito c ustico As baterias n quel c dmio possuem caracter sticas tais como correntes el tricas relativamente altas centenas de miliamperes tens o plana ao longo da sua descarga capacidade de operar a baixas temperaturas e vida til longa Podem ser armazenadas por longos per odos de tempo mas apresentam rea es de prateleira significativas e baixa densidade de energia Al m disso elas apresentam o efeito mem ria fen meno no qual a bateria perde capacidade se for repetidamente recarregada antes de ter sido completamente descarregada Uma maneira de se evitar tal efeito assegurar que a bateria esteja completamente descarregada antes da recarga Finalmente as baterias de n quel c dmio podem ser recarregadas centenas de vezes com
68. capacidade efetiva na tabela Calcula a Capacidade Residual Ervia a Capacidade Residual Capacidade Anterior Capacidade Residual Figura 4 14 Fluxograma para a Estima o da Capacidade Residual A Tabela 4 8 mostra os resultados obtidos no experimento 3 para a obten o do custo energ tico referente ao processamento da capacidade residual no n sensor 64 Capacidade Capacidade residual residual Diferen a calculada no calculada na N depois de base depois is 1h mAh de 1h mAh Modelo Linear 3481 3484 0 08 corrente constante Modelo Dependente da Taxa de Descarga 3292 3292 0 00 corrente constante Tabela 4 8 Custo Energ tico referente ao processamento do algoritmo de estima o no n sensor Observando se a Tabela 4 8 concluiu se que o custo energ tico referente ao processamento da capacidade residual no n desprez vel em outras palavras pode se efetivamente estimar a capacidade residual no n sem comprometer a sua bateria no que se refere ao custo energ tico de processamento O consumo de energia observado no modelo linear representa apenas 0 08 do consumo total e por isso pode se consider lo como resultado do desvio referente corrente conforme observado na Tabela 4 5 Apesar do TinyOS ser preemptivo o processamento local n o causar impacto no n sensor por dois motivos o hardware proposto se refere a um sensor e por isso ser tratado como
69. clara as t cnicas e processos adotados bem como o delineamento experimental 44 Figura 3 8 Experimento para a estima o da capacidade residual da bateria O experimento da Figura 3 8 tem como objetivo efetuar medidas de tens o e corrente simult neas e sincronizadas Desta forma pode se estimar a capacidade residual da bateria segundo os modelos descritos no cap tulo anterior avaliar a validade dos mesmos e comparar os resultados de ambos os m todos de medidas placa de aquisi o e n sensor Assim o n sensor foi programado para fazer a cada segundo uma coleta da tens o de sa da da placa de condicionamento de sinais denominada EEMD Energy Efficient Measurement Device cujo valor V os possibilita calcular a corrente do n sensor e a tens o da bateria V mica Em seguida a capacidade residual dependente da taxa de descarga calculada e posteriormente enviada juntamente com a corrente calculada a partir de V O ganho do amplificador e o valor do resistor shunt e a tens o da bateria V mica Para fazer o sincronismo condi o necess ria para validar a compara o dos resultados obtidos pela placa de aquisi o e pelo n sensor foi utilizado o trigger externo PFI 0 provido pela placa de aquisi o Assim antes do n iniciar a medida ele gerava um sinal S inc que disparava a aquisi o de Vj V shunt pelo sistema de aquisi o placa de aquisi o Al m disso
70. da e a capacidade efetiva foi determinada a partir de interpola o linear Corrente mA Horas Capacidade mAh 5 700 0 3500 0 6 550 0 3300 0 7 475 0 3325 0 8 400 0 3200 0 9 367 0 3303 0 10 333 0 3330 0 15 225 0 3375 0 61 20 164 3 3286 0 25 128 6 3215 0 30 100 0 3000 0 35 81 0 2835 0 40 70 0 2800 0 45 63 3 2848 5 50 57 5 2875 0 55 52 5 2887 5 60 47 5 2850 0 65 42 5 2762 5 70 40 0 2800 0 75 35 0 2625 0 80 33 0 2640 0 85 30 0 2550 0 90 28 0 2520 0 95 27 0 2565 0 100 25 0 2500 0 Tabela 4 6 Capacidade Efetiva para a pilha Duracell MN1500 Para o caso da estima o da capacidade residual efetuada no n sensor tornar se ia invi vel o custo energ tico para se obter o valor da capacidade efetiva a partir de um algoritmo de interpola o linear Tendo isto em mente e o fato de o microcontrolador do n sensor operar somente com n meros inteiros os valores da Tabela 4 6 foram utilizados para interpolar linearmente valores de capacidade efetiva de 1 em 1mA e gerar a Tabela 4 7 Corrente mA Horas Capacidade mAh Corrente mA Horas Capacidade mAh 5 700 0 3500 53 53 9 2858 6 550 0 3300 54 53 1 2865 7 475 0 3325 55 52 5 2888 8 400 0 3200 56 52 3 2929 9 367 0 3303 57 52 3 2983 10 333 0 3330 58 52 2 3030 11 313 3 3446 59 51 2
71. da susceptibilidade a ru do Deste modo o projeto de tais sistemas requer a considera o de alguns fatores 20 Sele o de tecnologia com especifica o de pot ncia m nima isso implica que os semicondutores ser o CMOS displays ser o LCD Liquid Cristal Display e LED s Light Emitting Diodes ser o pequenos e de alta efici ncia luminosa Redu o da tens o de alimenta o uso de dispositivos de baixa tens o de opera o A consequ ncia da redu o da tens o de alimenta o o aumento da susceptibilidade ao ru do Redu o das frequ ncias do sinal de clock para isso seria necess rio ter uma id ia dos requisitos de tempos do software do sistema antes de selecionar a frequ ncia do clock Uma alternativa melhor consistiria em o sistema operar em uma frequ ncia maior por um curto per odo de tempo e ent o colocado no modo sleep em vez de operar continuamente em baixa frequ ncia Uso de dispositivos de baixa pot ncia e que possuam modos power down Redu o da complexidade do circuito mais componentes custam mais amp res e adicionam capacit ncias e consequentemente dissipa o de pot ncia din mica Colocar em modo power down blocos de circuitos n o usados continuamente Projeto do oscilador a cristal de baixa pot ncia Escolha correta da combina o bateria e regulador de tens o primeiramente deve se assegurar que um regulador de tens o necess rio pois uma bateri
72. de aumento da pot ncia de transmiss o implementado no n sensor Assim al m de se maximizar a probabilidade de sobreviv ncia do n obter se redu o do consumo de energia uma vez que conforme ser mostrado o custo energ tico da transmiss o elevado 1 2 CONTRIBUI ES As contribui es alcan adas com o desenvolvimento deste trabalho s o as seguintes e Permitir a medi o e avalia o do consumo de energia de hardware e software em n s da plataforma Mica Motes de RSSFs tais como novas aplica es e novos sensores e Possibilitar a estima o mais exata da capacidade residual de baterias e a estima o do tempo de vida dos n s sensores da rede em testes efetuados em laborat rio ou em campo e Reduzir o custo relacionado necessidade de antecipa o de novo lan amento de n s sensores e Reduzir o consumo de energia da rede devido repeti o do processo de auto organiza o causada pela perda de n s no lan amento e Reduzir a interfer ncia causada por n s sensores configurados com pot ncia de transmiss o elevada na sua vizinhan a e Reduzir o consumo de energia e consequentemente aumentar o tempo de vida da rede uma vez que os n s sensores transmitir o com a menor pot ncia de transmiss o poss vel Este texto est organizado da seguinte forma o cap tulo 2 descreve as redes de sensores sem fio e suas caracter sticas ressaltando o hardware e o software de um n
73. de interven o minima de hardware no MICA2 que possibilitou o teste dos modelos de baterias apresentados na revis o bibliogr fica para uma estima o mais exata da capacidade residual de baterias Foi demonstrada a baixa exatid o da estimativa baseada somente na tens o e a melhoria obtida com estimativas baseadas na corrente O modelo linear baseado na tens o apresentou capacidade residual final equivalente a 18 da capacidade m xima apesar da constata o de que a bateria havia sido totalmente descarregada confirmando se sua baixa confiabilidade Foi constatado um problema no modelo mais promissor o modelo dependente da taxa de descarga e um novo modelo foi apresentado e validado Os modelos baseados na corrente apresentaram resultados finais negativos que s o consequ ncias do fato de n o contemplarem o efeito de relaxa o De qualquer forma estes resultados podem representar no m ximo algum desperd cio de energia mas n o afetam negativamente a tomada de decis es de gerenciamento O fato que decis es de gerenciamento no modelo baseado na tens o n o seriam sucedidas Contudo em cen rios reais de aplica es de RSSFs os n s sensores n o funcionar o at que a bateria seja totalmente descarregada mas 97 somente at para esta plataforma ao n vel m nimo da tens o de opera o do transceptor 2 1V conforme p de ser observado no experimento Assim o uso dos modelos baseados na corrente pode ser aprimorado
