Figura 2.1. Modelul de referinta OSI [618680]

1 Universitatea “Politehnica” din București Facultatea de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației Rețele de senzori wireless cu transmiterea datelor la distanțe medii și mari Lucrare de disertație prezentată ca cerință parțială pentru obținerea titlului de Master în domeniul Electronică Aplicată și Ingineria Informației programul de studii de masterat Electronică și Informatică Aplicată Conducător științific Absolvent: [anonimizat]. Dragoș Ioan SĂCĂLEANU Ing. Iulia – Florența IVANOV București 2018

2

3

4

5 Copyright © 2018 , Iulia – Florența IVANOV Toate drepturile rezervate Autorul acordă UPB dreptul de a reproduce și de a distribui public copii pe hîrtie sau electronice ale acestei lucrări, în formă integrală sau parțială.

6

7 Declarație de onestitate academică Prin prezenta declar că lucrarea cu titlul “Rețele de senzori wireless cu transmiterea datelor la distanțe medii și mari”, prezentată în cadrul Facultății de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației a Universității “Politehnica” din București ca cerință parțială pentru obținerea titlului de Master în domeniul Electronică Aplicată și Ingineria Informației, programul de studii Electronică și Informatică Aplicată este scrisă de mine și nu a mai fost prezentată niciodată la o facultate sau instituție de învățămînt superior din țară sau străinătate. Declar că toate sursele utilizate, inclusiv cele de pe Internet, sunt indicate în lucrare, ca referințe bibliografice. Fragmentele de text din alte surse, reproduse exact, chiar și în traducere proprie din altă limbă, sunt scrise între ghilimele și fac referință la sursă. Reformularea în cuvinte proprii a textelor scrise de către alți autori face referință la sursă. Înțeleg că plagiatul constituie infracțiune și se sancționează conform legilor în vigoare. Declar că toate rezultatele simulărilor, experimentelor și măsurătorilor pe care le prezint ca fiind făcute de mine, precum și metodele prin care au fost obținute, sunt reale și provin din respectivele simulări, experimente și măsurători. Înțeleg că falsificarea datelor și rezultatelor constituie fraudă și se sancționează conform regulamentelor în vigoare. București, 22.06.2018 Absolvent: [anonimizat]

8

9 Cuprins INTRODUCERE ………………………………………………………………………………… 11 1. REȚELE DE SENZORI WIRELESS …………………………………………………. 13 1.1. Noțiuni introductive …………………………………………………………………………………………….. 13 1.2. Nodurile unei rețele de senzori ………………………………………………………………………………. 14 1.3. Clasificarea rețelelor wireless ………………………………………………………………………………… 16 1.4. Posibile aplicații și provocări …………………………………………………………………………………. 19 2. PROTOCOALE DE COMUNICAȚII …………………………………………………. 21 2.1. Noțiuni generale ………………………………………………………………………………………………….. 21 2.2. Clasificare ………………………………………………………………………………………………………….. 24 2.2.1. Protocolul Mac ……………………………………………………………………………………………… 24 2.2.2. Protocoale de comunicare cu criteriu pe canale …………………………………………………… 25 2.2.3. Protocoale de comunicare cu criteriu de sincronizare …………………………………………… 26 2.2.4. Protocoale de comunicare cu criteriu de recepție…………………………………………………. 28 2.3. Protocoale de comunicații wireless …………………………………………………………………………. 29 2.4. Tipuri de comunicații wireless ……………………………………………………………………………….. 30 2.4.1. Comunicația Bluetooth …………………………………………………………………………………… 30 2.4.2. Protocolul ZigBee………………………………………………………………………………………….. 31 2.4.3. Tehnologia Wi-Fi ………………………………………………………………………………………….. 33 2.4.4. LoRa …………………………………………………………………………………………………………… 35 2.5. Sintetizare ………………………………………………………………………………………………………….. 37 3. TEHNOLOGIA LoRa ȘI LEGĂTURA CU IoT ……………………………………. 39 3.1. Internetul Obiectelor ……………………………………………………………………………………………. 39 3.2. Protocolul LoRaWAN ………………………………………………………………………………………….. 40 3.3. Funcționarea LoRaWAN ………………………………………………………………………………………. 43 4. TESTAREA REȚELEI DE SENZORI ………………………………………………… 45 4.1. Partea Hardware ………………………………………………………………………………………………….. 45 4.1.1. Tipul de modul utilizat în sistemul de senzori …………………………………………………….. 46 4.1.2. Conectarea modulelor și descrierea comenzilor …………………………………………………. 49 4.2. Partea Software …………………………………………………………………………………………………… 50 4.3. Studiul performanței energetice …………………………………………………………………………….. 57 CONCLUZII ………………………………………………………………………………………. 61 BIBLIOGRAFIE …………………………………………………………………………………. 62

10

11 INTRODUCERE În ultimele 2 decenii s-a acordat o atenție deosebită microsistemelor digitale și a dispozitivelor incorporate (de tip embedded), acestea ajungând să definească un adevărat necesar în viața de zi cu zi. Împreună cu sistemele de calcul de dimensiuni medii și mari, aceste dispozitive își demonstrează utilitatea în majoritatea domeniilor de activitate, deși de multe ori, acestea au resurse mai puține decât sistemele clasice de calcul. În această categorie se încadrează și rețelele de senzori, care au beneficiat de o atenție mărită în ultimii 10 ani. Progresul la nivel hardware și a rețelelor wireless au contribuit la dezvoltarea continuă a unor senzori de putere joasă, accesibili la preț și de dimensiuni mici. Acești senzori formează ad-hoc sute sau chiar mii de noduri de mici senzori distribuiți pe o anumită arie geografică. Nodurile colaborează pentru a forma o rețea de senzori. Rețeaua de senzori poate oferi acces la informație oricând și oriunde pe o anumită arie geografică, colectând, procesând, analizând și distribuind informația, participând astfel, în mod activ, pentru a creea un mediu inteligent. Rețelele de senzori sunt fiabile, precise și flexibile, implicând costuri mici și fiind usor de dezvoltat. Acestea pot fi găsite într-o gamă largă de aplicații, precum sisteme de monitorizare a fenomenelor meteorologice, sisteme de securitate, sisteme de detecție a incendiilor, sisteme robotizate de intervenție în caz de calamități, aplicații militare, platforme robotice, etc. În principal, o rețea de senzori este alcătuită din microsisteme incorporate (noduri), fixe sau mobile, de obicei slabe în resurse hardware, cu alimentare limitată, cu capacități senzoriale superioare și cu capacitate de comunicare fără fir. Din punct de vedere hardware, aceste noduri sunt independente, deși prezintă o importanță mare atunci când acestea funcționează ca un tot unitar cu menirea de a îndeplini o funcție, un rol. Apare necesitatea de a stabili o comunicare fiabilă între aceste noduri, pentru a se putea realiza astfel o rețea de senzori. Unul dintre motivele principale care m-a determinat în alegerea acestui subiect este impactul pe care îl are astăzi transmisia de date prin mijloacele de comunicare wireless, care devine indispensabilă pentru toate domeniile: modele de afaceri ale multor industrii și servicii, cum ar fi electronice de consum larg, automobile, utilități, managementul infrastructurii, clădiri inteligențe, orașe conectate, sănătate, lanțuri de aprovizionare sau aplicații de fabricație. Pentru a se impune acestor cerințe de timp, nu doar microsistemele ce funcționează individual ca noduri ale rețelei de senzori trebuie să funcționeze în timp real, ci și întreaga rețea să respecte niște cerințe stricte de timp. Pentru acesta este necesar ca o comunicare între nodurile unei rețele de senzori să respecte anumite cerințe de timp și în același timp să-și mențină scalabilitatea, toleranța la defecte și consumul de energie electrică scăzut. Pentru a motiva alegerea temei, este de precizat ca majoritatea studiilor s-au axat pe reducerea consumului de energie electrica, iar acest lucru este într-adevăr esențial într-o rețea de senzori, dat fiind faptul că nodurile sunt alimentate de o baterie sau acumulator. Obiectivul proiectului este realizarea și testarea unei retele de senzori wireless în cadrul careia distanțele dintre noduri și stația de bază să depășească ordinul kilometrilor. Prin această lucrare se va acționa asupra protocoalelor de comunicare (protocolul LoRa) în vederea obținerii unor garanții de timp și spatiu în cadrul comunicării dintre nodurile unei rețele de senzori. Acest protocol nu doar trebuie să asigure anumite cerințe legate de distanța de acționare, dar trebuie să păstreze scalabilitatea și toleranța la defecte a întregii rețele de senzori. De asemenea, în aceasta lucrare se va acorda o importanță deosebită studiului acestui protocol în cazuri reale, nu

12 bazându-se doar pe simulări, care de cele mai multe ori nu sunt conforme cu realitatea, mai ales în acest domeniu al comunicației wireless dintre nodurile unei rețele de senzori. Totodată, se va studia și conectarea unei rețele de senzori formată din două noduri senzoriale care transmit în timp real informațiile către un server, care le va stoca într-o bază de date sau un Cloud. Această Legătură este făcută printr-un gateway, LoRaWAN, motiv pentru care se va studia întreaga tehnologie Lora. Scopul final al proiectului este de a arata fiabilitatea conectării unei rețele de senzori, care se poate realiza în diferite moduri pentru aplicația vizată. Ca sursă principală, vom utiliza un gateway Lora, folosit în timp real, amplasat în orașul București. Conectarea se va realiza între două plăci de dezvoltare Lora, care reprezintă nodurile senzoriale, fiind programate prin intermediul microcontrolerului pentru o funcționare autonomă. După interconectarea modulelor, vom stabili o comunicație individuală între un nod și stația de bază (gateway). Un alt motiv care m-a împins să aleg Lora ca și principal protocol descris în cadrul acestei lucrări este reprezentat de raza de acțiune a acestuia – cu echipamentul potrivit, Lora poate oferi conectivitate eficientă pe o rază de ordinul kilometrilor. Alte protocoale nu sunt capabile să atingă astfel de distante și, deoarece mi-am propus să lucrez în mediul ”Internet of Things”, scenariile pe care le voi prezenaa se desfășoară în principiu în mediu înconjurător sau pe distanțe mai mari decât în interiorul unor clădiri – în concluzie, aplicațiile potrivite pentru folosirea acestui protocol implică un consum mai mare de energie și putere de alimentare din moment ce distanța minimă pe care ne propunem să emitem/recepționăm depășește 100 metri. Rezultatele lucrării vor fi analizate pe baza unui studiu realizat pe recepționarea datelor de către un senzor de temperatură dintr-un nod receptor și, folosind tehnologia Lora, transmiterea datelor wireless către un alt nod receptor sau către stația de bază.

13 1. REȚELE DE SENZORI WIRELESS 1.1. Noțiuni introductive Pentru a descrie și caracteriza o rețea de senzori, se precizează că senzorii sunt dispozitive care au capacitatea de a colectă informații asupra unor obiecte și/sau procese fizice. Ei pot să activeze în medii diferite: în mediul liber, în interiorul locuințelor, sub apă, în subteran, în medii nocive și cu acces dificil etc. De asemenea, pot să prezinte rezultatele observațiilor asupra parametrului la nivel local sau pot să transmită la distantă informațiile culese. Observațiile realizate de către senzor pot să fie transmise la un centru de supraveghere și control și pot să fie afișate și stocate, pentru urmărirea în timp a fenomenului supravegheat. Există posibilitatea că, în urmă observațiilor transmise să se declanșeze măsuri de intervenție și de corectare, dacă fenomenul sau parametrul observat se abate de la limitele dinainte precizate. Transmiterea informațiilor de la senzori către centrul de supraveghere și a comenzilor de acționare se realizează prin rețele de comunicație, care pot să fie cablate sau wireless, iar complexitatea acestora că și măsurile de securitate diferă în funcție de dimensiunea și de importantă fenomenului supravegheat. Comunicarea la nivelul unei rețele de senzori este realizată prin intermediul unei stive de protocoale ierarhizate pe nivele. Conform mai multor modele în acest sens, această stiva conține protocoale specializate pe accesul la mediu, corecția și detecția erorilor, rutarea informației, etc. Protocoalele de acces la mediu sunt protocoalele localizate la bază unei stive de comunicație și sunt cele care influentează cel mai mult comportamentul temporal al întregii comunicații. Aceste protocoale, deși au fost mult timp în atenția cercetătorilor, s-au dezvoltat mai puțin în direcția sistemelor în timp real și a distanței sau razei de acționare. Într-o rețea de senzori cu cerințe de timp real, reducerea consumului de energie electrică nu se află pe primele poziții în ordinea prioritătilor caracteristicilor unui protocol de acces la mediu. În acest caz, rețelele de senzori ce functionează în timp real și protocoalele de acces la mediu trebuie să se concentreze asupra cerințelor de timp și a distanței de acționare spre a oferi o bază de comunicație bine determinată în timp și spațiu. Mai mult, ținând cont de faptul că protocoalele de acces la mediu stau la bază stivei de comunicație, acestea lucrează direct cu modulul radio al sistemului. Acest modul radio are la rândul lui un anumit grad de predictibilitate și introduce o serie de latente. Întârzierile de timp ce sunt introduse de către modulele radio la nivelul sistemului ce compune un nod al rețelei sunt de cele mai multe ori ignorate, considerând o funcționare ideală a modulului radio. Un protocol de acces la mediu nu poate ignoră aceste aspecte. Arhitectură unui nod al unei rețele de senzori este alcatuită din 5 componente de bază: dispozitiv hardware detector, procesor, memorie, sursă de alimentare și un apărat de emisie-recepție, aceste dispozitive fiind ușor de organizat. Deoarece nu este nevoie de controlul uman, ele detectează, evaluează și actionează în medii naturale. Se pot organiza singure, ad-hoc și se pot adapta pentru a face fată în diverse aplicații. Fiecare nod senzor are posibilităti de comunicare wireless și poate realiză procesare de semnal și pentru distribuire de informații. Datorită energiei limitate și puterii ridicate de calcul ale unui nod senzor, este nevoie de un număr mai mare de senzori în funcție de cât de mare este regiunea pe care trebuie să o deservească rețeaua. Astfel, un număr mai mare de senzori, fată de un singur senzor sau un număr limitat, permite rețelei să relateze cu o precizie mai bună viteză exactă, direcția, mărimea, precum și alte caracteristici ale unui obiect aflat în mișcare.

