Achieving Reduced Power Consumption of Sensor Nodes in Wireless Networks using MiWi

Protocol

Gustavo Meneses BenavidesUniversidad de San Buenaventura

Medellín

Agenda• Introducción• El protocolo MiWi • MiWi P2P• Aspectos relativos al hardware• Aspectos relativos al firmware• Metodología• Resultados• Conclusiones

IntroducciónLas aplicaciones de monitoreo que utilizan redes inalámbricas de sensores han aumentado en número y variedad vertiginosamente durante la última década. Es así como encontramos una plétora de aplicaciones que van desde el monitoreo de variables fisiológicas y monitoreo ambiental hasta el monitoreo de integridad de estructural, por mencionar algunas [1].

IntroducciónEl ideal de las redes inalámbricas de sensores es que los nodos deben operar de manera inatendida por largos periodos de tiempo, basándose principalmente en un manejo eficiente del consumo de energía. No obstante para alcanzar cifras que se acerquen a este ideal teórico, es necesario adoptar medidas desde el punto de vista circuital y también implementar medidas a nivel del firmware.

Redes inalámbricas de sensores

El estándar IEEE 802.15.4 define las condiciones de operación desde el punto de vista de las comunicaciones para lo que se conoce como LR-WPAN (Low Rate-Wireless Personal Area Networks).Observamos el diagrama de bloques de un nodo sensor genérico.

Redes inalámbricas de sensoresEl estándar IEEE 802.15.4 define las condiciones de operación para lo que se conoce como LR-WPAN (Low Rate-Wireless Personal Area Networks).Observamos el diagrama de bloques de un nodo sensor genérico y los canales de operación en la banda de 2.4 GHz.

El protocolo MiWi MiWi es un protocolo propietario del fabricante estadounidense Microchip y está basado en el estándar IEEE 802.15.4. MiWi propone una implementación liviana y royaltie-free, que se apoya en dos herramientas: MiMAC (controlador de acceso al medio) y una interfaz de cara al manejo de los protocolos propietarios llamada MiApp. MiWi está orientado a redes relativamente pequeña (1024 nodos).

El protocolo MiWi Los nodos de red bajo MiWi pueden ser dispositivos de funciones completas (Full Function Devices - FFD) o dispositivos de funciones reducidas (Reduced Function Devices - RFD), jerárquicamente el nodo principal de la red de área personal denominado PAN Coordinator debe ser siempre un FFD. El PAN Coordinator (Coordinador de la PAN) siempre es único.

MiWi P2PDado que nuestro foco de atención en el tipo de aplicaciones que requieren pocos nodos (menos de 127) y con comunicación para rangos de distancias menores a 120 metros, nos centraremos en el protocolo MiWi P2P. Este protocolo soporta las topologías P2P y estrella. No posee mecanismo de enrutamiento, de modo que el cubrimiento de la comunicación inalámbrica se define mediante el rango del radio. No es multihop (multisalto). El protocolo MiWi P2P solo soporta redes sin beacon (baliza).

Topología estrella en MiWi P2PLa topología tiene un Coordinador de Red de Área Personal (PAN Coordinator) que inicia la comunicación y acepta conexiones de otros dispositivos. Se tienen varios dispositivos terminales (end devices) que se unen a la comunicación. Los dispositivos terminales pueden establecer conexiones solo con el PAN Coordinator, no entre ellos.

Consideraciones relativas al Hardware

Denominamos hardware al conjunto de dispositivos físicos que hacen parte del circuito de los nodos de una red inalámbrica de sensores. Algunos aspectos de diseño que tienen que ver con el hardware de los nodos que hemos identificado son:•Conversores DC-DC•Energy Harvesting/Scavenging (Solar, Piezo, Vibra, etc.)•Selección de los componentes (Especificaciones, $,…)•Otras estrategias (conmutación de dispositivos, etc.)