74. distintamente pois o termo bateria utilizado na literatura para uma nica c lula ou para duas ou mais c lulas conectadas em s rie ou paralelo As baterias podem ser encontradas nas seguintes formas cil ndricas retangulares bot es moedas etc Quanto ao tamanho recebem as seguintes denomina es palito AAA pequena AA m dia C grande D etc Neste ponto importante ressaltar que quando se diz pilha AA est se referindo somente ao seu tamanho o que n o quer dizer que a pilha seja alcalina como algumas pessoas costumam pensar As baterias s o divididas em duas classes as prim rias e as secund rias As baterias prim rias s o utilizadas somente uma vez e substitu das pois a rea o qu mica que ocorre internamente irrevers vel Por isso as baterias prim rias s o essencialmente n o recarreg veis As baterias secund rias por outro lado s o constitu das por sistemas eletroqu micos nos quais n o ocorre a dissolu o dos materiais ativos no eletr lito alcalino permitindo que essas baterias possam ser recarregadas e reutilizadas Elas tamb m s o conhecidas como baterias recarreg veis Logo abaixo ser o apresentadas as principais baterias prim rias e secund rias que podem ser utilizadas em plataformas comerciais de RSSFs Tais baterias s o referenciadas pelos fabricantes de acordo com a composi o qu mica de seus eletrodos 2 11 BATERIAS PRIM RIAS As baterias prim rias podem ser
75. e portanto inapropriado e n o recomendado O resultado para a capacidade residual final do modelo linear baseado na corrente apresentou aparentemente a melhor exatid o pois o seu valor foi o que mais se aproximou de zero que era o valor esperado ap s a bateria ter sido totalmente descarregada No entanto a justificativa para o bom resultado est no fato de o modelo n o considerar a taxa de descarga da bateria e principalmente o efeito de relaxa o Tal efeito foi enfatizado no experimento varia es bruscas de cotrente para se ter uma no o mais precisa do seu impacto sobre os modelos que n o o consideram modelo linear baseado na corrente e modelo dependente da taxa de descarga Portanto n o se pode afirmar que a mesma exatid o ocotrer se o efeito de relaxa o n o for preponderante pois o resultado final foi ofuscado pelas limita es do modelo neglig ncia da taxa de descarga e do efeito de relaxa o Aplica es de RSSFs de monitoramento cont nuo se encaixam nesta situa o Por outro lado grande parte das aplica es de RSSFs operam em condi es que tornam o efeito de relaxa o preponderante pois seus recursos de hardware s o ligados somente quando requisitados pela aplica o caso contr rio permanecem em modo de baix ssimo consumo ou at mesmo desligados Assim apesar de n o refletir fielmente as caracter sticas de baterias reais o modelo pode ser utilizado em tais aplica es para prover um
76. e denominada de dissipa o de pot ncia din mica Pp Considerando se que o 19 sinal de entrada seja uma forma de onda quadrada com frequ ncia igual a f 1 T o valor m dio de Pp pode ser determinado pela seguinte equa o Pas in t Vo dt SE ip t Voo Vo dt A Equa o 2 6 pm N SYN a T onde 1 t a corrente transiente do transistor NMOS e i t a corrente do transistor PMOS dV A corrente em um capacitor pode ser calculada pela seguinte equa o i t C PA Assim t L CL A e i C det Substituindo os valores de 1 t e WO na Equa o 2 6 t VDD 0 p Ce Vod Vo amp f Voo Vo d Voo V T 0 VDD 2 VDD 2 0 2 Pp O os 15 Vop 2 Pp C x Vpp xf Equa o 2 7 A Equa o 2 7 mostra que a pot ncia dissipada proporcional frequ ncia capacit ncia de catga e ao quadrado da tens o de alimenta o Finalmente a dissipa o de pot ncia total pode ser obtida adicionando se os tr s componentes Poul Pr Psc Pp Equa o 2 8 O simples fato de saber que circuitos CMOS dissipam menos pot ncia que dispositivos de outras tecnologias n o suficiente importante conhecer n o somente como calcular a dissipa o de pot ncia mas tamb m entender como fatores tais como tens o de alimenta o tempos de subida e descida do sinal de entrada e frequ ncia afetam a dissipa o de pot ncia do circuito 20 24 2 REDU O DO CONSUMO DE ENERGIA E
77. e ADC Noise Reduction Power down Power save Standby e Extended Standby Para entrar em um destes modos um registrador interno da MCU deve ser configurado e a instru o SLEEP deve ser executada O Mica2dot uma vers o reduzida que tem o formato de uma moeda e possui os mesmos componentes de hardware do Mica2 mas cont m apenas um LED para depura o e inclui um sensor de temperatura on board O MICAz a mais nova vers o de n s sensores da plataforma Mica Motes Ele se diferencia do MICA2 pelo transceptor utilizado CC2420 cuja frequ ncia de opera o 2 4 GHz e implementa o padr o IEEE 802 15 4 que a base para o desenvolvimento de aplica es ZigBee 33 Esta tecnologia permite comunica o sem fio confi vel com baixo consumo de energia e baixas taxas de transmiss o para aplica es de monitoramento e controle A Figura 2 13 ilustra os tr s n s sensotes Mica Mica2dot Micaz Figura 2 13 Principais n s sensores da plataforma Mica Motes 57 Todos os nds sensores da plataforma Mica Motes adotam o TinyOS desenvolvido pela Universidade da Calif rnia em Berkeley como sistema operacional de distribui o sendo este de c digo aberto modular e de f cil personaliza o 2 5 4 BEAN O BEAN Brazilian Energy Efficient Architectural Node uma plataforma computacional para Rede de Sensores Sem Fio desenvolvida na UFMG 58 Ele composto basicamente pelo microcontrolador MSP430F169 45
78. e Baterias Funcionamento e impacto ambiental Quimica Nova na Escola n 11 maio de 2000 4 Ralph J Brodd Recent Developments in Batteries for Portable Consumer Electronics Applications The Electrochemical Society Interface pp 20 23 1999 5 M Pedram Q Wu Battery Powered Digital CMOS Design Proceedings of Design Automation and Test in Europe Conference and Exhibition Munich Germany March 1999 6 Baterias Energizer Energizer n E91 datasheet http data energizer com PDFs e91 pdf 2005 7 M Srivastava et al Energy Aware Wireless Sensor Networks N o publicado http fleece ucsd edu curts papers SPMag02 pdf 2004 8 A J Brown The Preliminary Study into an Innovative Approach to Determining a Battery s Full Charge Capacity IEEE pp 602 608 2000 9 Sung Park Mani B Srivastava Dynamic Battery State Aware Approaches for Improving Battery Utilization Proceedings of the 2002 international conference on Compilers architecture and synthesis for embedded systems pp 225 231 2002 10 Dallas Semiconductor Application Note 121 http www maxim ic com appnotes cfm appnote_number 121 2004 11 J Newman s website http www cchem berkeley edu jsnerp 2004 12 Parthasarathy M Gomadam et al Mathematical modeling of lithium ion and nickel battery systems Journal of Power Sources 110 pp 207 284 2002 13 Pankaj Arora et al Comparison between computer simulations and experiment
79. e controle do sensor de luz da MTS101 original evitando se o trabalho de cria o de c digo para o sistema operacional identificar um novo sensor O sensor de temperatura da MTS101 original tamb m foi inserido na nova solu o Al m disso como a MTS101 tem acesso s entradas anal gicas 3 a 7 do conversor A D outros sensores tamb m poder o ser inseridos A rea de prototipagem da MTS101 de dupla face havendo disponibilidade de trilhas para o conector de 51 pinos de ambos os lados Assim outras placas de sensores da plataforma poder o ser utilizadas bastando apenas usar o outro conector dispon vel 56 A sa da da placa de condicionamento de sinais utiliza o canal 6 do ADC do n sensor que seria utilizado pelo sensor de luz na MTS101 original e assim o sinal de controle PW1 usado para habilitar o sensor de luz agora foi utilizado para habilitar ou desabilitar shutdown o amplificador de instrumenta o INA327 Enable O pr ximo passo avaliar a exatid o das medidas da solu o implementada comparada por exemplo s medidas do mult metro digital MD 6450 uma vez que os desvios da placa de condicionamento de sinais e do pr prio conversor A D ser o inseridos nas medidas Com esse intuito foi realizado um experimento que consistiu em coletar amostras simult neas conforme metodologia de sincronismo de tempo descrita no cap tulo 3 de corrente e tens o do n sensor MICA2 com a nova placa de sensores
80. eesnenee 90 Tabela 5 6 Resultados Obtidos stisecsts sei ssnacdansd stapes tv aparaswtbatapatalgdustgovapauscesbaanvavadcan a aena 96 LISTA DE EQUA ES EQUA O 2i henni e R ENKON A A Toret venTrnvarert NNG 16 TET lsat tase Sd a a a A RA A 16 TA A 2 don A Ri cance ES 17 A O Diap a ad dd aaa Add 19 ERA O ra a N E T ert TUL E EA RR N vom rrr Mn Tor OTH one 19 aenta O22 ORA OUR RR RPA PR RR RR RN RR CR isn linduialecilieiwrns 20 EIA O 2AT ca a Ra 20 Equa o 206 AE E ENR TA AO ENN R ee Peres ty rar ny Once rte Torey see prey ee 20 ds bE or opine Pater ore er ore rennrere mre ner ae Weree terror Picea NNA TNE Orne ore TT Ter 25 lejer Toe AS EEEE E A E A 53 quado AA E a a a insides musenlss 57 Ela bie or Ounce reer URN TOT NOR RREO RO POP OO ER RR RENA DP ERR ret DR SR 58 EIA ta da dd a cians d E 67 TEC aac ers ta nanan vata Para haa oS Adon A a ade E 85 EQUA O AAE E a duda aaa ad dai 85 GA O O de e N E E AN N OE S AA ETNE 85 lajer re TO MS EAE E ea Lu 86 vi CAP TULO 1 1 INTRODU O Redes de Sensores Sem Fio RSSFs s o redes compostas por elementos denominados n s sensores que possuem recursos limitados tais como pouca capacidade computacional pouca mem ria capacidade de comunica o limitada e pouca reserva de energia Em muitas aplica es as RSSF s ter o grandes quantidades de n s sensores distribu dos em reas remotas ou mesmo in spitas e por isso ter o como principal fonte de aliment