14 Pentru o astfel de rețea formată dintr-un număr foarte mare de noduri trebuie ținut cont de costul aferent fiecăruia dintre noduri. Se optează de obicei pe o soluție cu un preț cât mai scăzut dat fiind numărul mare de noduri. În același timp trebuie să se tină cont de faptul că în majoritatea situațiilor nodurile sunt alimentate pe baterie și se dorește că durată de viată a unui nod să fie cât mai lungă. Având un număr mare de senzori este important costul unui singur senzor pentru a justifica costul total al rețelei se senzori. Comunicația în rețelele de senzori nu este în mod obișnuit de la un cap la celălalt (end to end), energia nodurilor este de obicei mai limitată în rețelele de senzori decât în alte rețele wireless datorită trăsăturilor caracteristice ale senzorilor și datorită problemelor de încărcare a bateriilor acestora. Studiile au arătat că popularele dispozitive bazate pe tehnologia Bluetooth sunt nepotrivite pentru aplicații ale rețelelor de senzori datorită necesităților energetice ale acestora și datorită faptului că implică costuri mai ridicate decât senzorii. În mod intuitiv o structură mai compactă a unei rețele de senzori ar conduce la o eficientă mai mare a rețelei. Poate oferi o mai mare precizie și are un total de energie mai mare la dispoziție. Totuși, neadministrata cum trebuie o rețea mai compactă duce deasemenea la un număr mare de conflicte și implicit la congestia rețelei, ceea ce va crește timpul de așteptare și va reduce totalul de energie al rețelei. Deasemenea numărul mare de eșantioane raportate de senzori poate depăși cu mult informațiile necesare. Pentru a se realiză acest lucru nu doar pe parte hardware ar trebui să se folosească componente care sunt optimizate pentru consum redus de energie, dar și din punct de vedere software trebuie să se tină cont de tehnici de programare și proiectare software orientate pe reducerea consumului de energie. În cazul aplicațiilor în timp real toate tehnicile atât de reducere a consumului de energie cât și cele de reducerea costului nu trebuie să afecteze cerințele stricte de timp impuse de aplicație [1]. În prezent se dezvoltă numeroase aplicații care au la bază rețelele de senzori. În viitorul apropriat rețelele de senzori vor ocupă un rol din ce în ce mai important în majoritatea domeniilor de activitate. Rețelele de senzorii vor constitui un element esențial în industrie, agricultura, medicină și aplicațiile casnice. Remarcăm o serie de dezvoltări tehnologie privind realizarea rețelelor de senzori, avînd în vedere faptul că acestea trebuie să fie din ce in ce mai robuste, mai economice, cu un timp cât mai mare de viață, rezistente la condițiile mediului și la schimbările permanente ale topologiei. Se impune, de asemenea, necesitatea unui cost de implementare și, mai ales, de exploatare, minimizat pe cat posibil. Rețelele de senzori sunt prezente într-o gamă largă de aplicații, iar câteva dintre principalele aplicații și implementări existente sunt prezentate de asemenea, în acest capitol. 1.2. Nodurile unei rețele de senzori O rețea de senzori wireless – WSN (Wireless Sensor Network)-este formată dintr-un număr mare de senzori inteligenți, referiți în continuare că și noduri, dispuși pe o suprafată din exteriorul sau interiorul unei clădiri, cu capacităti de comunicare wireless, mobili sau ficși, care prin acțiuni colaborative formează o rețea de senzori cu scopul de a implementa o anumită aplicație că un tot unitar. Componența principală a unui nod senzorial este microcontroler-ul, care are de obicei o putere mică de computație, un consum redus de energie electrică și care se obișnuiește să aibă

15 facilităti în managementul consumului de energie (power management). Este de preferat să se folosească arhitecturi optimizate pentru consumul redus de energie, ținând cont că în ultima perioadă s-au dezvoltat mecanisme precum DVS (Dynamic Voltage Scaling) sau DMS (Dynamic Modulation Scaling) [1]. Microcontrollerul este cel care asigură întreagă funcționare a noduli, la care sunt conectate și celelalte blocuri, după cum se observă în Figură 2.1.
Figura 1.1. Schema bloc a unui nod dintr-o rețea de senzori [2] Figura 1.2. Modurile într-o rețea de senzori [2] O configurație minimală a unui nod este formată dintr-un microcontroller, sursă de alimentare (baterie / acumulator), senzori și interfață de comunicare cu sau fără fir în funcție de tipul rețelei. Într-o asemenea configurație minimă rețeaua de senzori poate fi folosită în principiu doar pentru monitorizare într-o topologie fixă cu un grad scăzut de dinamism. În schimb, în cazul în care se adaugă diferite module opționale, caracteristicile rețelei se schimbă. Spre exemplu, în situația adăugării unor actuatori rețeaua primește și facilitate de control nu doar de monitorizare, iar în cazul adăugării și a unui modul de mobilitate rețeaua devine puternic dinamică. Deși o astfel de rețea este de dorit în multe situații, dinamismul introduce și o serie de probleme atât pe parte de mobilitate și consum de energie cât mai ales pe partea de comunicație wireless.

16 1.3. Clasificarea rețelelor wireless Rețelele wireless de senzori sunt împărțite în mai multe criterii de clasificare prezentate în următoarele paragrafe [2]: • dimensiunea rețelei sau distanță dintre nodul bază (în cazul unei rețele organizate după o topologie coordonată) și cele mai indepărtate noduri ale rețelei – rețelele pot fi single-hop sau mulți-hop. În primul caz, single-hop, fiecare nod comunică doar cu coordonatorul rețelei. O astfel de rețea este de obicei de mici dimensiuni dar se caracterizează prin simplitate deoarece nu este nevoie de algoritmi complecși care să realizeze rutarea informației. Nodurile comunică doar atunci când au ceva de transmis nodului coordonator și astfel își economisesc mult din energia din baterie. În cazul rețelelor mulți-hop puține noduri sunt în rază de comunicație a coordonatorului rețelei și astfel ele nu își pot transmite datele direct la coordonator ci doar prin noduri intermediare fiind necesară implementarea unor algoritmi specializați care să realizeze rutarea informației de la nodul transmitător pană la nodul receptor, de obicei coordonatorul rețelei. • densitatea rețelei și dependența de date – rețele cu agregare sau fără agregare. În sistemele fără agregare fiecare nod transmite coordonatorului toate datele pe care le deține fără să se aplice vreo transformare asupra lor. În cazul unei rețele cu multe noduri acest lucru generează trafic ridicat ceea ce implicit duce la scăderea duratei de viată a rețelei în urmă consumului mare a fiecărui nod. În sistemele cu agregare nodurile sunt grupate de obicei în funcție de localizare, datele sunt agregate și prelucrate local iar coordonatorului i se transmite doar un rezultat și astfel traficul scade considerabil. De obicei această prelucrare a datelor se rezumă ori la o medie ori la eliminarea datelor redundanțe. • modul de distribuție a nodurilor – rețele deterministe sau dinamice. Rețelele deterministe din punct de vedere al distribuției nodurilor sunt acele rețele în care plasarea nodurilor este cunoscută și fixă. În această situație întreagă gestiune a rețelei devine mult mai facilă, mulți algoritmi (de exemplu de rutare, localizare) ne mai fiind necesari. O astfel de rețea are un grad mare de rigiditate. Rețelele dinamice din punct de vedere al distribuitiei nodurilor sunt acele rețele unde nu se cunoaște de la început poziția fiecărui nod. Motivul necunoașterii poziției este fie plasarea în mod aleatoriu a nodurilor, fie nodurile au și capacitate de mobilitate. În acest caz toate operațiunilor realizate în cadrul rețelei se complică simțitor dar se oferă un mare grad de flexibilitate și scalabilitate. • politică de control – cu autoconfigurare sau fără autoconfigurare. În cazul rețelelor fără autoconfigurare nodurile nu au capacitatea de a se auto-organiza ci au nevoie de o entitate de control care să comande ce să facă la fiecare pas. Acesta politică de control nu poate fi folosită decât pentru rețele de mici dimensiuni și unde nu se dorește scalabilitate. Cea de-a două politică de organizare și control ce se referă la rețele cu autoconfigurare care are rolul de permite nodurilor rețelei să se organizeze atât din punct de vedere al comunicării cât și din punct de vedere al sarcinilor. În acest caz, o entitate superioară de control nu trebuie decât să traseze sarcină în linii mari iar nodurile rețele se auto organizează și, formând un mediu colaborativ, decid în colectiv fiecare pas.

17 Tot în funcție de politica de control se mai disting două tipuri de rețele asemănătoare celor cu autoconfigurare și fără autoconfigurare. Este vorba de categoria rețelelor ad-hoc sau a celor gestionate de un coordonator. În configurația rețelelor wireless de senzori coordonate există noduri cu funcții reduse în ceea ce privește comunicarea și noduri mai evoluate care au rolul de a le conduce pe celelalte formându-se astfel o structură ierarhizată de noduri. În general un nod cu funcții evoluate de comunicare împreună cu nodurile pe care le conduce formează un cluster.
Figura 1.3. Exemplu de rețea organizată pe clustere [3] Nodurile desemnate cu CN (Cluster Node) reprezintă noduri de tip frunză ale unui cluster. Acesta nu pot comunica decât cu nod de tip CH (Cluster Head) și în concluzie au capabilități reduse de comunicare. Fiecare nod CN trebuie să fie în raza de acoperire a nodului CH ce conduce clusterul din care face parte și în principiu nu poate comunica decât cu acesta. Așadar, un cluster este format dintr-un coordonator sau conducător de cluster (CH) și un număr de noduri de tip CN. Coordonatorul unui cluster este de obicei un nod mai bogat în resurse decât nodurile pe care le conduce putând implementa nu doar funcții de bază de comunicare ci și funcții mai evoluate cum ar fi rutarea informației. Deși sunt mai bogate în resurse, nodurile de tip CH sunt și cele la care durata de viață a bateriei poate să scadă mult mai repede față de celelalte noduri, deoarece acestea având și funcția de rutare de informație consumă multă energie electrică pentru comunicarea pe radio. În figura prezentată mai sus se observă cum clusterul 4 nu este în directă rază de acoperire a conducătorului rețelei și astfel CH1 trebuie să realizeze rutarea informației între conducătorul rețelei și CH4.

18 O rețea de senzori într-o asemenea structură este formată din mai multe clustere, toate fiind conduse de către un coordonator de rețea semnificat în figură prin NH (Network Head). Conducătorul rețelei comunică doar cu conducătoarele de clustere și nu direct cu nodurile pe care acestea le gestionează. De obicei acest tip de nod dispune de multe resurse cum ar fi energia electrică, memorie, putere de computație. În unele situații NH este chiar un calculator clasic și nu neapărat un sistem embedded. Rețelele de tip ad-hoc caracterizează cel mai mult ideea de rețea wireless de senzori în general. Rețelele de acest tip sunt acelea care nu au nevoie de un coordonator pentru a-și îndeplini funcția. Prin procese colaborative senzorii care în principiu sunt dispuși aleatoriu se auto-organizează pentru a realiza funcția destinată. Acest tip de rețele prezintă un grad mare de scalabilitate și adaptabilitate.
Figura 1.4. Exemplu de rețea ad-hoc [3] Există și aici doua situații de organizare. O situație în care toate nodurile sunt în aceeași zonă de acoperire, adică orice nod poate comunica în mod direct cu oricare alt nod. De obicei, această situație este destul de greu de obținut. Un alt caz este acela când raza de acoperire a nodurilor este mică și astfel orice nod nu poate comunica direct cu orice alt nod astfel apărând situația când unele noduri trebuie să realizeze și funcții de rutare a informației. În acest caz rețeaua are facilități întâlnite la o rețea de tip mesh [3].

19 1.4. Posibile aplicații și provocări O rețea de senzori este proiectată pentru a efectua prelucrări a informațiilor la nivel înalt, cum ar fi monitorizarea, detectarea, urmărirea sau clasificarea unor evenimente sau fenomene fizice. Rețlele de senzori fără fir au câștigat o popularitate considerabilă datorită flexibilității cu care pot rezolva probleme în diferite domenii de aplicații. Aplicațiile rețelelor de senzori sunt vaste și pot varia în mod semnificativ în cerințele de aplicare, modurile de desfășurare, modalitatea de detecție, sau mijloace de alimentare cu energie. Practic, oriunde există un fenomen sau eveniment ce poate fi achiziționat cu ajutorul unui senzor, poate fi implementată o rețea de senzori. Multitudinea de aplicații rezultă din tipurile de senzori existenți: • Temperatură: termistor, termocuplu; • Presiune: manometre, barometre; • Optici: fotodiode, fototranzistori, senzori infraroșu, senzori CCD; • Acustici: rezonatoare piezoelectrice, microfoane; • Mecanici: senzori tactili, diafragme capacitive, celule piezorezistive; • Mișcare, vibrație: accelerometre, giroscoape, senzori foto; • Flux: anemometre, senzori de flux de aer; • Poziție: GPS, senzori pe baza de ultrasunete, senzori infraroșu; • Electromagnetici: senzori cu efect Hall, magnetometre; • Chimici: senzori de pH, senzori electrochimici, senzori de gaze în infraroșu; • Umiditate: senzori capacitivi și rezistivi, senzori de umiditate de tip MEMS; • Radiații: detectoare de radiații de ionizare. Astfel, se pot monitoriza parametrii precum: temperatură, umiditate, lumină, presiune, mișcarea obiectelor, compoziția solului, compoziția aerului, nivelul zgomotului, debitul de apă, prezenta unui anumit obiect, caracteristici ale obiectului (masa, mărimea, viteza de mișcare, direcția de mișcare, ultima poziție), etc. Exemple de aplicații unde s-au implementat cu succes rețele de senzori wireless: • Aplicații militare: sisteme militare de comandă, control, comunicație, inteligență computațională, supraveghere, recunoaștere și țintire. • Detecția și monitorizarea de mediu: monitorizarea ecosistemelor complexe, monitorizarea aerului și a deșeurilor, controlul climei locale în clădiri de birouri, detectarea compoziției solului și agricultura precisă, detectarea incendiilor în sălbăticie, exploatarea rezervelor minerale, studii geofizice. • Prevenirea și administrarea dezastrelor: localizarea promptă și exactă în situații de urgență și în zonele de dezastru, estimarea prăbușirii pereților sau a tavanului prin mișcarea clădirilor și tensiunea din structură, detectarea și urmărirea oboselii materialului, urmărirea deversările de combustibili sau substanțe toxice. • Îngrijirea medicală: administrarea și distribuirea de medicamente, monitorizarea virusului la distanta, monitorizarea și urmărirea pacienților, oferirea de informații legate de sănătate, monitorizarea nivelului glucozei la pacienții diabetici, monitorizarea organelor în scopul transplantului și detectarea cancerului pentru persoanele de risc major, monitorizarea sănătății generale.