Consideraciones relativas al FirmwareEl código ejecutado por el microcontrolador es un aspecto clave, a través de este se pueden acceder a funciones y recursos especiales del mismo microcontrolador y, en el caso del protocolo MiWi, a características especiales a través de la interfaz MiApp (Microchip Wireless Application Programming Interface) y de las funciones de MiMAC (Microchip Wireless Media Access Controller).

MetodologíaSe realizó un arreglo en interiores (indoor) con dos nodos, un PAN Coordinator y un nodo sensor (end device), el cual enviaba mensajes continuamente. Se contabilizó la totalidad de mensajes recibidos con diferentes configuraciones a nivel de hardware/firmware. La tabla muestra la descripción general de los elementos utilizados.

Metodología: Arreglo experimental

ResultadosA la izquierda el consumo global del nodo sensor. A la derecha los cambios observados al introducir modificaciones a nivel de Hardware/firmware

ResultadosSe muestra el esquema general de los cambios realizados y los resultados para pruebas de operación continua del nodo sensor utilizando baterías recargables de NiMH (8.4 V)

Resultados: Otras baterías utilizadas

Se realizaron también pruebas de operación extendida del nodo sensor alimentándolo con baterías de Li-ion y Plómo.

Resultados: Otras baterías utilizadas

Se presentan otros resultados obtenidos con baterías diferentes a las de NiMH.Li-ion (2000mAh): 314 paquetesLi-ion (4000mAh): 700 paquetesPlómo: 10800 paquetes durante 150 horas de operación (6.25 días)

Conclusiones• A partir de los resultados obtenidos se infiere

que para verificar la premisa de bajo consumo, para nodos sensores en redes inalámbricas, con operación sobre periodos extendidos de tiempo, es necesario adoptar un enfoque que plantea intervenciones tanto a nivel de firmware, desde el código implementado en el microcontrolador, como de hardware, es decir a nivel circuital.

Conclusiones• La utilización en el circuito del nodo sensor de

dispositivos de mejores especificaciones, y de precio más elevado, pueden resultar en una mejora de la eficiencia en cuanto a consumo de energía. Sin embargo, la balanza costo/beneficio puede inclinarse hasta un punto de no retorno que derive en poca o ninguna viabilidad económica para el despliegue de redes inalámbricas con muchas unidades de nodos sensores.

Conclusiones• A partir de la valoración del desempeño de

nodos sensores desplegados en diferentes aplicaciones, y en ambientes exteriores (outdoor) e interiores (indoor), se podrían establecer algunos indicadores acerca de la relación costo/beneficio en lo referente a la adopción de medidas de firmware, de hardware o de ambos tipos al buscar reducir el consumo de energía en redes MiWi.

Referencias• Fraser M., Elgamal A., He X., y Conte J. Sensor Network for Structural Health Monitoring

of a Highway Bridge. Journal of Computing In Civil Engineering Asce/ January/February 2010 / 11.

• E. McAdams, A. Krupaviciute, C. Gehin, A. Dittmar, G. Delhomme, P. Rubel, J. Fayn, and J. McLaughlin, “Wearable Electronic Systems: Applications to Medical Diagnostics/Monitoring”, en Wearable Monitoring Systems. New York: Springer, 2011, pp. 179-203.

• “Powering Microcontrollers with Scavenged Energy - Energy Harvesting | DigiKey.” [Online]. Disponible: http:// http://www.digikey.com/es/articles/techzone/2012/aug/powering-microcontrollers-with-scavenged-energy.

• Microchip Technology inc. Microchip MiWi™ Wireless Networking Protocol Stack [Online]. Disponible: http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/AN1066%20-%20MiWi%20App%20Note.pdf

• Microchip Technology inc. Microchip MiWi P2P Wireless Protocol [Online]. Disponible: http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01204B.pdf.

Agradecimientos

Proyecto Universidad de San Buenaventura-Facultad de Ingenierías-Metro de Medellín Ltda.

Muchas gracias!!!

E-mail: gustavo.meneses@usbmed.edu.co