81. energia em componentes de hardware baseados nesta tecnologia sistemas port teis operados por bateria tais como sistemas computacionais e as redes de sensores sem fio cujas caracter sticas de hardware e software ser o ressaltadas 2 1 BATERIAS Baterias e pilhas s o sistemas eletroqu micos fechados que convertem energia qu mica em energia el trica No cotidiano os dois termos baterias e pilhas s o utilizados indistintamente mas h uma diferen a entre eles Pilha refere se ao dispositivo constitu do unicamente de dois eletrodos denominados de anodo p lo negativo e catodo p lo positivo e um eletr lito dispostos de maneira a converter energia qu mica em energia el trica O eletr lito pode ser l quido s lido ou pastoso tendo como exig ncia m nima a necessidade de ser um condutor i nico para viabilizar a troca de el trons entre os eletrodos Assim quando os eletrodos s o conectados a um dispositivo eletroeletr nico fluir uma corrente el trica pelo circuito pois o material de um dos eletrodos se oxida espontaneamente liberando el trons anodo ou p lo negativo enquanto o material do outro eletrodo catodo ou p lo positivo se reduz usando esses el trons Bateria refere se a um conjunto de pilhas associadas em s rie ou em paralelo dependendo da necessidade de maior tens o ou corrente respectivamente Uma vez elucidada a diferen a ser o utilizados ao longo do restante do texto os termos bateria e pilha in
82. entado com o modelo linear baseado na tens o indicaria que o n sensor ainda teria um tempo de vida de 31 75 horas mas a verdade que a sua bateria j estaria totalmente descarregada e portanto ele j estaria inativo O mesmo n o aconteceria com o modelo linear baseado na corrente e o modelo dependente da taxa de descarga pois o mapa j teria indicado adequadamente a indisponibilidade de energia 77 CAP TULO 5 5 REDU O DO CONSUMO DE ENERGIA E M XIMA SOBREVIV NCIA EM N S SENSORES DE RSSF No cap tulo 2 foram apresentadas as poss veis alternativas ao n vel do hardware para a redu o do consumo de energia em circuitos e CPU s baseados na tecnologia CMOS Contudo o desenvolvimento de aplica es ser feito em plataformas dispon veis cujo hardware j se encontra otimizado para baixo consumo de energia estando todas as t cnicas citadas no cap tulo 2 implementadas O objetivo deste cap tulo mostrar o consumo de cada um dos principais componentes de hardware do MICA2 e identificar as poss veis alternativas que permitam efetivamente uma redu o do consumo de energia al m de caracterizar e implementar a m xima sobreviv ncia Ser o apresentados e discutidos os resultados obtidos por meio da utiliza o da plataforma Mica Motes 5 1 REDU O DO CONSUMO DE ENERGIA E M XIMA SOBREVIV NCIA NA PLATAFORMA MICA MOTES Antes de implementar qualquer t cnica de hardware para a redu o do consumo de energia n
83. ente da Taxa de Descarga 3500 I MICA2 Modelo Dependente Placa Aquisi o Modelo Dependente Capacidade Residual mAh a i i i i i Tempo s x10 Figura 4 23 Capacidade Residual da bateria para o novo Modelo Dependente da taxa de Descarga O gr fico da Figura 4 24 mostra o resultado para a capacidade residual da bateria considerando se todos os modelos anteriores para ambos os m todos de medi o A an lise do formato e caracter sticas das curvas foi efetuada anteriormente restando avaliar e interpretar o valor final da capacidade residual da bateria tendo em vista as caracter sticas de cada modelo testado 74 1500 Capacidade Residual mAh 1000 500 500 0 Capacidade Residual da bateria Compara o Modelo Linear Tens o DAQ Modelo Dep d de Descarga a Taxa DAQ Modelo Linear Tens o MICAZ Ps Modelo Linear Corrente MICAS 7 2E Modelo Dependente da Taxa de Descarga MICA2 Modelo Linear Corrente DAQ E Tempo s Figura 4 24 Modelos para a Estima o da Capacidade Residual da bateria A Tabela 4 10 sumariza a capacidade residual final para cada um dos modelos testados A capacidade residual no n sensor MICA2 foi estimada at o momento em que houve a interrup o da transmiss o dos dados pelo transcept
84. entre utilizar alguma solu o comercialmente dispon vel para monitoramento de baterias ou projetar um hardware dedicado Consultando fabricantes tais como Texas fam lia de chips BQ 66 National fam lia de chips LM 67 e Dallas fam lia de chips DS 68 constatou se que n o havia solu o comercial dispon vel pois caracter sticas tais como incompatibilidade de faixa de tens o de opera o pois as solu es s o dedicadas para baterias secund rias Ni Cd NiMH apesar do chip consumir algumas centenas de microamp res a solu o final com todos os componentes necess rios para opera o adequada resistores capacitores e diodos Zeners 51 apresentava consumo da ordem de dezenas de miliamp res ou seja custo energ tico elevado custo financeiro elevado principalmente devido ao resistor shunt da ordem de miliohms e finalmente custo de rea pois a solu o final ocuparia uma grande rea da placa de circuito impresso tomando se como refer ncia as dimens es das solu es para RSSF s 4 2 2 SOLU O PROPOSTA E IMPLEMENTA O Assim foi projetada uma placa de condicionamento de sinais EEMD Energy Efficient Measurement Device com o intuito de adequar as medidas do sensor de corrente entrada anal gica do conversor A D cujo diagrama de blocos apresentado na Figura 4 5 Conversor Amplificador de Filtro Canal 6 do Corrente Tens o Instrumenta o Passa baixas Conversor A D Figu
85. er salvas como arquivo do Excel para processamento conforme ilustrado na Figura 3 5 ma mert Rai lexi iaka The Text Wizard has determined that your data is Delimited lejx 0 E If this is correct choose Next or choose the Data Type that best describes your data Ea Prompt Original data type Choose the file type that best describes your data o Del d Characters such as commas or tabs separate each field C Fixed width Fields are aligned in columns with spaces between each field Start import at row fi File Origin Windows ANSI X Preview of file A b 000 Es A log file 16 23 C 00 8 27 16 53 48 16 23 C7 00 89 27 16 53 49 a US ei Gas MEG 16 E3749 16 23 C 00 8 27 16 53 49 Cancel lt Back Cre Einish MN sheets Shasta SESS al ms Ready I I rt Pts BS Gi gt A Distile Assstont3 py Microsoft Word SEMiootEed PIB ENO OLD am 1059 Figura 3 5 Arquivo com o registro de medidas 63 41 Os Recursos computacionais utilizados nos experimentos foram 03 computadores do laborat rio de Sistemas de Computa o Integrados SCI localizado na sala 212 do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Engenharia El trica CPDEE que possuem as seguintes especifica es gt PCl Athlon 950 MHz 256 MB de RAM HD de 40 GB e sistema operacional Windows 2000 gt PC2 Athlon XP 15
86. ersity of California Berkeley December 2000 42 Atmel Corporation AVR 8 Bit RISC http www atmel com 2005 43 D Culler D Gay P Levis R von Behren M Welsh and E Brewer The nesC language A holistic approach to networked embedded systems In Conference on Programming Language Design and Implementation of ACM SIGPLAN 2003 44 NesC Language NesC Language Reference Manual http nescc sourceforge net papers nesc ref pdf 2005 45 Texas Instruments MSP430 Microcontrollers http www ti com 2005 46 Mani B Srivastava et al Modulation Scaling for Energy Aware Communication Systems Proceedings of the 2001 international symposium on Low power electronics and design pp 96 99 2001 47 Chipcon CC1000 Datasheet http www chipcon com 2005 48 Chipcon CC2420 Datasheet http www chipcon com 2005 49 Swetha Narayanaswamy et al Power Control in Ad Hoc Networks Theory Architecture Algorithm and Implementation of the COMPOW Protocol In Proc Of European Wireless 2002 Next Generation Wireless Networks Technologies Protocols Services and Applications February 2002 50 Mani B Srivastava et al Augmenting Film and Video Footage with Sensor Data Proceedings of the Second IEEE Annual Conference on Pervasive Computing and Communications PERCOM 04 2004 51 Amitabh Srivastava and Alan Eustace ATOM A System for Building Customized Program Analysis Tools ACM SIGPLAN Vol 39 n 4 pp 528
87. estas baterias em vez de se utilizar conversores DC DC Uma pilha de l tio pode fornece tens o nominal de 1 5 V ou 3 V temperatura ambiente BATERIAS SECUND RIAS S o tamb m conhecidas como baterias recarreg veis e podem ser reutilizadas muitas vezes pelos usu rios centenas de vezes Como regra geral um sistema eletroqu mico considerado secund rio quando capaz de suportar 300 ciclos completos de carga e descarga com 80 da sua capacidade 3 4 Como alguns exemplos podem se citar os seguintes tipos n quel c dmio c dmio xido de n quel chumbo cido chumbo xido de chumbo n quel metal hidreto hidreto met lico xido de n quel ons l tio etc Todas podem ser encontradas no mercado nacional Bateria Chumbo cido Chumbo Oxido de Chumbo Apresenta a caracter stica peculiar de possuir os eletrodos constitu dos pelo mesmo elemento qu mico o chumbo tens o nominal fornecida por este tipo de bateria para um nico par de eletrodos de 2 V temperatura ambiente Os principais tipos de baterias chumbo cido s o as automotivas industriais e as seladas As automotivas s o utilizadas em ve culos para alimentar os sistemas de partida ilumina o e igni o As baterias industriais s o utilizadas para acionar motores de ve culos el tricos e tamb m em servi os que n o podem ser interrompidos em caso de queda de energia el trica companhias telef nicas hospitais etc As