20 • Case inteligente: Contorizare la distanță, spații inteligente, controlul și monitorizarea de parametrii. • Explorare științifică: în medii mai înalte, mai îndepărtate și mai adânci cum ar fi spațiul cosmic sau în adâncul oceanelor. • Medii înconjurătoare interactive: se pot produce mecanisme promițătoare pentru obținerea informațiilor din minerit și pentru a reacționa cu lumea fizică, aparate de monitorizare în jucări și alte obiecte familiare copiilor ar putea crea ”grădinițe inteligente” pentru a întări educația timpurie a copiilor. • Supraveghere: supravegherea la distanță în clădiri, zone rezidențiale, aeroporturi și gări, instalarea unor noduri de senzori sensibili la fum în poziții strategice. • Alte aplicații: Rețelele de senzori autoconfigurabile pot fi folosite în multe alte domenii cum ar fi domeniul automotive, controlul roboților și instrumente de fabrică, urmărirea automată a inventarului în depozite, controlul proceselor chimice, monitorizarea traficului și controlul drumurilor inteligente. Provocările rețelelor de senzori apăr la proiectarea hardware, protocoalele de comunicații și proiectarea aplicațiilor. Mărirea duratei de funcționare a unei rețele de senzori și construirea unui sistem inteligent de colectare a datelor sunt 2 provocări importante ale rețelelor de senzori. Alte provocări sunt: • topologia rețelelor de senzori se schimbă foarte repede; • senzorii folosesc un model de comunicație broadcast în timp ce majoritatea rețelelor sunt bazate pe comunicații punct la punct; • senzorii sunt limitați în ceea ce privește energia, capacitățile de calcul și memoria; • senzorii sunt predispuși la eșecuri; • senzorii sunt dispuși compact în număr mare; probleme poate apărea în termeni de coliziuni și congestie; pentru a evită coliziunile senzorii care sunt în aria de emisie a altor senzori nu trebuie să emită în același timp; • desfășurarea ad-hoc necesită că sistemul să identifice și să facă față la consecințele distribuirii și legăturilor dintre nodurile rețelei; • mediul dinamic în care funtioneaza senzorii impune rețelei să se adapteze în timp la modificările legăturilor dintre noduri și la diverși stimuli exteriori rețelei.

21 2. PROTOCOALE DE COMUNICAȚII 2.1. Noțiuni generale Protocoalele de comunicatie reprezintă o descriere formală a structurii mesajelor digitale și a regulilor privind schimbul acestor mesaje în cadrul sau între sistemele de calcul/telecomunicație. Acesta descrie sintaxa, semantica și sincronizarea comunicării și este implementat la nivel hardware și/sau software. Tehnicile de comunicație utilizabile pentru transmiterea datelor între un robot mobil și PC restrâng, în majoritatea aplicațiilor specifice, gama tehnologiilor la cele cu o rază de acțiune mobilă, dar limitată, care sunt reprezentate de standardele wireless, radio, infraroșu. În cazul rețelelor de senzori, descoperim mai mulți factori care pot influența eficiența comunicării. Energia consumată inutil, creșterea traficului total al rețelei și întârzierile înregistrate la transferul pachetelor de date sunt cele mai comune efecte ale acestei ineficiențe [4]. Cele mai întâlnite cauze sunt: • Puterea utilizată la transmisie: in unele cazuri se utilizează o putere prea mare transmisie în raport cu distanța la care pachetul de date trebuie transmis. Acest lucru duce la creșterea inutilă a consumului unui nod. • Coliziunile apar atunci când un nod primește două mesaje, în același timp, de la două noduri vecine diferite, acest lucru ducând la imposibilitatea decodării celor două mesaje, fiind necesară retrasmiterea lor. Acest lucru duce la creșterea traficului total al rețelei, la întârzierea transmiterii pachetelor de date și la creșterea consumului energetic al nodurilor. • Ascultarea inutilă a canalului de comunicație apare atunci când un nod nu cunoaște momentul în care ar trebui să primească date de la vecini. În această situație el rămâne mereu activ, receptiv la orice transfer de date din cadrul rețelei. Acest lucru duce la creșterea inutilă a consumului de energie. • Pachetele de control sunt utilizate de către noduri pentru a administra transferul de date. Acestea conțin cereri și confirmări pentru ocuparea canalului de comunicație și mesaje de confirmare a recepției corecte de mesaje. Pachetele de control cresc traficul total, întârzie tarnsmiterea și cresc consumul energetic. • Intercepția altor pachete decât cele de interes: atunci când nodurile ascultă inutil canalul, este foarte posibil să primească mesajedestinate altor noduri, întrucât se află în raza de transmisiune a nodului transmițător. Acest lucru duce la o procesare inutilă și la o creștere a consumului de energie. • Supra-procesarea nodurilor: in anumite cazuri, regulile de comunicare în cadrul rețelei de senzori sunt complicate și necesită o supra-procesare din partea nodurilor. Acest lucru duce la creșterea energiei consumate și la întârzieri în procesul de transmitere a mesajelor. Totuși, dacă această supra-procesare duce la scăderea numărului și/sau lungimii pachetelor de date, este un avantaj, întrucât se economisește energia(pentru a transmite un bit se consumă de 100-1000 de ori mai multă energie decât pentru a procesa un bit). Prioritara până acum in proiectarea sistemelor de comunicație fără fir a fost creșterea performanțelor de transmisie prin aer. În acest context atenuarea și interferențele sunt privite ca și zgomote inevitabile unui astfel de mediu de transmisie. In ultima perioada, accentul se pune prepondernt pe creșterea eficienței spectrale.

22 În prezent, domeniul comunicațiilor wireless este unul dintre segmentele cu cea mai rapidă creștere din industria telecomunicațiilor. Sistemele de comunicație wireless, ca celularul, telefoanele satelit, precum și retelele wireless locale (WLAN – Wireless Local Area Networks) au dobandit o largă întrebuințare și au devenit esențiale în viața de zi cu zi a oamenilor. Această popularitate a rețelelor wireless se datorează avantajelor pe care acestea le au, fata de sistemele bazate pe cablu. Cele mai importante avantaje sunt mobilitatea și costul redus [5]. În ultimii ani ele au cunoscut o dezvoltare semnificativă pe plan mondial, reprezentând o soluție alternativă la legăturile cu fir (electric, din fibră optică și altele). Conexiunile fără fir devin tot mai populare, deoarece ele rezolvă probleme ce apar în cazul cand avem multe cabluri, conectate la multe dispozitive. Tehnologiile moderne fără fir pot interconecta echipamentele (sau și rețelele locale, LAN-urile) la distanțe mici, dar și la distanțe mari. Deoarece aplicațiile WSN sunt utilizabile într-o multitudine de situații în care mediul și cerințele tehnice diferă foarte mult, rețelele WSN sunt de obicei orientate spre aplicație. Ca rezultat, arhitecturile, protocoalele și algoritmii variază de la caz la caz. În cadrul rețelelor de senzori wireless se pot implementa mai multe versiuni de protocoale de comunicare. În funcție de performanțele dorite, dar și de resursele hardware disponibile, acestea au un grad de complexitate variabil. Protocoalele cele mai simple necesită puține resurse de calcul și hardware, dar au și cele mai slabe performanțe, pe când cele complexe sunt foarte performante, însă au nevoie de resurse suplimentare pentru a putea fi implementate. În ceea ce privește protocoalele de comunicație wireless din rețelele de senzori, în general acestea sunt organizate pe nivele fiind puternic influențate de clasicul model de referință OSI (Open System Interconnection) [6]:
Figura 2.1. Modelul de referinta OSI

23 Privind stiva de referintă OSI de jos în sus, primul nivel al unei stive de protocoale ce respectă acest model este reprezentat de nivelul fizic. Acest nivel precizează caracteristicile electrice, mecanice și procedurale ce au rolul de a realiză conexiunea fizică între mai multe module de comunicație, pe un anumit mediu fizic. Aceste protocoale se mai numesc și protocoale de linie și definesc caracteristicile canalului fizic pe care se efectuează comunicarea. Nivelul 2 al modelului OSI este reprezentat de nivelul legătură de date. Scopul acestui nivel este de a asigură o legătură punct la punct între două noduri ale rețelei conectate în mod direct. De asemenea, un protocol de nivel 2 trebuie să asigure și secventierea corectă a pachetelor precum și detecția erorilor apărute la nivelul fizic iar în unele cazuri, când este posibil, să realizeze și corecția acestora. Nivelul rețea este responsabil cu asigurarea transferului unor secvențe (pachete) de date, de dimensiuni variabile (datagrame) între două noduri ale rețelei fără a fi o legătură directe între ele. Nivelul implementează astfel o comunicare de tip end-to-end. Este important de menționat faptul că protocoalele din acest nivel nu este necesar să garanteze un transfer fiabil. În acest nivel OSI se incadrează protocoalele de rutare a informației precum și partea de adresare a elementelor din rețea. Un exemplu reprezentativ al acestui nivel ar fi protocolul IP (Internet Protocol). Următorul nivel al modelului OSI este nivelul transport care are principalul rol de a garanta o comunicare fiabilă între nodurile rețelei prin metode precum controlul fluxului, controlul retransmisilor, detecții și corecții de erori apărute în protocoalele de pe nivelele inferioare precum și mecanisme de tip ACK/NACK. Nivelul de pe poziția 5 a modelului OSI reprezintă nivelul sesiune. Protocoalele de pe acest nivel se ocupă cu gestiunea conexiunilor dintre entitătile rețelei. Protocoalele care implementează acest nivel sunt protocoale orientate pe conexiune. Principalele roluri ale acestui nivel sunt: realizarea, întreținerea, menținerea și încheierea conexiunilor. De asemenea, protocoalele din acest nivel trebuie să distingă și cauza încheierii unei conexiuni pentru a încerca reluarea conexiunii în cazul în care această nu s-a încheiat în urmă unei cererii specifice din partea unui alt nivel. Nivelul prezentare este cel care oferă nivelului aplicație sintaxa necesară incapsulării datelor. Tot nivelul prezentare se ocupă și de criptarea datelor atunci când aplicația cere acest lucru. Ultimul nivel al stivei OSI, nivelul aplicație, este cel mai apropiat de utilizatorul final și este puternic dependent de necesitătile utilizatorului. Exemple de protocoale de nivel aplicație: HTTP (Hypertext Transfer Protocol), DNS (Domain name System), Telnet. Important de menționat despre modelul OSI este faptul că protocoalele de pe fiecare nivel sunt puternic dependențe de protocoalele de pe nivelele inferioare. Spre exemplu, un protocol de pe nivelul 3, un protocol de rutarea informației, care prezintă un grad mare de predictibilitate și care depinde de un protocol de acces la mediu de nivel 2 și 1 care nu are mecanisme ce îi conferă predictibilitate atunci nici protocolul de rutare în cauză nu va fi predictibil. Dat fiind faptul că nodurile unei rețele de senzori wireless sunt sisteme embedded sărace în resurse, protocoalele de comunicație nu respectă ad litteram acest model atât din considerentul că în acest caz poate nu sunt necesare toate nivelele cât și din cauza resurselor puține. De asemenea, protocoalele ce se folosesc în acest tip de rețele trebuie să tină cont de resursele puține oferite de platformă ceea ce face imposibilă folosirea unor protocoale existențe pentru sisteme de calcul clasice, protocoale ce pot rezolvă multe din problemele dintr-o rețea cum ar fi spre exemplu obiectul acestei lucrări, comunicarea în timp real.

24 2.2. Clasificare 2.2.1. Protocolul Mac Protocolul MAC (Medium Access Control) implementează un set de reguli prin care se controlează accesul dispozitivelor la canalul de comunicație comun. În cadrul nivelelor OSI, protocolul MAC se află pe nivelul 2 (nivelul legăturii de date) [7].
Figura 2.2. Nivelul protocolului MAC [8] Pe acest nivel este definit setul de reguli ce vizează numai transferul datelor la un hop distanță, reguli ce vizează accesul la canal și sincronizarea cu nodurile vecine. Un hop reprezintă distanța între un nod și un vecin de-al său.
Figura 2.3. Comunicare 1 hop distanță [8] În funcție de caracteristicile rețelei de senzori ce necesită a fi implementată, protocolul MAC are o altă configurație. Există anumite criterii după care se poate clasifica acest protocol: • După numărul de canale utilizate la comunicare; • După modalitatea realizării sincronizării transferului de date; • După modalitatea recepției datelor.

