Uma rede de sensores sem fios (WSN) é um conjunto de pequenos nós de sensores com capacidades de deteção, computação e transmissão. Uma vez que as funções de um único nó de sensor são limitadas, especialmente no que diz respeito ao armazenamento de energia e de dados, é necessário desenvolver uma boa topologia de rede e um protocolo de encaminhamento. Este artigo centra-se na rede de sensores sem fios ZigBee, baseada na norma IEEE 802.15.4, e propõe uma topologia de agrupamento eficiente, denominada MSCT, baseada na árvore de expansão mínima (MST). O objetivo final é construir uma topologia de rede com o custo mínimo. A topologia apresentada neste artigo tem também em conta os ambientes interiores, propondo métricas para lidar com a perda de caminho e a atenuação do sinal causadas por paredes e obstáculos, e calculando os pesos das ligações entre os nós. Por fim, a topologia MSCT proposta no artigo revela-se mais vantajosa do que a topologia Cluster-Tree em termos de perda de energia e vida útil da rede.
Cada uma das três estruturas de rede Zigbee tem as suas próprias vantagens. Atualmente, a rede Zigbee dispõe de três arquiteturas: em estrela, em árvore e em malha. Pode escolher a estrutura de rede Zigbee adequada de acordo com as necessidades reais do projeto.
1. Topologia em estrela
É a forma mais simples de topologia. É composta por um nó coordenador e uma série de nós de dispositivos finais. Cada nó de dispositivo final só pode comunicar com o nó coordenador. Se for necessária comunicação entre dois nós de dispositivos finais, a informação tem de ser encaminhada através do nó coordenador.
2. Topologia em árvore
A topologia em árvore inclui um Coordenador e uma série de nós de Roteadores e Dispositivos Finais. O Coordenador liga uma série de Roteadores e Dispositivos Finais, e os seus sub-nós de Roteadores também podem ligar uma série de Roteadores e Dispositivos Finais. Este processo pode repetir-se em vários níveis. A estrutura da topologia em árvore é apresentada na figura abaixo:
O que é preciso ter em conta é:
Os nós Coordenador e Router podem conter os seus próprios nós filhos.
Um dispositivo final não pode ter os seus próprios nós filhos.
Os nós que têm o mesmo nó pai são denominados nós irmãos
Os nós que têm o mesmo nó avô são designados por «nós primos».
Regras de comunicação na topologia em árvore:
Cada nó só pode comunicar com o seu nó pai e com os seus nós filhos.
Se for necessário enviar dados de um nó para outro, a informação é transmitida ao longo do caminho da árvore até ao nó antepassado mais próximo e, em seguida, descida até ao nó de destino.
A desvantagem desta topologia é que existe apenas um canal de encaminhamento para a informação. Além disso, o encaminhamento da informação é gerido pela camada da pilha de protocolos, sendo que todo o processo de encaminhamento é totalmente transparente para a camada de aplicação.
A construção da rede difere da estrutura Cluster-Tree descrita anteriormente. Baseia-se na árvore de expansão mínima. Suponha que o grafo G = (V, E) represente a topologia de uma rede de sensores estática, em que V representa um nó de sensor e E representa o peso da ligação entre dois nós ligados. Teoricamente, o peso da ligação numa rede de sensores representa a distância euclidiana entre dois nós, mas, tal como explicado na secção anterior, é necessário ter em conta a perda de sinal ao longo do percurso e a atenuação do sinal devido a obstáculos no ambiente interior. Os pesos são ordenados utilizando o algoritmo baseado em “Kruskal” [6-7] (Algoritmo 1, apresentado abaixo). De acordo com este algoritmo, é possível obter a topologia com o custo mínimo de transmissão de comunicação.
3. Topologia de malha
A topologia em malha inclui um coordenador e uma série de routers e dispositivos finais. Esta forma de topologia de rede é idêntica à topologia em árvore; consulte a topologia de rede em árvore mencionada acima. No entanto, a topologia de rede em malha possui regras de encaminhamento de informação mais flexíveis, e os nós de encaminhamento podem comunicar diretamente entre si sempre que possível. Este mecanismo de encaminhamento torna a comunicação de informação mais eficiente e significa que, caso ocorra um problema num determinado caminho de encaminhamento, a informação pode ser automaticamente transmitida por outros caminhos de encaminhamento. Apresenta-se abaixo um diagrama esquemático de uma topologia em malha:
Normalmente, na implementação de uma rede em malha, a camada de rede fornece a função correspondente de exploração de rotas. Esta funcionalidade permite que a camada de rede encontre o caminho ótimo para a transmissão de informação. É importante referir que as funcionalidades acima mencionadas são todas implementadas pela camada de rede, não sendo necessária qualquer intervenção da camada de aplicação.
A topologia de rede em malha MESH possui funções poderosas. A rede pode comunicar-se através de “saltos multinível”; esta topologia também permite formar uma rede extremamente complexa; a rede possui ainda funções de auto-organização e auto-reparação;
Com o rápido desenvolvimento das redes de sensores sem fios, a tecnologia sem fios é amplamente utilizada em estações base que transmitem dados de levantamento topográfico e cartografia [1]. As redes de sensores sem fios exigem uma implantação em grandes áreas nas aplicações práticas. Uma vez concluída a implantação, é relativamente difícil alterá-la novamente. É por isso que é necessário utilizar de forma eficiente os recursos limitados de cada nó da rede. Existem muitos campos de aplicação dos sensores sem fios, tais como a monitorização da temperatura e da humidade, a automação doméstica, a monitorização de operações de salvamento, etc. A maioria das aplicações requer transmissão sem fios em grande escala e precisa de ser suportada por normas como a IEEE802.11b. Estudos relevantes demonstraram que as normas sem fios tradicionais, como o Bluetooth e a WLAN [2], já não são adequadas para aplicações em cenários de automação doméstica e deteção industrial em ambientes interiores. O padrão IEEE 802.15.4 é normalmente escolhido para este cenário de aplicação. Este artigo centra-se no estudo da topologia de agrupamento eficiente MSCT, baseada na árvore de expansão mínima (MST), em condições de interferência causada por paredes em ambientes interiores. 1 Topologia de rede Cluster-Tree A Cluster-Tree é uma topologia de rede baseada no padrão IEEE 802.15.4. Nas redes de sensores sem fios, o consumo de energia é um aspeto importante que deve ser tido em conta. Este artigo irá, em primeiro lugar, estudar a eficiência da topologia de rede Cluster-Tree em termos de consumo de energia [3]. A topologia de rede Cluster-Tree divide-se em duas relações hierárquicas: pai e filho, conforme ilustrado na Figura 1. Nesta topologia, cada nó de cluster comunica através do nó principal desse nível, e o nó principal de cada camada é controlado pelo coordenador da PAN [4]. A topologia é construída através de pedidos de associação e respostas de associação. Para alcançar o melhor efeito de controlo do tipo de rede ZigBee, o número e a profundidade de extensão dos nós filhos de cada nó pai devem situar-se dentro de um determinado intervalo. A profundidade a que aqui se refere diz respeito à distância entre o coordenador da PAN e o nó. Por exemplo: o nó do coordenador da PAN é considerado como nível 0, e o nó filho do coordenador da PAN é considerado como nível 1
Palavras-chave: terminal de transmissão de dados