88. fabrica o de circuitos integrados de baixa dissipa o de pot ncia Portanto torna se necess rio o estudo das caracter sticas desta tecnologia de modo que possa ser identificado como e onde atuar para viabilizar a redu o do consumo de energia em componentes de hardware baseados em CMOS 2 4 1 REDU O DO CONSUMO DE ENERGIA EM DISPOSITIVOS CMOS A fam lia l gica mais adequada para o projeto de circuitos de baixa dissipa o de pot ncia a CMOS A l gica CMOS primeiramente surgiu com a s rie 4000 que apresentava grande potencial para baixa dissipa o de pot ncia Por outro lado tinha desvantagens tais como lentid o baixa capacidade de acionamento de carga e alta susceptibilidade a descargas 17 eletrost ticas Atualmente tais desvantagens foram minimizadas ou extintas e a redu o da dissipa o de pot ncia incrementada tornando se dispon veis comercialmente circuitos integrados de baix ssima dissipa o de pot ncia Para melhor entender como minimizar a dissipa o de pot ncia do CMOS seria primeiramente necess rio entender como ele a dissipa A Figura 2 5 apresenta um inversor CMOS a porta l gica mais simples O capacitor Cy representa a carga vista pela sa da da porta A gt a pP g L g Figura 2 5b e a Figura 2 5c mostram o modelo equivalente do inversor CMOS 19 Fpp Vpp Vpp Vasp s t PMOS D D V 1 NMOS Cc Vo c c ie GSN a b Vi Vpp c V 0 Figura 2 5 Inver
89. igura 2 10 uma interrup o gera um evento Este gera um evento pata o n vel superior que por sua vez executa um comando e gera um evento para o n vel superior O tratador de eventos executa dois comandos e cada um inicia uma tarefa que executam um 29 conjunto de comandos Eventos gerados por interrup o interrompem tarefas enquanto tarefas n o interrompem tarefas Tarefas e tratadores de eventos executam um conjunto de comandos Tarefas i Comandos Interrup es Eventos Hardware Figura 2 10 Fluxo de execu o 41 Finalmente programas escritos em nesC s o suscept veis a certas condi es de corrida pois tarefas e tratadores de eventos de hardware podem ser preemptados por c digos ass ncronos Isso pode ser evitado acessando dados compartilhados somente dentro de tarefas ou efetuando se todos os acessos dentro de senten as at micas O compilador nesC reporta potenciais corridas de dados para o programador em tempo de compila o 2 5 2 HARDWARE DE UM N SENSOR Um n sensor um elemento computacional com pouca capacidade de processamento ouca memoria interface de comunica o sem fio de pequeno alcance e um ou mais sensores gt gt conforme pode ser observado na Figura 2 11 30 Microcontrolador Figura 2 11 Componentes de hardware de um n sensor Microcontrolador O processamento efetuado pelo microcontrolador do n sensor Este possui uma pequena mem ria interna e em ger
90. laxa o Observou se nos gr ficos fornecidos pelos fabricantes de baterias 2 6 que a capacidade da bateria reduzida quando a corrente de descarga aumenta Assim para se considerar o efeito da taxa de descarga pode se introduzir um fator k definindo o da seguinte forma 16 C eff C max k onde Core a capacidade efetiva da bateria e C nay sua capacidade m xima Modificando a Equa o 2 2 t t0 td C kxC Idt sc xta t to Equa o 2 3 O fator k varia com a corrente I e se aproxima de 1 um quando a taxa de descarga baixa e de 0 zero quando a taxa se torna alta O fator k pode ser calculado com o aux lio do manual do fabricante da bateria 2 Tomando se como refer ncia o gr fico da Figura 2 3 pode se efetuar o c lculo para dois valores extremos de corrente de descarga 30 mA e 600 mA Observando o gr fico da Figura 2 3 as seguintes informa es podem ser extra das Cmax 3 000 mAh Ceff 30 mA 3 000 mAh Ceff 600 mA 1 200 mAh Com estes valores t m se k 30 mA 1ek 600 ma 0 4 Desta forma pode se observar que o efeito da taxa de descarga considerado na estima o da capacidade residual da bateria 2 4 REDU O DO CONSUMO DE ENERGIA EM SISTEMAS PORT TEIS OPERADOS POR BATERIAS Todos os componentes de hardware de sistemas port teis operados por baterias s o baseados na tecnologia CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor uma vez que ela viabiliza o processo de
91. litada ap s o assinalamento de Recording As setas em vermelho da Figura 3 2 indicam estas op es Al m disso o registro das medidas pode ser visualizado em tempo real a partir de um gr fico Graph e de uma lista List conforme ilustrado na Figura 3 4 39 Data File Display Option Help Auto RS232 gt W HOLD DC AC EE a a a y VEY http www memelectronics com di MCM Electronics Voltage C ey High 1 Low 1 Current C m CA High 0 Low 10 File Size J 100 Ea Temperature o s V K Type High 200 Low o Capacitance e nF C uF High 400 Low O Resistance ohm kohm F Mohm Cancel High 10000 Low 0 r Frequency r Duty C He High 100 kHz C MHz Low JO IV Adapter 128 High 400 Low 0 ENN A MCM Electronics http www memelectronics com A S Begin Digital Analog List Graph T Recording One corti ue Time s Sample interval os 40 01 04 13 29 54 Figura 3 3 Possibilidades de medidas 63 YOSOLFUY YOSOLIUYY EEmra File Display Option Help Auto RS232 Begin 14 40 f E Analog List SEEE Graph Recording One M Continue Set X Zoom YOSOY Figura 3 4 Gr fico e lista de medidas 63 A lista cont m o n mero o valor a unidade data e hora hora minuto e segundo das medidas efetuadas e podem s
92. mbos formam uma esta o base interface de programa o utilizada foi a MIB600 que permite a programa o dos n s via Ethernet e est ilustrada na Figura 3 6 MIB600 amp J12 Mote Ext 5V POE Power Mote Reset JTAG port Select External 5V DC Power Figura 3 6 MIB600 O n que foi acoplado a MIB600 foi programado com a aplica o TOSBase cuja fun o simplesmente direcionar os pacotes recebidos pelo MICAZ via r dio para a UART A MIB600 est conectada ao PC3 que executa um aplicativo Java denominado Oscilloscope cuja fun o coletar os pacotes disponibilizados na UART por meio da aplica o TOSBase extrair o dado do payload e apresent lo em uma interface gr fica A Figura 3 7 ilustra a interface gr fica do aplicativo Java Oscilloscope 43 75 0 5 0 te 1 Chan 1 0 0 0 0 400 0 600 0 1200 0 1600 0 Zoom In Zoom Out x Zoom Out A E Scrolling Save Data Load Data lt Reset gt Edit Legend 7 Show Legend v Control Panel Clear Dataset F Connect Datapoints Figura 3 7 Aplicativo Java Oscilloscope 56 O outro MICA2 foi programado com a aplica o OscilloscopeRF que coleta amostras dos sensores e as envia via RF R dio Frequ ncia para a esta o base A metodologia empregada para a realiza o dos experimentos pode ser descrita a partir da Figura 3 8 e da Figura 3 10 que representam de forma completa e
93. mento 5 Deste modo conclui se que o impacto do desvio das medidas principalmente no valor calculado no n pode ser considerado desprez vel 90 5 3 EXPERIMENTOS REALIZADOS E RESULTADOS OBTIDOS O cen rio para realiza o do experimento 6 que foi dividido em duas fases apresentado na Figura 5 9 7 Wwoltimetro Computador MD 6450 PC1 RS 232C Computador ee PC3 ase a ist ncia entre a basee o n sensor Computador PC2 Amperimetro IMD 6450 Figura 5 9 Cen rio de teste do experimento 6 A descri o que se segue tem como base a Figura 5 9 A esta o base foi mantida em uma posi o fixa no laborat rio enquanto que o MICA2 foi distanciado da base em subm ltiplos e m ltiplos do comprimento de onda A A frequ ncia configurada nos n s sensores utilizados nos experimentos foi de 914 077 MHz Sabendo se que c f ent o o comprimento de onda de 32 82 cm A seguinte sequ ncia de dist ncias foi utilizada 10 1A 2A 3A 4A 5A 6A e 7A O MICA2 iniciava se a uma distancia de 4 10 da base e era deslocado para a pr xima dist ncia da sequ ncia acima ap s dez minutos totalizando 300 amostras para cada dist ncia e para cada uma das fases do experimento 6 A m xima dist ncia alcan ada pelo MICA2 configurado com a pot ncia m xima de transmiss o 5 dBm foi de 7A Ao alcan ar esta dist ncia o MICA2 era deslocado na ordem inversa da sequ
94. mizade em todos os momentos de dificuldades Ao meu otientador Prof Di genes pelo apoio incentivo confian a e compreens o Espero sempre poder atender as expectativas e contar com sua amizade e apoio A Prof Linnyer Beatrys Ruiz pelo apoio incentivo e confian a Espero sempre retribuir altura sua amizade e apoio Ao Prof M rio Fernando Montenegro Campos pelo apoio e confian a Ao brilhante jovem de Valadares que responde pelo nome de Breno Agrade o pelas dicas e contribui es valorosas Conte comigo sempre Ao mais novo mestrando do Jap o Marcelo Henrique T Martins Agrade o pelas contribui es valorosas e disponibilidade Pode contar comigo at mesmo do outro lado do mundo Ao mais novo especialista no EAGLE Daniel Flor Ao Prof Alberto de F Gontijo Coltec pelo apoio conselhos amizade e compreens o Enfim a todas aquelas pessoas que direta ou indiretamente apoiaram este trabalho SUM RIO Tes PINRO CNG ss cool O EO RA A 1 11 OBJETIVOS RAR OR e RR RR RR RR 1 1 2 CONTRTBUICOES Ea eR nee en ene ae 2 2 REVIS O BIBLIOGR FICA saias ias Sassi isa De 4 21 DA DER O cll a o A enn EL 4 211 BATERIAS PRIM RIAS punir pan da 5 212 BATERIAS SECUND RIAS uns ced prada a cat ies os 6 2 1 3 CONSIDERA ES PARA A ESCOLHA DA BATERIA metes 8 21 4 FATORES QUE INFLUENCIAM A CAPACIDADE DA BATERIA 10 22 M TODOS DE ESTIMA O DA CAPACIDADE RESIDUAL DE BATERIAS 2 3 MODELOS DE BATERIAS