25 2.2.2. Protocoale de comunicare cu criteriu pe canale Comunicarea unicanal presupune existența unui canal comun de comunicație pentru toate nodurile rețelei, centrat pe aceeași frecevnță f0 și având lățimea de bandă Δf. Astfel, accesul la canal devine secvențial. Protocolul TDMA (Time Division Multiple Access) definește accesul la canalul de comunicație prin divizarea timpului. Un cadru de comunicare (TDMA Frame) definește timpul în care toți utilizatorii comuni ai canalului realizează transferul de date. Fiecărui utilizator îi este atribuit un interval de timp (time slot) în care poate comunica, după care lasă canalul liber pentru următorul utilizator.
Figura 2.4. Protocolul TDMA [8] Pentru comunicarea multicanal intr-o anumită bandă de frecvență dată, se pot defini mai multe canale de comunicație, astfel încât nodurile să poată transmite în paralel, fără a exista interferențe sau coliziuni. În cadrul protocolului MAC, comunicarea multicanal se poate realiza în două moduri. Protocolul FDMA (Frequency Division Multiple Access) presupune împărțirea benzii de frecvență disponibilă în cadrul rețelei în mai multe sub-benzi. Astfel, se pot realiza transferuri paralele de date pe fiecare sub-bandă, mărindu-se capacitatea de transfer a rețelei. Un dezavantaj al acestei implementări este că, în cazul în care aceste sub-benzi sunt prea mici, este nevoie de filtre performante pentru a putea accesa informația de pe un anumit canal, fapt ce crește gradul de complexitate hardware a nodurilor.
Figura 2.5. Protocolul FDMA [8]

26 Protocolul CDMA (Code Division Multiple Access) implementează accesul multiplu la canal prin multiplicarea informației transmise cu semnale cod predefinite. Tb reprezintă durata unui bit a secvenței de date. Acest bit este codat, prin operație XOR, cu o secvență cod cu durata unui bit Tc (Tc < Tb), astfel crescându-se lărgimea de bandă, ce duce la creșterea capacității de transfer a rețelei. Raportul Tb / Tc reprezintă factorul cu care lărgimea de bandă crește și, implicit, numărul de transmisiuni paralele ce se pot realiza pe același canal. Secvențele de date multiplicate XOR cu o secvență cod sunt decodate la recepție pe baza aceluiași cod. Astfel, mai multe canale paralele se pot defini, fiecare canal având propriul cod.
Figura 2.6. Protocolul CDMA [8] Toate aceste canale au aceeași frecvență centrală (frecvența semnalului cod) și astfel apare interferența secvențelor transmise. Pentru ca decodarea să se realizeze corect, toți vectorii asociați secvențelor de cod utilizate la codarea secvențelor de date trebuie să prezinte proprietatea de ortogonalitate. 2.2.3. Protocoale de comunicare cu criteriu de sincronizare În cadrul tipurilor de protocoale aleatoare, comunicarea între noduri este nesincronizată. Nodurile nu știu când vor primi mesaje și nici când alte noduri doresc să transmită date concomitent pe același canal. Protocolul CSMA (Carrier Sense Multiple Access) implementează transferul de date prin analiza canalului. Înainte de a transmite, nodurile ascultă canalul și detectează dacă acesta este liber. Dacă este liber, atunci ele încep transmisia, dacă nu, reîncearcă după o perioadă predefinită de timp. Problema acestei implementări este că se pot produce coliziuni. Două noduri pot detecta în același timp canalul liber și astfel să inițieze simultan transferul de date (nodurile A și C). Întrucât ele nu se detectează reciproc, fiind prea îndepărtate unul de celălalt, în nodul B se va produce coliziunea celor două mesaje.

27 Figura 2.7. Protocolul CSMA [8] Protocolul CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) rezolvă aproape în totalitate problema coliziunilor. Pentru a avea acces la canal, nodurile transmit o cerere de transfer de date (Request To Send) către nodul destinație. În cazul în care acesta nu este deja angajat într-un proces de recepție de date, el va răspunde cu un mesaj de acceptare a cererii (Clear To Send). Astfel, canalul este rezervat nodului ce a inițiat cererea și acesta poate transmite mesajul. La sfârșit, nodul receptor va confirma recepția corectă a datelor printr-un semnal ACK (Acknowledge).
Figura 2.8. Protocolul CSMA/CA [8] Protocoalele bazate pe sloturi implementează un nivel redus de sincronizare între noduri, scăzând probabilitatea apariției coliziunilor, dar neeliminând total această problemă. Nodurile comunică între ele numai în anumite perioade de timp predefinite (sloturi), perioade sincronizate în prealabil prin mesaje de sincronizare. Protocolul S-MAC (Sensor-MAC) utilizează pachete SYNC de sincronizare între noduri. Fiecare nod transmite vecinilor săi un pachet SYNC cu intervalele proprii de comunicare, nodurile vecine sincronizându-și propriile intervale cu acesta. După ce această perioadă de sincronizare se încheie, nodurile rămân în stare activă, efectuând măsurători și transferuri de date. Din cauza faptului că această metodă de sincronizare nu este riguroasă, probabilitatea apariției de coliziuni este încă de luat în calcul. După perioada activă, nodurile trec într-o perioadă de inactivitate, pentru a eficientiza consumul energetic. Figura 2.9. Protocolul S-MAC [8]

28 În cadrul comunicării bazate pe cadre se atinge nivelul cel mai complex și performant al sincronizării, în care majoritatea problemelor sunt rezolvate. Protocolul TDMA (Time Division Multiple Access) utilizează structura de cadre de timp pentru a realiza comunicarea în cadrul unei rețele. Acest tip de protocol se poate implementa în cadrul unor rețele cu grad ridicat de organizare, în care există un coordonator ce se ocupă de administrarea acesteia. Fiecare cadru de comunicare este format din: • Perioadă de control al traficului, în care toate nodurile rețelei sunt informate de către coordonator asupra intervalului propriu în care vor transmite și recepționa date; • Perioadă de recepție, în care nodurile vor avea acces secvențial la canal pentru a primi date; • Perioadă de transmisie, în care nodurile vor avea acces secvențial la canal pentru a transmite date; • Perioadă de înregistrare, în care noi noduri se pot alătura rețelei.
Figura 2.10. Protocolul TDMA [8] 2.2.4. Protocoale de comunicare cu criteriu de recepție În cadrul tipului de protocoale aleatoare, recepția mesajelor de către noduri este aleatoare, acestea necunoscând dinainte momentul în care le sunt destinate mesaje. Acest fapt duce la o ascultare continuă a canalului de comunicație, lucru ineficient din punct de vedere al consumului energetic. Din protocoalele prezentate anterior, în această categorie se înscriu protocoalele CSMA, CSMA/CA, CDMA și FDMA [8]. În cadrul tipului de protocoale wake-up, pentru a optimiza procesul de recepție a datelor, se poate implementa, la nivel hardware, o antenă secundară, proiectată special pentru a trezi nodul. Antena este una de putere redusă, iar semnalul de trezire este de tip ton, cu o putere suficientă pentru a alimenta circuitul de trezire al nodului receptor. Odată activ, nodul poate recepționa la capacitate maximă datele ce îi sunt destinate. Pentru protocoalele cu recepție programată, nodurile au un program predefinit în care receptionează date. Astfel, ascultarea inutilă a canalului este eliminată. Din protocoalele menționate, în această categorie se înscriu protocoalele TDMA și S-MAC.

29 2.3. Protocoale de comunicații wireless Sistemele radio (wireless) includ o varietate de categorii de rețele de voce și de date ce permit utilizatorilor stabilirea unor conexiuni pe distanțe mai lungi sau mai scurte funcție de aria de serviciu acoperită [9]. Ca și în cazul sistemelor de comuncații cablate, funcție de aria de acoperire, sistemele wireless pot fi clasificate în câteva categorii, și anume: • WWANs (Wireless Wide Area Networks) – Rețele wireless regionale. Tehnologiile de tip WWAN permit conexiuni wireless distante, peste rețele publice sau private. Aceste conexiuni pot fi stabilite și menținute peste arii geografice exinse cum ar fi orașe sau țări, prin amplasarea unor sisteme de antene sau utilizarea unor sisteme de comunicații prin satelit. Dintre tehnologiile WWAN amintim: generația de sisteme 2G cu exponenții săi GSM (Global System for Mobile Communications) și CDMA (Code Division Multiple Access), generația de sisteme 2.5G și generația de sisteme 3G. Această categorie de sisteme poate fi înglogată în ceea ce numim rețeaua terestră wireless WAN. Pe lângă aceste sisteme, în cadrul rețelelor wireless regionale este inclusă rețeaua spațială wireless WAN, rețeaua salelitară. • WMANs (Wireless Metropolitan Area Networks) – Rețele wireless metropolitane Tehnologiile de tip WMAN permit conexiuni între locații multiple ale unei zone metropolitane (între clădirile unui oraș sau campus universitar). Dintre tehnologiile WMAN amintim: WiMAX (Worldwide interoperability for Microwave Access – IEEE 802.16), ETSI BRAN (Broadband Radio Access Networks) HiperMAN (HIgh PERformance Radio Metropolitan Area Networks), ETSI BRAN HiperACCESS (High PERformance Radio ACCESS), MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service) și LMDS (Local Multipoint Distribution Services). • WLANs (Wireless Local Area Networks) – Rețele wireless locale Tehnologiile de tip WLAN permit conexiuni wireless în interiorul unei arii locale (al unei cladiri sau spațiu public). Dintre tehnologiile WLAN amintim: WiFi (Wireless Fidelity), ETSI HiperLAN1 (HIgh PERformance Local Area Networks – Type 1), ETSI HiperLAN2 (HIgh PERformance Local Area Networks – Type 2). • WPANs (Wireless Personal Area Networks) – Rețele wireless personale Tehnologiile de tip WPAN permit conexiuni wireless de tip ad-hoc utilizate în așa numitul spațiu de operare personal (POS – Personal Operating Space) care nu depășește distanța de 10 metri. Dintre tehnologiile WPAN amintim: Bluetooth, IR (InfraRed) și WPAN (Wireless Personal Area Networks – IEEE 802.15). Este greu de intuit și totodată de specificat care va fi tehnologia viitorului, specificarea unui singur standard de acces wireless. Este însă sigur faptul că această rețea de acces va fi una strâns corelată conceptului de rețea heterogenă incluzând un număr mare de tehnologii și arhitecturi de acces wireless, a cărei infrastructui multimedia va fi cu siguranță stiva de protocoale IP [10]. În acest scenariu, este evident faptul că sistemele de comunicații wireless, celulare sau non-celulare, terestre și spațiale, de bandă ingustă sau de bandă largă, vor coexista în cadrul acestei rețele heterogene oferind conexiuni oriunde, oricând, pentru diferite categorii de utilizatori, nomadici sau mobili.

30 2.4. Tipuri de comunicații wireless 2.4.1. Comunicația Bluetooth Comunicațiile Bluetooth sunt un standard de comunicație pentru dispozitive mobile, standard care se aplică pe distante mai mari decât în cazul comunicațiilor în infraroșu. Sistemul Bluetooth este cel mai adecvat atunci când distanță emitător/receptor este scurtă, rată de transfer este mare, iar puterea consumată trebuie mentinută cât mai scăzută [11]. Ideea ce a dat naștere tehnologiei wireless Bluetooth a apărut în 1994 când compania Ericsson Mobile Communications a decis investigarea fezabilității unei interfețe radio de mică putere și cost redus între telefoanele mobile și accesoriile acestora. Specificațiile Bluetooth sunt practic acoperite de standardul IEEE 802.15.1 (astfel se justifică termenul „standardul Bluetooth”) și reprezintă una dintre cele mai avansate tehnologii de comunicație fără fir. Cu putere mare de transfer al datelor și consum foarte scăzut de energie, acționând pe distante mici, de la 1m la 100m și numai "indoor", Bluetooth se afirmă că fiind mijlocul prin care toate echipamentele care ne înconjoară pot interacționa. Bluetooth prezintă o tehnologie pentru distante scurte cu costuri reduse, vizând crearea unor rețele personale (PÂN-Personal Area Nework). Principalele tipuri de aplicații ale Bluetooth sunt: • controlul wireless al comunicării între telefonul celular și căștile hands free sau căr kitul; această aplicație a devenit cea mai populară; • rețea wireless între calculatoare într-un spațiu limitat și cerințe mici de lungime de bandă, aici putând include și cazul PC-robot; • comunicație wireless între dispozitivele de intrare și ieșire ale unui calculator, cele mai întâlnite fiind mouse-ul,tastatură sau imprimanta; • înlocuirea comunicării tradiționale seriale prin fir în echipamentele de test, receptoeul GPS și echipamente medicale; • pentru controale unde infraroșul era folosit; • controlul wireless al consolei de jocuri – Nintendo’s Wii și Sony’s Playstation 3 folosesc tehnologia Bluetooth pentru consolele lor wireless. Pentru a putea analiză eficient soluțiile fără fir (wireless), este utilă comparația cu alte tehnologii [11]: • este îndreptată către aplicații de voce și date; • operează în spectrul 2.4GHz; • funcționează pe o distanță de la 1m la 100 m; • este capabilă să treacă prin obiecte solide, este omnidirecționala și nu necesită o poziționare în linie cu celelalte dispozitive pentru conectare; • securitatea este și va fi o prioritate în dezvoltare; • costul unui chip este mic, nu necesită adrese de rețea, aprobări și celelalte setări pentru o rețea tipică de Internet; Sistemul de comunicație Bluetooth a fost proiectat cu scopul de a conecta mai multe dispozitive pentru a implenta o rețea mică și de aceea protocolul care dictează regulile de comunicație are în vedere o arhitectură de tip master-slave.

