Router dual-radio para redes de sensores sem fios

Abstract

As redes de sensores sem fios são cada vez mais utilizadas, tanto na indústria como em aplicações domésticas, muito devido ao grande desenvolvimento que têm sofrido nos últimos anos. Este desenvolvimento tem levado a que surjam novos sensores de baixo consumo, baixo débito, e baixo custo. A informação adquirida pelos sensores precisa de ser enviada para outros nós da rede (e.g., uma estação base ou um atuador). Em redes ZigBee, os routers tem a função de reencaminhar a informação para o destino, em topologias multihop, como malha e árvore. Isto tem um impacto sobre o desempenho, principalmente em aplicações que geram um tráfego elevado como é o caso do transporte de informação de eletrocardiografia (ECG), eletroencefalografia (EEG) ou postura (captura de movimentos). Nesta dissertação é feito o estudo, desenvolvimento e teste de um router dualradio 802.15.4/802.15.4 com o objetivo do aumento de desempenho de redes IEEE 802.15.4 e ZigBee, ou a extensão de protocolos single-hop, como o LPRT, para topologias multihop. A implementação é feita utilizando plataformas de hardware e software da Texas Instruments. Inicialmente é feita a análise do desempenho de uma rede ZigBee com topologia em estrela e com topologia em árvore com dois saltos, e da comunicação SPI entre dois dispositivos com vista a verificar o modo de comunicação mais eficiente. Com base nesta análise é implementado um router dual-radio que permite um aumento de 51% do débito máximo em relação ao uso de um router normal, conforme validam os resultados experimentais obtidos.

Wireless sensor networks are growing widely, in industry and domestic applications, largely due the advances achieved in the last years. This development had led to the emergence of new sensors with low power, low rate, and low cost. The information acquired by the sensors need to be sent to other network nodes (e.g., a base station or an actuator). On ZigBee networks, routers are used to forward the information to the destination in multihop topologies, such as mesh and tree. Normal routers typically have a single transceiver. This has an impact on performance, especially in applications that generate high traffic such as transport of electrocardiogram (ECG), electroencephalography (EEG) or posture (motion capture) information. This dissertation presents the study, development and testing of a dual-radio router 802.15.4/802.15.4 with the goal of increasing performance of IEEE 802.15.4 and ZigBee networks, or the extension of single-hop protocols, such as LPRT, to multihop topologies. The implementation is achieved by using hardware and software platforms from Texas Instruments. Firstly, it is made the performance analysis of ZigBee networks with star and 2-hop tree topology, and then the evaluation of the SPI communication between two devices in order to verify the most efficient communication mode. Based on this analysis it is implemented a dualradio router that allows an increase of 51% in the maximum throughput compared to a normal router, as the experimental results show.