95. mo de corrente t pico 47 Outro par metro importante a ser determinado o tempo de limiar definido na Equa o 2 9 de modo a n o incorrer em aumento em vez de redu o do consumo de energia Para o c lculo do tempo de limiar ser o necess rias as m quinas de estado de pot ncia 35 dos componentes de hardware Como a maioria dos fabricantes fornece somente a corrente consumida uma pequena adapta o tornou se necess ria ser o determinadas as m quinas de estado de consumo do ATMEGA128L Figura 5 1 da mem ria externa Figura 5 2 e do transceptor Figura 5 3 respectivamente 80 2 5mA ADC Noise Extended Reduction Standby Power down Figura 5 1 Maquina de estados de consumo do ATMEGA128L 81 2uA Standby Current Active Current Write Operation Active Current Read Operation 4mA 15mA Figura 5 2 Maquina de estados de consumo da mem ria externa AT45DB041B Power down 250ms 2 45ms i Tx i Rx Figura 5 3 Maquina de estados de consumo do transceptor CC1000 Como o transceptor ser configurado inicialmente com a pot ncia de transmiss o maxima o tempo de limiar cr tico ser para este caso Utilizando se a Equa o 2 9 o tempo de limiar cr tico ser de 1 35 ms Este valor representa o tempo m nimo necess rio que o transceptor deve permanecer no modo power down para que n o haja penalidade de energia Contudo em um cen rio real de
96. mpreendida entre 18 C e 28 C e umidade relativa inferior a 75 sem condensa o As especifica es de tens o cont nua e corrente cont nua s o apresentadas na Tabela 3 1 e na Tabela 3 2 38 FUN O ESCALA RESOLU O EXATID O IMPED NCIA 400mV 0 1mV 0 8 3d 4V ImV 0 8 1d DCV 40V 10mV 0 8 1d gt 10M Ohm 400V 100mV 1 000V 1V 1 0 3d Prote o contra sobrecarga 1 000VDC 750VACrms Tabela 3 1 Tens o cont nua 62 FUN O ESCALA RESOLU O EXATID O IMPED NCIA OCS SE 1 0 28 Pus vel de DA a E O DIGA GaN 1 2 3d 0 34 600V 400mA 0 1mA 4A 0 001A Fus vel 0 A TA 001A 1 5 5d 104 600V Tempo m ximo de medi o nas escalas de 4A e 10A 10 segundos Tabela 3 2 Corrente cont nua 62 Data Logger A Figura 3 2 apresenta a interface gr fica do software Data Logger Ele possibilita o registro e grava o de medidas de tens o corrente resist ncia temperatura capacit ncia e frequ ncia em tempo real conforme pode ser constatado na Figura 3 3 Podem se definir o tempo de registro de medidas e o tempo de amostragem em que estas medidas ser o efetuadas ambos em segundos As setas azuis da Figura 3 2 indicam os campos onde estes tempos devem ser especificados O registro das medidas confirmado assinalando se a op o Recording e Continue que ser habi
97. o a bateria considerada uma fonte linear de tens o cuja capacidade decresce proporcionalmente ao n vel de tens o O gr fico da Figura 4 3 mostra a rela o entre a tens o e a capacidade residual 49 Tens o x Capacidade Residual y D 000444 x 1 6 Tens o da bateria V o 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Capacidade Residual mAh Figura 4 3 Gr fico da tens o em fun o da capacidade residual Conforme o gr fico da Figura 4 2 o n vel de tens o ficou em torno de 3 05 V depois de duas horas e meia de observa o Substituindo se este valor no modelo da Figura 4 3 pode se estimar a capacidade residual da bateria Tendo em vista os gr ficos as considera es acima e as medidas realizadas a Tabela 4 1 apresenta os valores da capacidade residual para cada um dos m todos e modelos apresentados no item 2 3 1 e no item 2 3 2 respectivamente MODELO CAPACIDADE RESIDUAL UNIDADE LINEAR TENS O 3270 0 mAh LINEAR CORRENTE 31389 mAh DEPENDENTE DA TAXA DE DESCARGA Tabela 4 1 Capacidade Residual da bateria Tomando se como refer ncia o modelo dependente da taxa de descarga representado pela Equa o 2 3 por representar o melhor m todo de estima o o desvio do modelo linear baseado na tens o de 23 85 e o desvio do modelo linear baseado na corrente de 18 88 Estes resultados demonstram a princ pio que os modelos lineares apresentam baixa exatid o 50 Contudo
98. o aumento do n mero ou tamanho dos cilindros Finalmente quando se paga a conta de luz paga se a energia n o a pot ncia Tamb m se encontra na literatura o termo efici ncia energ tica que representa o consumo de energia por opera o Por exemplo pode se verificar a efici ncia energ tica de uma CPU determinando a quantidade de energia consumida por instru o 2 4 4 GERENCIAMENTO DE POT NCIA EM CPU s Uma vez que os componentes de hardware de sistemas computacionais projetados se encontram otimizados para baixo consumo de energia resta verificar se existe a possibilidade de implementa o de alguma t cnica de gerenciamento de pot ncia em tais sistemas A maioria dos componentes de hardware utilizados tais como microcontroladores mem rias transceptores possuem pelo menos dois modos de gerenciamento de pot ncia Tais modos possibilitam que a aplica o desligue os m dulos n o utilizados na CPU Estes modos s o implementados para viabilizar a redu o do consumo de energia em estados idle ou sleep Por exemplo o ATMEGA128L possui seis modos sleep Por outro lado existem t cnicas que possibilitam a redu o do consumo de energia no estado ativo da MCU MiCrocontroller Unit tais como DVS DES Dynamic Voltage Scaling Dynamic Frequency Scaling 25 26 27 28 29 Como a 23 redu o da tens o implica em uma diminui o da frequ ncia 25 somente a sigla DVS encontrada na literatura
99. o entrar ou sair do modo de opera o normal power up mode requer uma an lise da atividade geral do sistema pois evitar o modo de baixa pot ncia pode resultar em consumo de energia desnecess rio e entrar neste modo antes do tempo pode resultar em penalidades severas de desempenho Um m todo simples ligar o sistema quando uma requisi o for recebida 32 Isto funciona desde que o atraso no tratamento da requisi o seja aceit vel Uma t cnica mais sofisticada o desligamento preditivo O objetivo predizer quando a pr xima requisi o ser feita e iniciar o 25 sistema exatamente depois deste tempo preservando o solicitante do tempo de inicializa o Obviamente poss vel predizer exatamente os tempos de requisi o somente em circunst ncias muito limitadas Em geral t cnicas de desligamento preditivo s o probabil sticas elas estimam os padr es de atividade baseados em modelos probabil sticos do comportamento esperado Como est o baseadas em estat sticas elas nem sempre estimam corretamente o tempo da pr xima requisi o podendo causar a espera por um per odo de atividade por parte do solicitante ou a reinicializa o do sistema Obviamente a escolha de um bom modelo probabil stico cujo mecanismo de pol tica n o seja complexo demais muito importante pois poder haver consumo de energia adicional no processamento do modelo V rias t cnicas preditivas s o poss veis Uma t cnica muit
100. o simples usar tempos fixos de desligamento 32 Por exemplo se o sistema n o receber requisi es durante um intervalo de tempo Top ele desliga Ent o o sistema espera por um per odo de tempo To antes de religar A om determina o de Toff Ton deve se basear em experimentos Finalmente uma t cnica mais avan ada est baseada na an lise do estado do sistema conforme mostra a Figura 2 7 Gerente de Pot ncia Comandos Provedor solicitante de de Servi o Requisi es Servi go Figura 2 7 Arquitetura de um sistema com gerenciamento de pot ncia 32 Devem ser considerados v rios elementos de todo o sistema gerenciado o provedor de servi o seria a m quina cuja pot ncia estaria sendo gerenciada o solicitante de servi o quem faz requisi es ao sistema gerenciado uma fila usada para manter as requisi es pendentes por exemplo para aguardar o provedor de servi o ligar e o gerente de pot ncia o respons vel para enviar comandos de gerenciamento ao provedor O gerente de pot ncia pode observar o comportamento do solicitante do provedor e da fila 26 2 5 REDES DE SENSORES SEM FIO As Redes de Sensores Sem Fio RSSFs vem sendo objeto de estudo j faz algum tempo principalmente devido s inova es tecnol gicas introduzidas pelo avan o da tecnologia de sensores das comunica es sem fio e da tecnologia de circuitos integrados As Redes de Sensores Sem Fio R
101. ologia da rede din mica 39 40 27 2 5 1 SOFTWARE DE UM N SENSOR O TinyOS desenvolvido inicialmente na Universidade da Calif rnia em Berkeley 41 um sistema operacional simples compacto e baseado em eventos desenvolvido para redes de sensores sem fio Trata se de uma plataforma de software de c digo aberto projetada para apoiar opera es concorrentemente intensivas usando requisitos m nimos de hardware Inicialmente foi projetado para ser utilizado na plataforma Mica Motes que utiliza microcontroladores da fam lia AVR da Atmel 42 o ATMEGA O TinyOS possui um escalonador de tarefas que uma FIFO utilizando uma estrutura de dados fixa e limitada O escalonador n o preemptivo e n o possui mecanismos mais sofisticados como fila de prioridades A sua simplicidade se deve aus ncia de gerenciamento de processos inexist ncia de mem ria virtual e aloca o din mica de mem ria mas ela permite que o tamanho do TinyOS em mem ria seja pequeno atendendo as necessidades das redes de sensores sem fio O c digo fonte aberto e atualmente as modifica es no c digo e nos componentes do TinyOS s o feitos pelo grupo Intel Berkeley Research Lab O TinyOS implementado em nesC 43 44 que foi projetada para incorporar os conceitos estruturais do TinyOS e seu modelo de execu o Os conceitos b sicos deste modelo s o 43 e Separa o entre constru o e composi o aplicativos s o formados por componen