31 2.4.2. Protocolul ZigBee Transmisia ZigBee este o transmisie wireless mai ieftină decât Bluetooth, asigură un consum mai redus de energie și dimensiuni mici dar asigură și un debit mai mic de date. Numele se pare că provine de la zborul în zig zag al albinelor care își transmit date referitoare la poziția sursei de hrană. Acest tip de transmisie se pretează la aplicații de tip rețea de senzori (rețele mesh) [12]. Prima apariție a ZigBee a fost în 1998, ca urmare a nevoii de o interfață mai ieftină decât Bluetooth pentru aplicații cu mulți senzori în care rețeaua se autoconfigurează la intrarea sau ieșirea unor senzori din activitate. Ca aplicații se pot menționa sisteme de senzori în domeniul casnic (incendiu, fum etc.), industrial, medical pentru urmărirea datelor provenite de la un pacient, în telecomunicații etc. Banda alocată este 2,4GHz, dar și alte 2 benzi folosite în diferite țări. Modulația este în cuadratură, QPSK și asigură 250kbps la o distanță uzual până la 70m. Intervalul de bandă folosit este între 2,405GHz și 2,480GHz, împărțit în canale de 5MHz. Modulele ZigBee pot lucra în modul punct la punct sau punct la multipunct. Zigbee a fost standardizat de IEEE cu numele IEEE 802.15.4. XBee asigură o rată de transfer de 250kbps la distanțe de maximum 100m în spații închise și 1,6km în spații fără obstacole, iar datele sunt furnizate printr-o interfață serială care admite și comenzi AT, viteze posibile fiind între 1200bps și 1Mbps. Comunicarea radio poate fi criptată (AES) iar corectitudinea transmisiei este asigurată de un mecanism de confirmare (ACK) și reîncercare. Puterea de emisie este de maximum 50mW (17dBm) la 2,4GHz. Pentru legătura cu senzorii modulul are 10 pini de I/O și un canal de conversie A/D pe 10 biți. Tensiunea de alimentare poate fi între 2,1V și 3,3V, curentul maxim (în cazul transmisiei) fiind de 295mA. Există și variante de module cu consum mic și rază de transmisie mai mică. Aceste module pot realiza o rețea mesh și astfel se pot implementa rețele cu proprietăți de descoperire a noilor dispozitive, eliminarea dispozitivelor defecte etc. Astfel, modelul XBee-PRO asigură doar o comunicație punct la punct iar XBee Znet poate fi interconectat într-o rețea mesh. Modulele XBee realizează o interfață ZigBee conform standardului IEEE 802.15.4, lucrează la frecvența de 2,4GHz și sunt destinate pentru funcția de senzor în rețele wireless, având ca și caracteristici preț mic, putere consumată mică (63mW) și fiabilitate ridicată. Distanța maximă de transmisie este 30m în interior și 90m în exterior dar există module de putere mai mare care asigură transmisia pe distanțe mai mari de până la 1600m, la un debit al informației de 250kbps. Standardul 802.15.4 specifică faptul că poate avea loc comunicarea în benzile 868 – 868.8MHz, 902-928 MHz sau 2.400 – 2.4835GHz, pentru uz industrial, științific și medical (ISM). În timp ce oricare dintre aceste benzi poate fi folosită sub aspect tehnic de dispozitive ce satisfac standardul 802.15.4, banda 2.4GHz este mai populară, fiindcă aceasta este deschisă în cele mai multe țări din întreaga lume [13]. Rețeaua ZigBee este numită rețea personală sau PAN (Personal Area Network). Fiecare rețea este definită cu un identificator unic PAN (PAN ID). Acest identificator este comun între toate dispozitivele din aceeași rețea. Dispozitivele ZigBee sunt fie preconfigurate cu un identificator PAN ID ca să se alăture, fie ele pot des-coperi rețele din jur și selectează un PAN ID să se alăture. În cazul în care mai multe rețele ZigBee funcționează într-o arie comună în care se acoperă una pe cealaltă, fiecare ar trebui să aibă câte un PAN ID. Protocolul ZigBee definește trei tipuri de dispozitive: Coordonator, Router și Dispozitive finale.

32
Figura 2.11. Tipuri de dispozitive in rețeaua ZigBee [12] În rețele ZigBee, coordonatorul trebuie să selecteze un PAN ID și un canal pentru a da start la o rețea. După aceea, se comportă în esență, ca un router. Coordonatorul și Routere-le pot permite altor dispo-zi-tive să se alăture rețelei și pot ruta date pe traseu. După ce un dispozitiv final se alătură la un router sau coordonator, acesta trebuie să fie capabil de a transmite sau primi date RF prin acest router sau coordonator. Router-ul sau coordonatorul, care a permis unui dispozitiv final să se alăture devine “părinte” al dispozitivului final. Deoarece, dispozitivul final poate dormi, părintele trebuie să fie capabil să preia și să rețină pachetele de date primite, dar destinate dispozitivului final, până când dispozitivul final este capabil să se trezească și să primească date. Un Coordonator selectează un canal și PAN ID-ul (ambele 64-biți și 16-biți) pentru a porni o rețea, permite ca routere și dispozitive finale să se alăture rețelei, ajută la rutare de date și rebuie să fie alimentat de la rețea. Router-ul trebuie să se alăture unei rețele ZigBee PAN înainte de a putea transmite, primi sau ruta date, după aderare poate permite ca routere-le și dispozitivele finale să se alăture rețelei, ajuta în rutarea datelor și trebuie să fie alimentat de la rețea. Un Dispozitiv final trebuie să se alăture unei rețele ZigBee PAN înainte de a putea transmite sau primi date, nu poate permite dispozitivelor să se alăture rețelei, trebuie întotdeauna să transmită și să primească date RF prin părinte. Nu poate ruta date, poate intra în moduri de mic consum de putere pentru a conserva energia și poate fi alimentat cu baterie. Ca și exemplu pentru folosirea protocolului ZigBee în aplicații cu noduri senzoriale, voi prezenta câteva caracteristici care avantajează acest protocol. Rețeaua cu ZigBee se auto-organizează, fiind necesar un minim de intervenție al utilizatorului sau al administratorului, în momentul configurării inițiale. Intervențiile ulterioare sunt necesare doar în situații cu probleme majore, în care se defectează un număr foarte mare de noduri sau în cazul în care sunt șterse și resetate configurațiile ce rulează. Rețelele organizate de către ZigBee pot fi atât de tip mulți-hop, stea (star), cât și de tip mesh (plasă). În cadrul unei rețele ZigBee, dispozitivele au două moduri în care pot funcționa: dispozitiv complet funcțional (FFD) sau dispozitiv cu funcționare redusă (RFD). Dispozitivele FFD pot îndeplini trei roluri în cadrul unei rețele: coordonator al PAN, coordonator sau periferic. Un dispozitiv FFD poate comunica în activ cu alte FFD-uri sau cu alte RFD-uri, în timp ce un dispozitiv RFD poate comunica doar cu alte dispozitive FFD [14]. Nodurile ce îndeplinesc rolul

33 de dispozitiv cu funcționare redusă au scopuri mai puțin importante în cadrul unei rețele – de cele mai multe ori, au un rol pasiv (întrerupător, senzor pasiv cu infraroșu). Nu au necesitatea de a transmite cantități mari de date și pot comunica cu un singur DCF într-un moment de timp, dar pot face trecerea de la unul la altul. După ce un nod complet funcțional a fost activat pentru prima oară, este capabil să își formeze propria rețea și să devină coordonator de PAN, formând o rețea stea. Mai multe rețele de tip stea pot opera independent unele de celelalte, separându-se cu ajutorul unui identificator al rețelei, unic în spațiul radio de operare. Odată ce a fost ales un identificator pentru PAN, coordonatorul poate permite conectarea altor noduri în cadrul rețelei [12]. 2.4.3. Tehnologia Wi-Fi Wi-Fi este o tehnologie radio folosită deseori la implementarea rețelelor locale de calculatoare de tip rețea locală fără fir (Wireless Local Area Network, WLAN) Acesta aparține de Wi-Fi Alliance, care isi propune sa imbunatateasca interoperabilitatea dintre echipamentele wireless dintr-o retea locala bazandu-se pe standardele IEEE 802.11 [15]. Cele mai cunoscute aplicații ale Wi-Fi sunt accesul telefoanelor la internet și VOIP, jocuri și conectivitatea la rețea a echipamentelor electronice cum sunt televizoarele, DVD-player-ele și camerele digitale. Wi-Fi Alliance este compania care certifica produsele după un set de țeste pentru a determină interoperabilitatea. Tehnologia Wi-Fi oferă posibilitatea PC-urilor, consolelor pentru jocuri, telefoanelor celulare, MP-3 playere-lor, PDA-urilor să se concecteze la internet când acestea se află într-o arie de acoperire a unei rețele wirelles conectată la internet. Zonă delimitată de unul sau mai multe acces point-uri este numită „hotspot”. Hotspot-urile pot acoperi suprafețe de la o cameră delimita de pereți până la câțiva kilometri acoperiți de puncte de acces înlănțuite. Wi-Fi este folosită pentru a creă o rețea largă care poate acoperi chiar un oraș întreg, cum este de exemplu cazul Londrei. Această rețea poate fi folosită de toți cetățenii. Wi-fi permite conectarea în mod punct-la-punct, ceea ce da posibilitatea echipamtelor să se conecteze direct unul cu altul. Această conectare este utilă în conexiunea echipamentelor electrocasnice și a aplicațiilor pentru jocuri. Modurile rețelei folosesc secvențe de numere pentru a asigură actualizarea rutelor prin diverse protocoale. Această operație este scalabilă pentru un număr mare de noduri și se autogenereaza. Nodurile rețelei wireless construiesc rute utilizând cicluri de renegociere a conexiunilor. Când un nod dorește să se conecteze la un alt nod pentru care nu are deja o rută, trimite un pachet de request tuturor nodurilor din rețea, iar tabela de routare este modificată. Când a fost lansată tehnologia s-au întâmpinat multe probleme deoarece existau clienți care nu erau siguri că produsele de la diverși producători sunt compatibile. Wi-Fi Alliance a creat brandul Wi-Fi Certified care arată consumatorilor că produsele sunt compatibile cu alte produse chiar dacă nu sunt ale aceluiași producător. Multe produse de larg consum folosesc tehnologi Wi-Fi. Printre altele, computerele personale se pot interconecta între ele și se pot conecta la internet, laptopurile se pot conecta la internet prin Wi-Fi hotspot, iar camerele digitale pot transfera imaginile wirelles. Routerele care au incorporate un modem DSL sau modem de cablu și un punct de acces Wi-Fi sunt adesea folosite în locuințe și asigură accesul la intenet și interconectarea cu toate echipamentele care sunt conectate wireles sau prin cablu la aceste routere. Echipamentele care suportă Wi-Fi se pot conecta între ele fără să mai treacă printr-un router [16].

34 O rețea Wi-Fi conține cel puțin 2 interfețe wireless lucrând conform specificațiilor 802.11. Rețeaua poate fi chiar și un laptop conectat la un alt laptop sau server (denumită într-o astfel de conjunctură și rețea ad-hoc); poate fi de asemenea constituită dintr-un număr de dispozitive wireless conectate între ele sau la un punct de acces al unei rețele. Rețelele Wi-Fi pot fi configurate în mai multe topologii [17]: • topologia punct la punct; • topologia punct la multipunct (mod bridge); • topologia bazată pe puncte de acces (modul infrastructură); • topologia în perechi (modul ad-hoc); • topologia mesh. Topologia punct la punct, constă în conectarea prin intermediul unei legături punct la punct, PTP. Printr-o legătură PTP se pot conecta direct clădiri și ca urmare elimina costurile aferente liniilor închiriate. Topologia punct la multipunct, PMP, permite unui set de noduri să partajeze o conexiune cu un nod singular central, soluțiile PMP fiind mai economice decât PTP, deoarece în momentul în care noi noduri dispunând de o cale de comunicație în vizibilitate directă cu nodul central sunt adăugate rețelei, nu este necesară efectuarea de modificări la stația de bază. O astfel de soluție se practică pentru conectarea unei clădiri centrale cu alte clădiri adiacente (spre exemplu într-un campus, oraș sau cartier). Topologia bazată pe puncte de acces AP: într-o astfel de rețea, clienții comunică prin intermediul punctelor de acces care asigură acoperirea radio a zonei. De regulă, se utilizează mai multe puncte de acces wireless amplasate astfel încât zonele acoperite să se suprapună 10÷15% pentru a permite roaming-ul. Topologia în perechi (modul ad-hoc): într-o astfel de rețea, dispozitivele client pot comunica direct unele cu altele, deci punctele de acces wireless nu sunt necesare. Rețeaua ad-hoc permite dispozitivelor client să comunice direct unele cu altele, fără a fi nevoie de existența unui dispozitiv de supervizare cum ar fi routerul. O caracteristică a acestei rețele este aceea că orice nod al rețelei (în particular, un computer) poate deveni membru sau poate părăsi rețeaua oricând, acest fapt putând constitui atât o calitate (reconfigurabilitate facilă a rețelei), cât și o lacună (nu se cunoaște exact numărul membrilor rețelei și identitatea lor). Topologia mesh poate crea rețele ce utilizează conexiuni folosind mai multe noduri intermediare pentru transmiterea pachetelor IP între nodul inițiator și cel de destinație. Abilitatea de a utiliza căi diferite de propagare, în funcție de condițiile specifice (interferență, limitări sau scăderi ale puteri semnalului, obstacole etc), deci redundanța căilor de propagare, permite ca topologia mesh să se constituie într-o rețea flexibilă, de încredere și eficientă din punct de vedere al utilizării lărgimii de bandă. În rețeaua wireless mesh pot fi adăugate / înlăturate noduri sau poate fi modificată locația acestora, acest fapt constituindu-se într-un avantaj major pe măsură ce mobilitatea populației crește, capabilități wireless sunt adăugate unor noi serii de dispozitive, iar necesitățile concrete comerciale sau domestice pot impune adaptarea sau reconfigurarea rețelei. Alte beneficii ale topologiei wireless mesh includ costuri inițiale reduse, traficul echilibrat, mobilitatea și disponibilitatea. În concluzie, ca urmare a analizei diferitelor soluții de configurare și având în vedere obiectivele proiectului, rețelele wireless mesh dispun de un avantaj major față de celelalte implementări din cauza faptului că rețeaua poate fi adaptată în funcție de necesități.