102. ongo do ciclo de descarga inviabilizando este m todo de estima o Portanto a determina o da capacidade residual medindo se somente o n vel de tens o ser de baixa exatid o ou mesmo invi vel caso das baterias de l tio podendo incorrer em erros principalmente no que diz respeito s tomadas de decis es de gerenciamento confiabilidade e manuten o da rede Os resultados que ser o apresentados mais adiante demonstrar o isto Finalmente a Tabela 2 2 e a Tabela 2 3 mostram que a capacidade residual da bateria de n quel metal hidreto 10 pode variar amplamente para uma dada tens o medida dependendo da taxa de descarga 13 Temperature C Voltage V 60 50 40 30 20 10 0 10 20 1 40 3418 46 3361 71 3321 66 3271 60 3205 04 3141 66 3031 61 2828 14 2391 26 1 35 3245 02 3181 60 3124 88 3068 15 3011 60 2968 23 2914 87 2761 44 2357 90 1 30 2921 51 2828 09 2754 69 2687 96 2651 40 2641 39 2641 39 2581 34 2271 19 1 25 1177 27 1113 89 1023 83 953 79 920 48 940 49 1150 60 2127 77 2047 73 1 20 463 57 506 92 480 24 450 22 420 22 403 54 420 22 570 29 1354 04 1 15 273 47 290 14 280 14 263 46 246 79 230 12 220 12 260 13 490 26 1 10 146 74 170 09 166 75 156 74 146 74 136 73 130 07 143 40 226 78 1 05 53 36 66 70 66 70 66 70 63 37 60 03 56 70 63 36 90 05 1 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 Tabela 2 2 Capacidade residual em mAh da bateria de NiMH vs tens o e temperatura taxa de descarga de 0 10 10 Temperature C
103. ontinua mudando a sa da at que o erro seja zero Como resultado n o pode haver nenhum offset quando se utiliza a a o integral e portanto existe uma tend ncia maior do sistema oscilar Na a o derivativa o sinal de sa da proporcional velocidade de varia o do erro Ela sens vel ao ru do do sinal de medi o e s mudan as r pidas na refer ncia Set Point Al m disso a sintonia mais complicada ou seja h uma maior dificuldade para se estabilizar o sinal de sa da De acordo com o manual do fabricante 47 a toler ncia da medida do RSSI de 6 dB o que j representa um poss vel offset Portanto a escolha da a o de controle a ser implementada deve levar em conta essa toler ncia as principais caracter sticas das a es b sicas de controle e os requisitos de consumo de energia necess rios em RSSFs A primeira op o que poderia ser ponderada a a o de controle PI visto que ela atende de 70 a 90 das aplica es de ind strias 70 Por m os cen rios de aplica es de RSSFs s o totalmente diferentes das ind strias onde energia n o representa nenhum problema Portanto o custo energ tico de processamento a poss vel oscila o da pot ncia de transmiss o e a toler ncia do RSSI do transceptor inviabilizaram a escolha da a o de controle PI Por isso optou se pela escolha da a o proporcional Finalmente o fluxograma da m xima sobreviv ncia MS ap
104. or No caso da placa de aquisi o DAQ Data AcQuisition a capacidade residual foi estimada com os dados obtidos at o momento em que a bateria se encontrava descarregada corrente igual a zero Modelo Modelo Modelo Linear Linear SRPEndoNo da Taxa de Tensao Corrente D escarga Capacidade Residual Final mAh MICA2 7 ae alg Capacidade Residual Final mAh DAQ Sag io a8 Tabela 4 10 S ntese dos resultados dos modelos testados Como a capacidade residual no n sensor foi estimada at o momento em que houve a interrup o da transmiss o dos dados pelo transceptor ocorrida em fun o da tens o da bateria 75 ter atingido valor inferior 1 92V sua tens o m nima de opera o 2 1V os valores finais da capacidade residual ficaram positivos para todos os modelos indicando coerentemente que ainda h energia dispon vel na bateria No entanto ainda n o se pode concluir nada em rela o exatid o de tais valores O valor da capacidade residual final para o modelo linear baseado na tens o confirma sua inexatid o mencionada anteriormente pois apesar da constata o de que a bateria estava descarregada o modelo indicava que ainda havia consider vel quantidade de energia dispon vel 634 mAh ou seja 18 da capacidade m xima da bateria Assim conclui se que seu uso na estima o da capacidade residual da bateria em n s sensores de baixa confiabilidade
105. ot ncia Transmiss o dBm N pacotes perdidos Set Point dBm Figura 5 10 Pot ncia de transmiss o fixa A segunda fase realizada tem as mesmas caracter sticas da primeira exceto pelo fato de implementar o algoritmo do fluxograma da Figura 5 7 e como consequ ncia o ajuste do ganho da a o de controle ou seja a sintonia do controlador Iniciou se a segunda fase com um ganho igual a um varia o da pot ncia de transmiss o de um passo que se mostrou o mais adequado pois ganhos maiores levaram a pot ncia de transmiss o oscila o Os resultados s o apresentados no gr fico da Figura 5 11 Constata se que havendo perda de pacotes acima do limite estabelecido e varia o do RSSI a pot ncia de transmiss o ajustada O fato de n o ter ocorrido oscila o no intervalo de tempo 10 minutos em que o MICA2 permanecia na mesma dist ncia em rela o base sem que houvesse perda de pacotes acima do estabelecido e varia o do RSSI demonstra a estabilidade do algoritmo implementado a partir do fluxograma da Figura 5 7 92 A RSSI dBm Pot ncia Transmiss o dBm E set Point dBm n pacotes perdidos 200 BIELES ST DASA SS R RRA 70 E Tr ij Figura 5 11 Ajuste
106. ou seja da pot ncia de transmiss o m xima 5 dBm para a pot ncia m nima 20 dBm chega se ao valor de 0 794 do consumo total com ajuste 1260 5 mJ 96 Cap tulo 6 6 CONCLUS ES E TRABALHOS FUTUROS Este trabalho apresentou uma solu o em hardware que permitiu a redu o do consumo de energia no n sensor de uma Rede de Sensores Sem Fio mais efetiva dentre as poss veis alternativas que foram estudadas Verificou se que a atua o na pot ncia de transmiss o do transceptor apresentava o maior ganho em termos de redu o do consumo Assim foi apresentada uma solu o que integrasse o ajuste da pot ncia do sinal transmitido e a qualidade da informa o em um mecanismo din mico que foi denominado m xima sobreviv ncia Como consequ ncia al m de ter conseguido maximizar a probabilidade de sobreviv ncia do n tamb m foi obtida uma redu o do consumo de energia O algoritmo da m xima sobreviv ncia possibilitou uma economia de energia efetiva de 39 5 no MICA2 O caso considerado cr tico na fase de calibra o foi verificado na situa o em que a pot ncia de transmiss o deve ser ajustada do seu valor m ximo 5 dBm para seu valor m nimo 20 dBm No experimento esta situa o ocorreu quando o n se encontrava a uma dist ncia de 10 em rela o base Contudo verificou se que o custo energ tico deste caso representou apenas 0 794 do consumo de energia total Tamb m foi apresentada uma solu o
107. r de efici ncia k da Equa o 2 3 No experimento 3 a capacidade residual foi calculada de 1 em 1 segundo o que quer dizer que o fator k que um valor menor que 1 tamb m foi aplicado de 1 em 1 segundo ou seja houve uma acumula o do fator k por meio da capacidade anterior C ao longo das sucessivas medi es Como consequ ncia a capacidade residual decaiu exponencialmente conforme p de ser observado na Figura 4 15 Para resolver o problema foi necess rio retirar o fator k e para permitir que a taxa de descarga fosse considerada utilizou se a capacidade efetiva C O novo modelo pode ser representado pela Equa o 4 4 66 t t0 td I t dt Cres Ceff t to Equa o 4 4 A proposta acumular o consumo do n e toda vez que a capacidade residual for solicitada efetuar o c lculo pela Equa o 4 4 Deste modo uma pequena modifica o no fluxograma tornou se necess ria pois a capacidade anterior n o ser mais utilizada O novo fluxograma apresentado na Figura 4 16 Le saida digital do ADC Calcula a corrente Busca valor capacidade efetiva na tabela Calcula a Capacidade Residual Ervia a Capacidade Residual Figura 4 16 Novo fluxograma para a Estima o da Capacidade Residual Dentro desta nova perspectiva uma quest o importante a ser respondida o custo energ tico referente transmiss o da capacidade residual pois no caso do processamento na base envia se somente
108. ra 4 5 Diagrama de blocos da placa de condicionamento de sinais EEMD O diagrama el trico correspondente pode ser visualizado na Figura 4 6 AVcc Placa de Vbat Condicionamento de Sinais 100 Ohm 10k Ohm Vo q Enable Figura 4 6 Diagrama el trico da placa de condicionamento de sinais EEMD O sensor de corrente resistor de 1 2 9 tem toler ncia de 1 e tem o objetivo de converter a corrente em tens o Como esta tens o da ordem de milivolts torna se necess ria a sua amplifica o para que a mesma possa ser lida pelo conversor A D do MICA2 Para isso foi utilizado o amplificador de instrumenta o INA327 da Texas 69 que dentre as op es 52 dispon veis possu a alto ganho de rejei o de modo comum e apresentava o menor consumo 2 UA em modo shutdown que pode ser selecionado pelo pino de Enable da Figura 4 6 O ganho dado pela Equa o 4 1 R2 G 2 R Equa o 4 1 1 onde G o ganho do amplificador de instrumenta o R o resistor de 200 kQ e Ry o resistor de 8 kQ Conforme datasheet do INA327 69 o filtro passa baixas formado pelo resistor de 100 Q e o capacitor de 1 UF necess rio para minimizar o ru do do circuito de auto corre o interno ao amplificador A Figura 4 7 ilustra a placa de condicionamento de sinais EEMD Ela foi soldada na rea de prototipagem da MTS101 conforme pode ser observado na Figura 4 8 CONDICIONAMENTO DE SINAIS MI
109. resentado na Figura 5 7 88 Pacote Recebido na Base OK Calcula Diferenca RSSI Pacotes Perdidos gt Limite Diferenca RSSI lt 6 dB Potencia lt Oxff Potencia 0x02 Aumenta Potencia 1 Passo Reduz Potencia 1 Passo Figura 5 7 Fluxograma da MS Ap s o lan amento do n iniciar se um processo que ser denominado de fase de calibra o a base envia uma mensagem para o n sensor que por sua vez inicia o ajuste da sua pot ncia de transmiss o at que se alcance o valor de pot ncia m nima suficiente para que haja comunica o com a base com qualidade ou seja a quantidade de pacotes perdidos na base seja inferior ao limite estabelecido que no experimento realizado foi estipulado em tr s O bloco Calcula Diferen a RSSI refere se ao c lculo do erro subtraindo se o valor da sensibilidade 97 dBm do valor do RSSI O resultado comparado ao offset Oxff a pot ncia m xima de transmiss o 5 dBm e 0x02 a pot ncia m nima 20 dBm conforme pode ser constatado na Tabela 5 2 Ainda baseando se nesta tabela observa se que os valores dispon veis para ajuste s o discretos o que justifica os termos reduz pot ncia um passo e aumenta pot ncia um passo Uma vez que a pot ncia de transmiss o ideal tenha sido alcan ada somente haver novo ajuste se houver perda de pacote superior ao limite estabelecido A solu o para monitorar a perda de pacotes na base simplesmente ve
110. rificar se houve erro de CRC momento em que enviada uma mensagem para o n sensor para permitir a obten o do novo RSSI 89 5 2 TESTE E AVALIA O DA EXATID O DO VALOR DO RSSI CALCULADO NO N Conforme j sabido o microcontrolador do MICA2 somente opera com n meros inteiros de modo que erros de truncamento poder o ocorrer Assim torna se necess rio a realiza o de um experimento para verificar a exatid o do RSSI calculado no n sensor Ent o foi realizado o experimento 5 que consistiu em coletar amostras sincronizadas no tempo conforme metodologia do cap tulo 3 da tens o da bateria e do RSSI sa das digitais do conversor A D Calculou se o valor do RSSI em dBm no n a partir destes valores e finalmente os tr s valores foram enviados para a base por meio da aplica o OscilloscopeRF As amostras foram coletadas de 1 em 1 segundo durante meia hora totalizando 1800 amostras O experimento 5 apresentado na Figura 5 8 gr 40 cm ea Figura 5 8 Experimento 5 O c lculo do RSSI na base foi efetuado a partir da Equa o 5 3 enquanto que no n sensor foi utilizada a Equa o 5 4 A Tabela 5 5 apresenta os resultados obtidos referentes ao processamento das 1800 amostras RSSI base RSSI N Desvio dBm dBm Yo M dia 72 71 73 0 35 Desvio 0 32 0 42 0 20 Padr o Mediana 72 71 73 0 36 Tabela 5 5 Resultados obtidos para o experi
111. s o surge uma constata o importante seria interessante determinar o tempo denominado tempo de limiar Tih sleep em que o n sensor deve permanecer de modo s que efetivamente haja redu o do consumo de energia Este tempo dado por 35 36 1 P run P sleep Tih sleep ts t gt lts Pron Psieep j Equa o 2 9 onde t o tempo de transi o do modo run para o sleep tp o tempo de transi o do modo sleep para o run P un O pot ncia no modo run e P a pot ncia no modo sleep sleep Se por exemplo o microcontrolador permanecer no modo sleep um tempo inferior ao tempo de limiar ocorrer aumento em vez de redu o do consumo de energia O sistema operacional e a arquitetura do sistema podem usar mecanismos de gerenciamento est tico e din mico de pot ncia para ajudar a gerenciar a dissipa o de pot ncia e o consumo de energia do sistema Uma pol tica de gerenciamento de pot ncia 32 35 36 uma estrat gia para determinar quando executar determinadas opera es de gerenciamento de pot ncia Ela geralmente examina o estado do sistema para determinar quando implementar a es Contudo a estrat gia geral incorporada na pol tica deve ser projetada baseando se nas caracter sticas dos mecanismos de gerenciamento est tico e din mico de pot ncia Constatou se que a transi o entre modos deve ser cuidadosa Assim a determina o de quand
112. s funcionais internas que n o s o necess rias em determinada execu o Isto reduz o consumo de energia pois n o haver corrente de fuga e Capacitancias parasitas de carga e entre interconex es minimizar as capacit ncias parasitas de carga e entre interconex es construindo trilhas mais curtas Equa o 2 7 e Tempos de subida e descida dos sinais de entrada reduzir os tempos de subida e descida dos sinais de entrada de modo a obter transi es l gicas r pidas reduzindo se assim a dissipa o de pot ncia de curto circuito Equa o 2 5 e Corrente de fuga quando o circuito CMOS est est tico h uma pequena corrente circulando pelo circuito denominada corrente de fuga O nico jeito de eliminar a pot ncia dissipada devido a esta corrente a remo o da tens o de alimenta o Contudo desconectando a alimenta o elimina se a dissipa o de pot ncia est tica 21 Equa o 2 4 mas algum tempo ser necess rio para reconectar o sistema alimenta o e reinicializar seus estados internos at que o mesmo possa funcionar adequadamente Algumas CPU s CMOS permitem que determinadas partes possam ser totalmente desconectadas da alimenta o para eliminar correntes de fuga Equa o 2 4 Diante do exposto a redu o do consumo em sistemas port teis operados por bateria requer uma an lise cuidadosa pois um circuito operando com tens o e frequ ncia reduzida incorrer em aumento
113. sidade de se avaliar a quantidade de ciclos de carga e descarga Outro termo que ser utilizado no texto a capacidade residual que se refere quantidade de energia ainda dispon vel na bateria depois de determinado tempo de uso e Taxa de descarga ou curva de descarga nos manuais de baterias comerciais s o encontradas curvas que mostram como a tens o decresce com o uso assim como a capacidade variando em fun o da corrente de descarga Algumas baterias apresentam uma taxa de descarga bastante plana mantendo uma tens o quase constante como o caso das baterias de n quel c dmio n quel metal hidreto e fons de l tio Outras baterias como as comuns e as alcalinas podem apresentar curvas que decaem rapidamente para valores de corrente acima de 500 mA 6 e Densidade de energia indica quanto de energia por unidade de volume ou unidade de massa est dispon vel em uma determinada pilha ou bateria Quanto maior a densidade de energia maior ser a capacidade da bateria e Tempo de prateleira ou reten o de carga indica o tempo que determinada bateria pode ficar armazenada antes de serem usadas mantendo uma capacidade m nima satisfat ria e Pre o nenhuma bateria particularmente barata Por isso interessante avaliar a rela o custo benef cio na aquisi o de baterias para projetos j desenvolvidos No caso de projetos a serem desenvolvidos interessante que os mesmos requeiram dentro do poss vel a
114. sor CMOS 19 Quando V estiver no n vel l gico alto V Vpp O transistor NMOS conduz e a sa da vai para o n vel l gico baixo o transistor PMOS est completamente desligado e apenas uma corrente de fuga desprez vel flui de Vpp pata o terra Figura 2 5b Se V mudar seu estado do n vel alto para o n vel baixo ela passar por uma regi o intermedi ria onde ambos os transistores NMOS e PMOS estar o parcialmente ligados Ao alcan ar o n vel l gico baixo V 0 o gt transistor NMOS sera completamente desligado e o PMOS sera completamente ligado e a saida estar no n vel l gico alto Figura 2 5c importante observar que se o valor V permanecer entre 0 e Vpp ambos os transistores ficar o parcialmente ligados e uma corrente significativa fluir de Vpp para o terra 18 Existem basicamente duas componentes que estabelecem a quantidade de pot ncia dissipada em circuito CMOS 19 20 21 22 23 24 a dissipa o est tica devido corrente de fuga ou outra corrente drenada continuamente da alimenta o e a dissipa o din mica devido corrente de curto e carga e descarga das capacit ncias de carga e Dissipa o Est tica Constata se que mesmo o transistor estando desligado ha uma circula o de corrente sendo esta denominada de corrente de fuga cujo valor varia com a temperatura Seu valor muito pequeno temperatura ambiente mas o mesmo n o pode ser dito em situa es de alt