35 2.4.4. LoRa LoRa este introdus de Alianța LoRa ca o stivă de protocol pentru tehnologii de comunicații cu putere redusă și cu tehnologii de comunicații ale Internetului de obiecte (IoT), care sunt asociate cu transmisia în interior. Bazat pe proiecția actuală, o mare parte din aceste conexiuni vor proveni de la conexiuni fixe și de scurtă durată, cum ar fi Wifi, Bluetooth, Zigbee, Z-Wave etc. Aceste tehnologii sunt foarte potrivite pentru aplicații cu rază scurtă de acțiune, unde consumul de energie și durata de viață a bateriei sunt o problemă majoră. Conexiunile celulare vor proveni de la dispozitivele SIM și / sau e-SIM care utilizează infrastructuri și tehnologii de rețea 2G / 3G / 4G. Generațiile actuale de tehnologii celulare vor trebui să fie completate de evoluțiile celulare și tehnologiile LPWA (Low Power Wide Area) pentru a servi multe aplicații IoT noi datorită cerințelor de consum redus de energie ale dispozitivelor pentru a trimite și primi volume relativ mici de date. Dincolo de evoluțiile celulare, noua rețea de conectivitate wireless IoT, numită rețele LPWA, este bine adaptată serviciilor de asistență și cazurilor de utilizare care necesită o comunicare pe distanțe lungi (zeci de km) pentru a ajunge la dispozitive care trebuie să aibă un buget redus pentru consumul de energie. Compromisul este o rată scăzută a datelor furnizată de tehnologiile de rețea LPWA, de la 300 bps până la 5 kbps (cu bandă de 125 kHz) în modulul LoRa [18]. LoRa este o tehnologie brevetată, dezvoltată de Cycleo (Grenoble, Franța) in 2010 și achiziționată de Semtech în 2012. LoRa se bazează pe comunicațiile de radiofrecvență deschise, frecvențele diferite fiind utilizate în funcție de locații: • 430 Mhz – valabil pentru Asia; • 780 Mhz – valabil pentru China; • 433 Mhz – valabil pentru Europa; • 868 Mhz – valabil pentru Europa; • 915 Mhz – valabil pentru SUA. LoRa înseamnă Radio cu rază lungă. Tehnologia fără fir este destinată în principal rețelei IoT. Această tehnologie va permite rețelelor publice sau mai multor locatari să conecteze mai multe aplicații care rulează în aceeași rețea. Această tehnologie LoRa se va realiza pentru a dezvolta un oraș inteligent cu ajutorul senzorilor LoRa și a produselor / aplicațiilor automate. Există mulți factori care trebuie luați în considerare pentru aplicațiile Internet de obiecte (IoT), inclusiv costul nodului, costul rețelei, durata de viață a bateriei, rata de transfer de date, latența, mobilitatea, intervalul, acoperirea și modelul de implementare. Nici o singură tehnologie nu va putea rezolva simultan toți factorii. Tehnologia LoRa® are diferite calificări tehnice și comerciale, care va difuza diferite aplicații, la fel cum procedează Wi-Fi și Bluetooth (BTLE). Acest document va descrie functionalitatile tehnice ale tehnologiei LoRa și va expune caracteristicile potrivite pentru cererile pentru diferite aplicații IoT [19]. LoRa este stratul fizic sau modulația fără fir utilizată pentru a crea legătura de comunicare de lungă distanță. Multe sisteme wireless folosite utilizează modulul de schimbare a frecvenței (FSK) ca strat fizic deoarece este o modulare foarte eficientă pentru obținerea unei puteri scăzute. LoRa® se bazează pe modularea spectrului de frecvențe dispersate, care menține aceleași caracteristici de putere scăzută cu modularea FSK, dar mărește semnificativ intervalul de comunicare. Spectrul împrăștiat a fost folosit în comunicarea militară și spațială de zeci de ani, datorită distanțelor lungi de comunicare care pot fi obținute și robustețea lor la interferențe, dar LoRa® este prima implementare low-cost pentru utilizarea comercială.

36 Avantajul LoRa se află în capacitatea tehnologiei de a parcurge o lungă distanță. O singură poartă sau stație de bază poate acoperi orașe întregi sau sute de kilometri pătrați. Gama largă depinde și de mediu sau de obstacole dintr-o locație dată, insa LoRa și LoRaWAN au un buget de legătură mai mare decât orice altă tehnologie de comunicații standard. Bugetul de legături, tipic dat în decibeli (dB), este factorul primar în determinarea intervalului într-un anumit mediu [19]. O singură tehnologie nu este suficienta pentru a putea servi toate aplicațiile și volumele proiectate pentru IoT. WiFi și BTLE sunt standarde adoptate pe scară largă și servesc destul de bine aplicațiilor legate de comunicarea dispozitivelor personale. Tehnologia celulară este o potrivire excelentă pentru aplicații care au nevoie de o cantitate mare de date și au o sursă de alimentare. LPWAN oferă o durată mai lungă de viață a bateriei și este proiectată pentru senzori și aplicații care trebuie să trimită cantități mici de date pe distanțe lungi de câteva ori pe oră din diverse medii. Factorii cei mai critici într-un LPWAN sunt: • Arhitectura rețelei; • Interval de comunicare; • Durata de viață a bateriei sau consum redus de energie; • Robustitatea la interferențe; • Capacitatea rețelei (numărul maxim de noduri dintr-o rețea); • Securitatea retelei; • Comunicare unidirecțională și bidirecțională; • Varietate de aplicații servite. LoRa utilizează spectrul fără licențe, de obicei benzile ISM (industriale, științifice, medicale) pentru a comunica în aer. În Europa, ETSI reglementează accesul la banda ISM pe benzile 868 MHz și 433 MHz. Utilizarea acestor benzi este supusă unor limitări: Puterea de ieșire (EIRP) a emițătorului nu trebuie să depășească 14 dBm sau 25 mW, iar ciclul de utilizare impus în Europa de ETSI este limitat la 1% (pentru dispozitive) sau 10% ( Pentru gateway-uri) în funcție de subbanda utilizată [20] Tehnologia LoRa este ideală pentru senzori acționați de baterii și aplicații cu consum redus de energie, cum ar fi Internetul obiectelor (IoT), Machine to Machine (M2M), Smart City, rețele senzoriale, automatizarea industrială și multe altele. Tehnologia vizează aplicații cu viteză redusă de transfer de date și factori de umplere reduși, precum: măsurarea energiei, localizare, monitorizare și control infrastructură utilități, orașul inteligent și agricultură. Cu toate că este predominant utilizată pentru citirea datelor senzoriale, comunicația bidirecțională permite confirmarea în timp real a controlului de la distanță a datelor și comunicării pentru nodurile de actuatori. Arhitectura de bază a unui LoRaWAN constă din dispozitive terminale LoRa, gateway-uri LoRa și un server de rețea LoRa. Dispozitivul de terminare LoRa comunică cu gateway-urile care utilizează LoRa cu LoRaWAN. Porturile LoRa transmit pachete LoRaWAN primite de la dispozitivele terminale către un server de rețea cu o viteză mare de transfer pe baza interfeței backhaul, care este de obicei 3G sau Ethernet. În consecință, gateway-urile LoRa acționează ca o comunicație bidirecțională sau adaptor de protocol cu rețeaua LoRa Server. În acest caz, serverul de rețea LoRa se ocupă de decodarea pachetelor de date transmise de dispozitive și crearea cadrelor care ar fi direcționate înapoi către acestea [21].

37 Figura 2.12. Arhitectura hardware de referință pe care se bazează dispozitivul LoRa [21] Sursa de alimentare poate fi furnizată prin intermediul unei fișe de alimentare sau al unei baterii. MCU este microcontrolerul care gestionează toate funcționalitățile dispozitivului și implementarea stiva LoRaWAN. Radioul LoRa este compus din transmițătorul LoRa, circuitul de potrivire a antenei și antena în sine. Perifericele pot fi senzori cum ar fi accelerometrele sau senzorii de temperatură sau I / O, cum ar fi releul sau afișajul. LoRa oferă a soluție bidirecțională care se potrivește tehnologiilor WiFi sau tehnologiilor celulare de la mașină la mașină (M2M). LoRa prezintă o metodă rentabilă pentru conectarea bateriilor sau a dispozitivelor mobile la rețea sau pentru terminarea dispozitivelor. Protocolul wireless LoRa a fost folosit în diverse aplicatii pentru monitorizare, utilizând diferiți senzori, microcontrolere și protocolul wireless LoRa. Gateway-ul LoRa colectează date din nodurile LoRa pentru a construi topologia unei rețele stea și poate comunica cu un server cloud pentru o gamă larga de comunicații, cu scalabilitate ridicată. 2.5. Sintetizare Fiecare protocol în parte se prezintă cu caracteristici și avantaje ce îl recomandă pentru folosirea în diverse aplicații, dar în același timp, și cu dezavantaje pentru aplicațiile propuse în cadrul lucrării prezentate sau în cadrul proiectelor viitoare de același tip. Că o paralelă între rețelele de comunicații wireless pe care le-am abordat, cum ar fi WiFi, Bluetooth, ZigBee, care utilizează infrastructuri 2G/3G/4G și tehnologii de rețea activată, precizăm că aceste tehnologii sunt potrivite pentru transmisia de date pentru rază scurtă de acțiune și pentru aplicații în care consumul de energie și de viată a bateriei nu este o problemă majoră. Zigbee și energia redusă Bluetooth sunt proiectate pentru dispozitive cu baterie. Aceste tehnologii economisesc energie prin ciclul de funcționare redus și intră în modul de repaus pentru a prelungi durată de viată a bateriei. Clasic BT, WiFi, GPRS și Lora au un consum de energie mai mare decât ZigBee. Cu toate că ZigBee are o gamă de comunicații mai scurtă decât Lora și GPRS, această gamă poate fi extinsă cu un nod de router pentru a depăsi limitele de implementare a nodurilor în aplicațiile agricole. Bluetooth depăseste performanță ZigBee în ceea ce privește consumul de energie, însă este limitat în aplicațiile de monotorizare datorită distanței scurte de comunicare de 10 m. Actualele generații de tehnologii wireless vor trebui să fie completate de evoluțiile tehnologiei LPWA (Low Power Wide Area), pentru a servi cât mai multor aplicații noi, datorită

38 cerințelor cu consum redus de energie pentru dispozitive pentru a trimite și a primi un volum relativ redus de date. Nouă familie de conectivitate wireless, numită rețele LPWA este foarte potrivită pentru servicii de sprijin și cazuri de utilizare care au nevoie de comunicare pe o rază lungă (zeci de km), pentru a ajunge la dispozitive care trebuie să aibă un consum redus de energie, în scopul de a operă mai mulți ani de la distantă, pe un singur pachet de baterii. Compromisul este o rată scăzută a datelor livrate de tehnologii de rețea LPWA, de la 300 de puncte de bază pană la 5 kbps (cu 125 khz bandwith). Protocolul wireless Lora a fost adoptat în multe studii de monotorizare pe distante mari, deoarece acoperă o zonă de comunicații mare, cu consum redus de energie. Prin urmare, această poate fi desfăsurată în mod adecvat în diferite aplicații de monotorizare. Protocolul LoRaWAN include, de asemenea, mai multe caracteristici cheie de rețea fără fir, cum ar fi criptarea E2E și de securitatea de adaptare a datelor, optimizarea raței, calitatea serviciilor, precum și alte aplicații avansate de comunicare. Acesta vizează transmisia de date pe distante medii și mari, capabil să atingă o rază de acțiune de pană la 10 mile (aprox. 16 km) și 10 ani durată de viată a bateriilor.
Figura 2.13. Puterea de consum și distanta de comunicare pentru diferite tehnologii wireless [22] Din această sintează și din rezultatele comparative prezentate în figura 2.12., protocolul Lora a fost identificat ca fiind cel mai potrivit protocol wireless pentru aplicațiile de monotorizare și transmisie de date din cauza consumului redus de energie, mărime mică, implementare usoară a rețelei, simplitate, latentă redusă, scalabilitate și dimensiune de rețea. Pe scurt, el poate să fie folosit la scară mare, având nevoie de o configurare corectă și la început, astfel încât să reziste diverselor mici probleme ce pot interveni, putând ulterior să funcționeze o durată foarte lungă de timp fără intervenția unui administrator. În principiu, nu am ales folosirea Bluetooth sau Wi-Fi deoarece consumul de energie ridicat ar fi făcut protocolul inadecvat pentru lucrul în cadrul rețelelor de senzori. De asemenea, aceste protocoale nu permit conexiunea între prea multe dispozitive. Mai mult decât atât, pentru a permite o conectare de tip point – to – multipoint, dispozitivele trebuie să ruleze un software care consumă mai multe resurse hardware interne, iar consumul acestora crește pe măsură ce crește și numărul de dispozitive conectare. Lora permite acest tip de conexiuni în mod implicit.