115. ssim realizou se o experimento 2 montado da mesma forma que a Figura 4 11 em duas fases 58 e Primeira fase o experimento consistiu em coletar amostras sincronizadas no tempo cap tulo 3 de corrente e tens o de 1 em 1 segundo durante uma hora totalizando 3600 amostras de cada medida e determinar o consumo de energia no per odo observado e Segunda fase fez se uma nica mudan a em rela o primeira fase retirou se a placa de sensores Desta forma a diferen a de consumo de energia entre as duas fases representar exatamente o consumo de energia devido ao hardware adicional placa de condicionamento de sinais conforme pode ser observado na Tabela 4 4 Corrente com Corrente sem Consumo Placa Placa mA Placa mA mA M dia 18 39 16 82 1 57 Desvio Padr o 0 176 0 184 0 237 Coeficiente de 5956 1 096 15 076 Varia o Tabela 4 4 Consumo do hardware desenvolvido Apesar de o consumo ter sido muito inferior a qualquer outro sensor dispon vel na plataforma Mica Motes 1 57 mA caso haja necessidade de monitoramento cont nuo da corrente o custo energ tico tornar se bastante cr tico 4 2 6 EXATID O DO VALOR DA CORRENTE CALCULADA NO MICA2 At o momento os c lculos necess rios para se determinar a corrente e estimar a capacidade residual da bateria do n sensor est o sendo efetuados na esta o base Contudo em fun o do alto custo energ tico da transmiss
116. stiu basicamente em se fazer medi es simult neas de tens o e corrente durante duas horas e meia com amostras tomadas de um em um segundo totalizando 9000 amostras de cada O MICA2 foi configurado de modo que componentes de hardware tais como r dio e temporizadores permanecessem ligados durante uma hora e meia Enquanto estavam ligados a corrente ficou aproximadamente constante em 24 mA Depois de uma hora e meia o r dio e alguns temporizadores foram desligados automaticamente de modo que a corrente caiu para aproximadamente 11 mA permanecendo neste n vel por mais uma hora As medidas de corrente e tens o obtidas s o apresentadas na Figura 4 1 e na Figura 4 2 respectivamente 48 Corrente x Tempo Ge 20 10 Corrente mA 0 2000 4000 6000 8000 10000 Tempo s Figura 4 1 Corrente medida no MICA2 Tensao x Tempo qm gt ww N o 2000 4000 6000 8000 10000 Tempo s Figura 4 2 Tens o medida no MICA2 Ao se comparar os dois gr ficos constata se que houve uma varia o do n vel de tens o por volta de 5400 segundos ou seja uma hora e meia Trata se exatamente do momento em que a corrente comuta de 24 mA para 11 mA Pode se verificar que houve uma recupera o do n vel de tens o e trata se de uma comprova o do efeito de relaxa o Outra observa o que a tens o variou somente 3 27 no intervalo de tempo de medi o Na estima o baseada na tens
117. tes que por sua vez s o combinados para criar aplicativos mais complexos e Especifica o de funcionalidade por meio de interfaces interfaces podem ser fornecidas ou usadas pelos componentes As interfaces fornecidas representam a funcionalidade que o componente fornece ao aplicativo e as interfaces usadas representam a funcionalidade necess ria ao componente para executar seu trabalho e Interfaces s o bidirecionais interfaces especificam um conjunto de fun es que ser o implementadas pelo componente provedor da interface comandos e outro conjunto que ser implementado pelo componente usu rio da interface eventos O TinyOS possui uma arquitetura baseada em componentes cuja configura o completa de um sistema consiste de um programa composto de uma aplica o e dos componentes do TinyOS Os componentes interagem por meio das interfaces que s o bidirecionais Todo aplicativo possui pelo menos um arquivo de configura o e um de implementa o O primeiro especifica o conjunto de componentes do aplicativo e como eles se invocam No segundo est o listadas as interfaces fornecidas e as utilizadas por um componente Um aplicativo usa um ou 28 mais componentes sendo poss vel reutilizar alguns componentes mais simples para criar outros mais elaborados Isso cria uma hierarquia de camadas cujos componentes em n veis altos na hierarquia originam comandos para componentes em n veis baixos que por sua vez sinalizam e
118. to de pot ncia meme 26 Figura 2 8 Rede de Sensores Sem Bio a pd ai dad 27 Figura 2 9 Ui aplicacao OT y OS cs sesececssoeshaeatoadias EO ana a 29 Figura 2 10 Fluxo de execu ninn iiaia aE EE ESTA EEEa Sado adota retina 30 Figura 2 11 Componentes de hardware de um n Sensor quanina nai gurias 31 Figura 2 12 Diagrama esquem tico do MICA2 sssssssssssssssesrsssssssssrteeessssnsereseessntereenrnnsnsnnnnteeeesssne 33 Figura 2 13 Principais n s sensores da plataforma Mica Motes sss sssssssssssssssssssrereessssssnereesesssnee 34 Figura 2 14 BEAN e sua placa de condicionamento de sinais ssss ssssssssssssssssssssttreessssssreeeeeessssse 35 Figura 2 15 TL OLS SEA mienen aa snes ae Sd ad pa 36 Figura 3 1 Mult metro Digital MD 6450 aa raia a a a Maia 38 Figura 3 2 Interface gr fica do Data Loss ts usinas ii qua stat aarauada 40 Fig ra 3 3 Possibilidades de medidas assa a da enian iania 40 Fig ra 3 4 Gr fico e lista de medidas ssa paro gua pa ag A na lira meg on 41 Figura 3 5 Arquivo com o registro de medidas sarna pa amante AR RAD TAPA pOr run 41 Figura 3 6 MIBGOO cascode tela ele a ARE RE taal ied 43 Figura 3 7 Aplicativo Java Oscilloscope starts ig nas il sansndvsnsaae avasetaneh li 44 Figura 3 8 Experimento para a estima o da capacidade residual da bateria 45 Figura 3 9 Linha do tempo para as medidas do experimento cememenmenereermemmermeaseereenos 46 Figura 3 10 Experimento para a av
119. ventos pata aqueles Os componentes de n vel mais baixo representam o pr prio hardware A Figura 2 9 ilustra uma aplica o do TinyOS application sensing application 7K TE routing Routing Layer messaging Messaging Layer packet Radio Packet Figura 2 9 Uma aplica o do TinyOS 41 O TinyOS possui um modelo de concorr ncia baseado em eventos A concorr ncia obtida a partir do uso de eventos e tarefas Tarefas de um componente s o at micas entre si executando at seu t rmino mas podem ser interrompidas por eventos externos Elas podem executar comandos de componentes em n veis baixos na hierarquia sinalizar eventos para componentes em n veis altos e agendar a execu o de outras tarefas em um componente Eventos s o generaliza es de tratadores de interrup o propagando processamento para cima na hierarquia por meio da sinaliza o de outros eventos ou pata baixo por meio da execu o de comandos Eventos s o executados quando sinalizados interrompendo a execu o de uma tarefa ou outro evento A Figura 2 10 ilustra o fluxo de execu o de tarefas eventos e comandos 41 Interrup es s o mapeadas como eventos Um evento pode acionar comandos ou acionar a execu o de uma tarefa Uma tarefa formada por um conjunto de comandos e n o pode bloquear outra tarefa mas um evento pode interromper a execu o de uma tarefa Considerando se a F
120. xperimento Ao alcan ar a m xima dist ncia onde ainda havia comunica o o MICA2 era deslocado na ordem inversa da sequ ncia de dist ncias acima 46 Figura 3 10 Experimento para a avalia o da M xima Sobreviv ncia MS A primeira fase foi realizada configurando se o MICA2 com a m xima pot ncia de transmiss o com o intuito de observar as varia es do RSSI e a quantidade de pacotes perdidos conforme o MICA2 era distanciado ou aproximado da base A segunda fase realizada tem as mesmas caracter sticas da primeira exceto pelo fato de implementar o algoritmo da MS e como consequ ncia o ajuste do ganho da a o de controle ou seja a sintonia do controlador 47 CAP TULO 4 4 ESTIMA O DA CAPACIDADE RESIDUAL DE BATERIAS EM N S DE REDES DE SENSORES SEM FIO O Cap tulo 2 tratou de todos os aspectos relacionados tecnologia de baterias ressaltando os principais tipos qu micos os fatores que influenciam na capacidade da bateria principais m todos de estima o e os modelos de baterias Este cap tulo tem por principal objetivo testar alguns dos modelos de baterias existentes na literatura apresentando os resultados obtidos por meio da utiliza o da plataforma Mica Motes e a placa de aquisi o NI USB 6009 41 ESTIMA O BASEADA NA TENS O Para se ter uma id ia inicial da baixa exatid o da estima o baseada na tens o efetuou se previamente um experimento no MICA2 Tal experimento consi
121. zado O problema consiste basicamente em se obter um modelo representado por uma equa o matem tica que melhor reflita as caracter sticas de descarga da bateria Estes modelos variam desde um simples modelo linear a um modelo complexo que tenta incorporar o efeito de relaxa o Tal efeito possibilita a recupera o de uma parte da capacidade perdida pela bateria quando submetida a uma alta taxa de descarga e antes que se atinja a tens o de corte a taxa de descarga seja reduzida a n veis mais baixos Apesar de ser o modelo que mais se aproxima do comportamento das baterias reais existe consider vel dificuldade em sua implementa o pois o efeito de relaxa o envolve muitas propriedades f sicas e eletroqu micas da bateria Para se ter uma id ia John Newman 11 apresentou um modelo que cont m mais de 50 par metros f sicos e eletroqu micos de entrada que precisam ser medidos separadamente para diferentes tipos de baterias Conforme Parthasarathy M Gomadam et al 12 Pankaj Arora et al 13 M Doyle and J Newman 14 M Doyle 15 tais par metros envolvem c lculos matem ticos complexos derivadas de primeira e segunda ordem derivadas parciais de primeira e segunda ordem equa es diferenciais rotacionais etc e como consequ ncia incorre se em alta complexidade computacional e grande esfor o de configura o mais de 50 par metros a serem configurados dois dos crit rios b sicos de avalia o de modelos de b

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