39 3. TEHNOLOGIA LoRa ȘI LEGĂTURA CU IoT 3.1. Internetul Obiectelor Internetul obiectelor (IoT) este o colecție de obiecte conectate, care încorporează protocoale electronice, software, senzori și conectivitate wireless care colectează și schimbă informații cu aplicații prin intermediul rețelelor wireless conectate la Internet. Internetul obiectelor permite obiectelor conectate să comunice de la distanță și să fie controlate de la distanță prin aplicații prin utilizarea infrastructurilor de internet existente, combinate cu sisteme de comunicații fără fir optimizate. Se permite o integrare directă și o comunicare între lumea fizică și cea digitală [23]. Se așteaptă ca IoT să producă o cantitate masivă de informații care vor fi utilizate pentru optimizarea consumului de toate tipurile de resurse și pentru îmbunătățirea eficienței sistemelor din ce în ce mai interconectate. Internetul va spori, de asemenea, sau crea noi servicii pentru a aduce valoare durabilă întreprinderilor, consumatorilor și mediului general. Astăzi, Internetul obiectelor afectează deja modelele de afaceri ale multor industrii și servicii, cum ar fi electronice de consum, automobile, utilități, gestionarea instalațiilor, clădiri inteligente, orașe conectate, e-sănătate, lanțuri de aprovizionare sau aplicații de fabricație.
Figura 3.1. Aplicații IoT [23]

40 3.2. Protocolul LoRaWAN LoRaWAN (Rețea cu rază lungă de acțiune pe distanțe lungi) este un protocol radio avansat, dezvoltat special pentru senzori alimentați cu baterii, care funcționează în universul IoT. Permite monitorilor SteamIQ să comunice cu serverul de rețea pe distanțe incredibile, cu consum redus de energie și dependență zero față de infrastructura rețelei gazdă. În testarile realizate, semnalele de monitorizare sunt capabile să fie cu ușurință subterane, prin mai multi pereți și podele din beton și pătrund prin carcase din bobine de oțel AHU de pe acoperiș. LoRaWAN înseamnă renuntatea la rețea, IT, cabluri, schimbări de baterii, WiFi sau configurație [24].
Figura 3.2. Arhitectura LoRaWAN [24] LoRaWAN este un protocol de radio transmișii prin care se formează rețele de obiecte inteligențe. Reteau constituită folosește o topologie star-of-stars, cu gateway-uri servind drept bridge-uri transparente, care transmit mesajele între senzori și serverul central. Gateway-urile se conectează la rețea prin legături tradiționale IP, iar dispozitivele cu senzorii folosesc comunicația wireless de un singur hop către unul sau mai multe gateway-uri. Structura este similară unei rețele de telefonie mobilă, dar în loc de a avea o singură rețea interconectată, Lora permite implementarea mai multor rețele independente peste aceeași infrastructură. Figura 3.3. Specificațiile de funcționare ale protocolului de transimisie în radio frecvență LoRaWAN [23]

41 Mai jos sunt prezentate elementele din care este compus un sistem “end-to-end” LoRaWAN: • nodurile – reprezinta elementele rețelei LoRa care monitorizeaza și controleaza infrastructura data (senzori pentru parcari, contoare inteligente, dispozitive de telgestiune a sistemelor de iluminat etc.). Acestea sunt de obicei situate la distanță. • statia de baza (Gateway) LoRa – este poarta de acces prin care primește datele de la noduri prin protocolul LoRaWAN și apoi le transferă prin internet la serverul de rețea. Conexiunea la serverul de rețea LoRa poate fi Ethernet, celulară sau orice alte legături de telecomunicații cu fir sau fără fir care ofer conexiune la internet. Statiile de baza sunt conectate la serverul de rețea folosind conexiuni IP standard. Pe aceasta cale datele utilizează un protocol standard, care poate fi conectat la orice rețea de telecomunicații, indiferent dacă este publică sau privată. Având în vedere similitudinea unei rețele LoRa cu o rețea de telefonie mobila, statiile de baza LoRa pot fi adesea co-locate cu o stație de bază celulară. În acest fel, pot utiliza capacitatea de rezervă a statie celulare pentru transmisia datelor catre serverul de rețea. • serverul de rețea (network server) – serverul de rețea LoRa gestionează rețeaua. Serverul de rețea acționează pentru a elimina pachete duplicate, programe de recunoaștere, și controleaza viteza de transmisie a datelor. Având în vedere modul în care acesta poate fi implementat și conectat, complexitatea implementarii unei retele LoRa este foarte scazuta. • serverul de aplicații – din acest server se pot accesa aplicațiile care consuma datele de la noduri și le afiseaza în asa fel incat sa ofere informatiile cele mai relevante pentru client. Mai mult de atat, LoRa permitand comunicarea bi-directionala intre noduri și serverul de rețea, se pot trimite comenzi de la distanta catre noduri, aceste comenzi pot fi de gestiune a nodurilor (actualizarea softului de la distanta), dar și de control a unor elemente dintr-un sistem (ex. inchiderea/deschidere unei usi de la distanta).
Figura 3.4. Arhitectură de referință pentru LoRaWAN [23]

42 Comunicarea între dispozitive finale și gateway-uri se întinde pe canale de frecvență diferite și rate de date. Selectarea ratei de date este un compromis între intervalul de comunicare și durata mesajului. Datorită tehnologiei de spectru larg, comunicarea cu diferite rate de date care nu interferează unele cu altele și intentia de a crea un set de canale "virtuale", crește capacitățile gateway-ului. Ratele de date LoRaWAN variază de la 0,3 kbps la 50 kbps. Pentru a maximiza atât rata de viață a bateriei dispozitivelor, cat și capacitatea generală de rețea, serverul de rețea LoRaWAN gestionează rata de date și de ieșire RF pentru fiecare capăt individual al dispozitivului, prin intermediul unui sistem de rată de date de adaptare (ADR) [25]. Rețelele naționale largi de direcționare pe internetul de obiecte, cum ar fi infrastructura critică, datele personale confidențiale sau funcții critice pentru societatea, au nevoie specială de comunicare securizată. Acest lucru a fost rezolvat prin mai multe straturi de criptare: • cheie de rețea unică (EUI64) și pentru a asigura securitatea la nivel de rețea; • tasta aplicație unică (EUI64) asigură un capăt la altul de securitate la nivel de aplicație; • tasta specifică Dispozitiv (EUI128). LoRaWAN are mai multe clase diferite de dispozitive end-point pentru a răspunde diferitelor nevoi reflectate în gama largă de aplicații: • dispozitive end-point Bi-direcționale (clasa A): dispozitivele end-point din clasa A permit comunicații bidirecționale prin care transmisia pe fiecare legătură în sus este urmata de două scurte pe legătură în jos prin ferestre. Fanta de transmisie programată de dispozitiv la final se bazează pe nevoile sale proprii de comunicare, cu o variație mică bazată pe o bază de timp aleator (ALOHA-tip de protocol). • dispozitivele end-point Bi-direcționale cu fante programate de primire (Clasa B): față de clasă aleatoare, aceste ferestre raman deschise la ore programate. Pentru ca dispozitivul end-point sa deschida fereastra pentru a primi la ora programată, primește un timp sincronizat Beacon de la poarta de acces. Acest lucru permite serverului să știe când dispozitivul end-point este in ascultare. • dispozitivele end-point Bi-direcționale cu fante de primire maxime (clasa C): dispozitivele end-point din clasa C au fost programate sa ramana aproape în permanență deschis, fiind închise numai în timpul transmisiei. Fiecare clasă servește nevoilor de aplicații diferite și are cerințe optimizate pentru scopuri specifice. Diferența principală dintre profilurile A, B și C este compromisul între latență și consumul de energie. Pentru proiectul de fata am folosit module LoRa de clasa A, luand in calcul dorinta de a eficientiza sistemul din punct de vedere energetic. Dispozitivele de clasă A implementează un profil de comunicare bidirecțional, prin care fiecare transmisie ascendentă a fiecărui dispozitiv final este urmată de două ferestre scurte de primire. Fanta de transmisie programată de dispozitivul final se bazează pe propriile nevoi de comunicare, cu o mică variație bazată pe o transmisie aleatorie. Această operație de clasă A este opțiunea cea mai putin consumatoare de energie pentru aplicațiile care necesită doar comunicare în jos pe server la scurt timp după ce dispozitivul final a realizat o transmisie pe legătură în sus. Comunicările downlink de la server în orice alt moment trebuie să aștepte până la următoarea transmisie programată. Clasa A acoperă majoritatea cazurilor de utilizare, fiind modul cel mai eficient din punct de vedere energetic al tehnologiei LoRa.

43 3.3. Funcționarea LoRaWAN La cel mai fundamental nivel, protocoalele LoRaWAN sunt destul de simple. Modul în care rețelele stea comunică este similar cu modul de comunicare între un profesor și elevi într-o conferintă. Poartă (profesorul) vorbește la nodurile terminale (toată lumea din clasă) și invers. Această este o relație asimetrică în ceea ce privește comunicarea. Toată lumea din clasă ar putea încerca să comunice cu profesorul în același timp, dar profesorul nu ar fi putut să le audă sau să le inteleagă pe toate odată. Deși extrem de simplificate, multe elemente ale topologiilor tip stea se întorc la această analogie. În diagrama prezentată mai jos se prezintă cum funcționează și care este modul în care LoRaWAN transmite datele. Bară de sus indică dacă gateway-ul transmite sau nu: dacă este portocalie-transmite, dacă este albastră-nu transmite) [25].
Figura 3.6. Sistemul de transmitere de date LoRaWAN [25] Bara din partea de jos demonstrează canalele receptorului. Aproape toate sistemele LPWAN, inclusiv LoRaWAN, au mai multe canale de recepție, iar majoritatea sistemelor LoRaWAN pot primi opt mesaje simultan, în orice număr de canale de frecvență. Dacă într-un sistem LoRaWAN trebuie să se faca o confirmare a unui mesaj real în legătură cu descarcarea (downlink-ul), acest lucru se face la un decalaj fix față de mesajul primit: mesajul este transmis, poarta este recepționată și apoi se așteaptă un interval fix (fie 1 sau 2 secunde) înainte de transmiterea înapoi. Acest lucru este demonstrat de linia orizontală gri din graficul receptorului de la poarta de sus din figura 3.5. În cazul protocolului, există unele limitări inerente benzilor 868 MHz în rețelele publice. În Europa, principala limitare este ciclul de taxare de 1% (în majoritatea cazurilor). Aceasta înseamnă că, dacă se măsoara durata medie de timp pe care gateway-ul o transmite în timp, acesta nu poate depăși 1%. Din această cauză, poarta este destul de limitată în informatia pe care o poate transmite. În S.U.A., reglementările FCC pentru banda ISM nu au o astfel de limitare. Pentru scopul proiectului de a realiza aplicații cu o transmitere de date wireless pe distante medii și mari, LoRaWAN a fost alegerea cea mai bună, deși dezvoltarea și implementarea unui sistem pe bază protocolului LoRaWAN este destul de complexă

44

45 4. TESTAREA REȚELEI DE SENZORI Pentru realizarea practică a sistemului de transmisie wireless a datelor pe distante medii și mari, am propus o aplicație bazată pe tehnologia Lora, ușor de integrat, minimizând astfel investițiile de dezvoltare și cercetare. Minimizarea costurilor constă în faptul că studiul se poate realiză pentru această tehnologie cu orice tip de senzori, care ulterior pot fi adaptați pentru diverse categorii de aplicații. Implementarea practică are că scop studierea tehnologiei Lora și testarea unei rețele de senzori formată din noduri senzoriale, cu plăci de dezvoltare care au în componența senzori standard. Neputând fi testată pentru un număr diversificat de aplicații din cauza numărului și tipului de senzori, pentru testarea rețelei de senzori propusă am folosit senzorii de temperatură. Fiecare nod este alcătuit dintr-o placă de dezvoltare cu microcontroler, un transceiver capabil să transmită date la distante medii și mari sau un receiver și unul sau mai mulți senzori. Pentru implementarea practică a sistemului, am ales că modul de dezvoltare modemul wireless RN2483, un transceiver oferit de tehnologia Microchip. Modulul transceiver Lora oferă o soluție ușor de utilizat, cu consum redus de energie pentru transmisia de date pe distante lungi. În subcapitolele care urmează voi prezenta pe rând componentele folosite în realizarea proiectului, detaliind caracteristicile modulelor utilizate și aplicațiile software aferente, utilizate în scopul de a conecta rețeaua, a transmite datele și a stoca informațiile recepționate. 4.1. Partea Hardware Implementarea unui sistem de transmisie de date pentru rețeaua de senzori formată din modulele Lora poate fi făcută în mai multe moduri, această tehnologie permițând mai multe feluri de conectare. Modul în care putem conecta modulele poate să difere în funcție de aplicațiile alese, dar există posibilitatea atât pentru conectarea și transmiterea datelor de la un modul la altul (conexiune peer to peer), cât și conectarea mai multor tipuri sau versiuni de module la același gateway. Conexiunea pentru sistemul testat a fost realizată în ambele moduri: prima data am testat interconectarea între două noduri senzor și un sistem de monotorizare, iar a două metodă a implicat folosirea unui gateway prin care am trimis informațiile către un server, care au fost stocate mai apoi într-o bază de date.
Figura 4.1. Schema generală a sistemului de senzori wireless prin conectarea peer to peer

46 Figura 4.2. Transmiterea datelor de la noduri către stația de bază 4.1.1. Tipul de modul utilizat în sistemul de senzori În proiectul de față am utilizat două plăci de dezvoltare folosind tehnologie Lora, având în componența un modul RN2483. Acesta este un modul care comunică pe frecvență de 433MHz / 868MHz, complet certificat, bazat pe tehnologia wireless LoRaWAN (Low Power Wide Area Network) și utilizează o modulare unică a spectrului imprăstiat în bandă sub GHz pentru a permite o capacitate de rețea pe distante lungi, joase și cu o capacitate ridicată.
Figura 4.3. Diagrama bloc a modulului RN2483 [27]

47 Acesta are o rază de acțiune mai mare de 15 km (in mediile suburbane), putere redusă care permite o viață a bateriei mai mare de 10 ani și capacitatea de a conecta milioane de noduri senzor wireless la gateway-urile LoRa și la serverele Cloud conectate cu IoT. Acest sistem robust se datorează modularității unice bazate pe spectrul de răspândire LoRa, capabilă să demoduleze cu 20 dB sub nivelul zgomotului. Acest lucru permite o sensibilitate ridicată pentru o gamă ultra-lungă, o eficiență îmbunătățită a rețelei și elimină interferențele. Modemul RN2483 funcționează pe benzile de frecvență industrială științifică și medicală (ISM) si servește ca dispozitiv final în infrastructura rețelei LoRa. Protocolul LoRaWAN de clasa A încorporat al modulului RN2483 permite o conectivitate perfectă la orice infrastructură de rețea compatibilă cu LoRaWAN, fie ea publică sau privată. Modulul este conceput special pentru ușurința de utilizare, ceea ce scurtează timpul de dezvoltare. Modemul RN2483 este proiectat pentru a fi o cale eficientă de adăugare a capabilității de rețea de rază mare de acțiune pentru orice proiect embedded prin integrarea pachetului de protocol LoRaWAN, rulând pe un microcontroler de joasă putere, împreună cu un circuit de antenă integrat și radio LoRa. Caracteristici gererale ale modulului RN2483 [27]: • distanța lungă de comunicare: mai mare de 15 km; • consum redus de energie pentru o durată de viață de 10 ani a bateriei; • tensiunea de alimentare: 2.1-3.6V; • protocolul LoRaWAN de clasa A încorporat; • funcționează în benzile de frecvențe 433 MHz și 868 MHz; • interfața de comandă ASCII pentru UART – ușor de utilizat; • formă compactă 17,8 mm x 26,7 mm x 3 mm; • interval de temperatură: -40°C până la 85°C; • putere de ieșire reglabilă de până la +14 dBm; • sensibilitate ridicată a receptorului până la -148 dBm; • suporți SMT pentru montare ușoară și fiabilă; • actualizarea firmware-ului dispozitivului (DFU) peste UART; • 14 GPIO pentru control, stare și ADC; • imunitate excelentă la interferențe; • criptarea AES-128; • evaluat de catre Directiva Europeană R & TTE; • modulul extrem de integrat include: MCU, cristal, identitatea nodului serial EEPROM, EUI-64, receptor radio cu capăt analogic frontal. Pe parcursul implementării am folosit modulul RN2483 doar pentru conectarea peer too peer a nodurilor senzoriale, acesta putând fi accesat sau programat prin intermediul unui bootloader. Microcontrolerul PIC18LF46K22 intern al acestui modul realizează o transmisie simplă și comandată de date, nepermițându-i acestuia să funcționeze în mod autonom. Pentru acest proiect vom utiliza Tehnologia Microchip RN2483 Lora Mote, care este un dispozitiv terminal al clasei LoRaWAN, bazat pe modulul RN2483. RN2483 Mote poate funcționa în mod autonom și oferă o platformă convenabilă pentru a demonstra rapid capacitătile pe termen lung ale modulelor, precum și interoperabilitatea atunci când sunt conectate la gateway-uri.

48 Figura 4.4. Modulul cu Tehnologie Microchip RN2483 LoRa Mote [28] RN2483 Mote include senzori de lumină și temperatură pentru a genera date care sunt transmise fie pe un program fix, fie inițiate printr-o apăsare de buton. Un afișaj OLED oferă feedback despre starea conexiunii, valorile senzorilor și datele sau confirmările de downlink. O interfață USB standard este prevăzută pentru conectarea la un computer gazdă, furnizând o punte la interfața UART a modulului RN2483.
Figura 4.5. Partea hardware a modulului LoRa Mote [28]

49 Descrierea componentelor hardware ale modulului LoRa Mote conform indicațiilor din figura 4.5.: 1. Conector SMA de înaltă frecvență 868/915 MHz; 2. Punct de antenă cu frecvență joasă de 433 MHz; 3. Header Breakout Module 1; 4. Header Breakout Module 2; 5. Conectorul modulului; 6. OLED cu matrice Dot Matrix SSD1306 (128 x 64); 7. Modulele de programare ICSP ™; 8. Mote programare ICSP prin orificii; 9. Comutator S1 (navigare); 10. Comutator S2 (selecție); 11. Senzor precis de lumină ambientală (GA1A1S202WP); 12. MCP9700T – Termistor activ liniar; 13. MCP1825S – Regulator LDO; 14. MCU pe 8 biți PIC18LF25K50; 15. Alimentare alternativă prin conectori cu orificii; 16. LED-uri descriptive: controlate de PIC18 sau controlate de modul; 17. Conector USB Mini-B; 18. Comutator de alimentare baterie; 19. Cod QR al site-ului web; 20. Baterie tip AAA; 21. Conector tip bandă OLED SSD1306. 4.1.2. Conectarea modulelor și descrierea comenzilor Pentru a conecta modulele între ele, am pornit și configurat întâi fiecare modul în parte. Placă Moțe pornește automat atunci când este conectată la un cablu mini-USB. Există și variantă în care o putem alimenta doar cu baterii, mod în care comandă de pornire / oprire este controlată cu ajutorul comutatorul S3. Microcontrolerul care se află pe placă de dezvoltare, PIC18LF25K50 MCU, este programabil cu ajutorul programatorului ICSP prin intermediul conectorului J2. În plus, programul de aplicații PIC18LF46K22 MCU, adică cel integrat separat în modulul RN2384, este capabil să fie actualizat prin intermediul utilitarului bootloader. La prima conectare acesta este ușor configurabil și, dora prin intermediul lui, am realizat conexiunea peer to peer între module. Pentru modelul de placă utilizat, căile de semnal RF sunt conectate la conectorul de margine SMA și sunt desemnate prin punctul de intrare. Semnalul RF de inaltă frecventă (bandă 868/915 Mhz) este transmis prin conectorul J3. Semnalul RF cu frecventă joasă (433 Mhz) este transmis prin intermediul punctului RFL, această permițând conectarea unei antene cu fir furnizate de utilizator. După conexiunea peer to peer am programat microcontrolerul PIC18LF25K50 pentru a putea realiză o transmisie de date între module în mod autonom. Prin acest lucru am făcut posibilă și comunicarea cu senzorii de lumina (U4) de pe ambele module și cu cei de temperatură (U5). Pentru studiile realizate în continuare am ales senzorii de temperatură care să măsoare datele despre mediul de testare. Butoanele de comandă S2 și S3 le-am folosit pentru

50 pentru navigarea și selectarea meniurilor. Odată programate și conectate prin mini-USB, modulele pornesc automat, informațiile fiind afișate pe LCD-ul de pe placă. În plus, există patru LED-uri, organizate două câte două: D3 (portocaliu) și D4 (verde), care sunt conectate la modulele GPIO10 și GPIO11 I / O, iar D5 (roșu) și D6 (verde), care sunt conectate și controlate de dispozitivul PIC18LF25K50. Toți pinii modulului au fost accesați prin plăcute de montare pe suprafată, situate pe ambele părti ale punctului de conectare (U7). Un alt mode de conectare, dar pe care nu l-am folosit în proiect, este acela de a monta două capace de soclu de 1,27 mm. Prizele pot conecta pinii modulului la o placă personalizată, în timp ce placă Moțe este capabilă să furnizeze energia necesară. Prizele sunt impărtite în două grupări de separare, utilizate pentru a furniza puncte de conectare la sol și la pini suplimentari GPIO / UART. Totuși, atunci când conectez un mini-USB la modulul Lora Mote, acesta pornește indiferent de comutatorul de alimentare S3. Dacă Lora Mote este deja în funcțiune, conexiunea USB va avea un control limitat și va acționă doar că un dispozitiv de emulare în serie. După ce este conectat la un PC gazdă, Lora Mote va putea fi utilizat și va începe să între în funcțiune. Prin acest mod de operare am introdus acreditările LoRaWAN necesare pentru conectarea la o rețea LoRaWAN existentă. În cazul nostru am realizat conexiunea cu un gateway situat în zonă Universității din București, accesând serverul căruia acesta îi trimite datele. Există o gamă largă de programe de comunicații seriale de la părtile terțe pe care le puteam utiliza pentru a putea conumica cu modulul. Am încercat și alimentarea cu baterii a modulului pentru a demonstra mai bine un design real al Internetului de obiecte (Iot). După pornire, Lora Mote va încerca mai întâi o rețea LoRaWAN fie prin Activare-Prin-Personalizare (ABP) (S2), fie prin Activarea peste Air (OTAA) (S3), în funcție de tipul solicitat. Dacă selectarea cheii corespunzătoare procesului solicitat (ABP, OTAA), Lora Mote va afișa mesajul "Valid Keys Required". Utilizatorul va trebui apoi să introducă cheile necesare ale modulului prin modul USB CDC-Serial și să le stocheze utilizând comandă "mac șave", prin intermediul programatorului. După ce se realizează introducerea corectă a acreditărilor, Lora Mote se va alătura automat sisstemului, în cazul nostru a rețelei de senzori. După înscriere, Lora Mote intră în modul de funcționare. Navigarea prin meniuri am realizat-o folosind S2 pentru navigare și S3 pentru selectare. 4.2. Partea Software Partea Software conține programul pentru modulul de dezvoltare pentru cele 2 tipuri de noduri folosite: transmițătorul și receptorul. De asemenea, se dezvoltă și o platformă software pentru prelucrarea, afișarea și stocarea datelor achiziționate. Am mai folosit programe pentru conectarea terminalelor USB, platforme și aplicații pentru conectarea la gateway și programatorul pentru configurarea microcontrolerului. Pe fiecare dintre acestea le voi preciză și prezența la ficare pas descris pentru configurarea rețelei de senzori. Alegerea arhitecturii tintă trebuie făcută pe bază unor criterii cum ar fi tipul și cantitatea de date preconizate a fi transmise, abilitătile de inginerie RF disponibile și calendarul de dezvoltare disponibil pentru finalizarea proiectului.

51 Pentru a selecta arhitectura optimă pentru sistemul de senzori wireless implementat, am ținut cont de arhitectura software generică a dispozitivului:
Figura 4.6. Arhitectura software generică a dispozitivului LoRa [21] Stratul de driver oferă adaptarea hardware și implementează toate driverele pentru a gestiona perifericele dispozitivului. Software-ul middleware implementează bibliotecile protocolului de comunicare și implementează drivere complexe, iar stratul de aplicație conține toate aplicațiile funcționale în care sunt implementate comportamentul și functionalitătile dispozitivului. Proiectul de dezvoltare software depinde de arhitectura hardware aleasă pentru dispozitiv. În acest proiect, pentru modulul Lora, trebuie doar să se inițializeze stiva pentru a se putea trimite sau primi mesaje cu ușurință.
Figura 4.7. Arhitectura dispozitivului LoRa [21] MCU este disponibil pentru programare software pentru a rula aplicația și stiva pentru baza de date. Principalul beneficiu al acestei abordări de proiectare este că toate dezvoltările de hardware sunt implementate de producătorul modulului. Reglarea și potrivirea antenei se face în majoritatea cazurilor în interiorul modulului.

52 Conexiunea peer to peer se realizează transmițând semnale în mod serial între module, folosind că și program orice software tip terminal. Selecția se face simplu: prin portul USB în cazul în care nu avem nevoie decât de o comunicare rudimentară sau, cu ajutorul programatorului, ele pot rută independent prin microcontrolerul PIC18LF25K50. Programul folosit în această aplicație pentru conectarea peer to peer este Tera Term. Se deschide câte o aplicație pentru fiecare dintre modulele Lora conectare și se selectează pe rând porturile USB dedicate fiecăreia. În funcție de unitatea la care sunt conectare, porturile se pot schimba între ele, selecția fiind făcută manual de fiecare data când se dorește transmisia de date prin această cale.
Figura 4.7. Selectarea manuală a porturilor Comenzile se pot face doar manual în cazul acesta. Înainte de a putea seta modulele, pentru fiecare dintre ele se propune o comandă de inițializare a versiunii pentru siguranță că modulele sunt în stare optimă de funcționare. Se setează unul sau mai multe module că fiind receptor, prin comandă "radio rx 0", iar transmițătorul folosește comandă "radio tx 0" pentru a putea trimite un șir de caractere în hexazecimal. Recepționarea se realizează în momentul în care în aplicația pentru nodul receptor a primim șirul de caractere și răspunsul "ok".
Figura 4.9. Conexiunea peer to peer prin programul Tera Term

53 Pot exista erori de transmisie chiar și în cazul simplei conectări peer to peer. Acestea apar datorită mai multori factori, de obicei externi, care interferează cu semnalul trimis. Dacă modulele se află la distanță mare și au un obstacol între ele, există posibilitatea ca semnalul să nu ajungă de la un modul la altul. În acest caz se resetează comenzile și se apelează funcția "mac pause", care are rolul de a trimite nodul în repaus și apoi se reia comanda de transmitere de date. Pentru această conexiune am dezvoltat un program independent, creat ca aplicație prin utilizarea limbajului C++, pentru a permite modulelor să transmită șiruri de caractere pe care să le stocheze într-o bază de date. Acest lucru se configurează introducând pentru fiecare modul portul prin care este conectat la un PC gazdă. Baza de date primește și stochează informațiile primite doar atâta timp cât modulele sunt setate să comunice între ele.
Figura 4.10. Bază stocare date programată cu ajutorul aplicației CodeBlocks Pentru a demonstra transmisia de date pe distante mari am conectat modulele la unități de bază separate și am deplasat modulul transmițător, împreună cu această unitate la o distanță de aproximativ 2km. A trebuit să resetez de câteva ori modulul receptor pentru a putea afișa informația, repetând acest lucru pentru aproape fiecare transmisie realizată. Încercările au fost numeroase, iar rezultatele nu au fost conform așteptărilor. Am studiat acest aspect observând că pe o astfel de distanță cu obstacole și clădiri înalte între emițător și receptor rată de recepție este mică, ajungând undeva la 60%. Experimentul l-am făcut transmițând date de la un modul amplasat în interiorul unei clădiri, către celălalt modul aflat în aer liber, într-un parc. Transmisia de date se putea realiză cu mai mare succes pe aseasta distanță dacă modulele erau conectate într-o rețea „single-hop”, acestea transmițând mesajele direct către un gateway sau dacă funcționau în mod autonom, independente de un PC bază. Limitările în acest context se leagă și de faptul că rețeaua wireless este compusă doar

54 din modulul RN2483, fără programarea microcontrolerului de pe plăcută de dezvoltare. În acest caz nu s-au folosit senzorii din dotare, șirurile de caractere fiind aleatorii, transmise serial pe 8 biți. O provocare pentru acest experiment ar fi transiterea unor imagini compresate în format jpeg. Acest lucru este realizabil în teorie, dar greu de pus în practică, deoarece cantitatea de date care trebuie trimisă va fi probabil o problemă. Pentru a obține o rază de acțiune în funcție de locație (mediul urban dens sau zonă rurală), probabil va trebui utilizat un datarate redus ceea ce inseamnă că imaginea trebuie să se transfere între 976 bps și 292 bps, deci o imagine mică se va trimite în câteva secunde, chiar minute. Acest exemplu este deja un subiect în studiile care se realizzeaza în prezent pentru diversificarea și eficientizarea conexiunii între două module Lora.
Figura 4.11. Distanța fizică de 2km pentru realizarea primului experiment prin conectarea serială a două module Lora Am refăcut acest experiment pe o distanță mai scurtă (1km) și fără obstacole. În acest caz, recepția datelor s-a făcut aproape instant, afișând șirurile de caractere în intervale de milisecunde. Acest lucru demonstrează dependența față de mediul în care rețeaua de senzori este amplasată.

55 Figura 4.12. Repetarea experimentului pentru o distanță mai mică, fără obstacole Acesta a fost primul experiment realizat cu cele două module, fiind punctul de pornire pentru studierea tehnologiei și a diverselor moduri de conectare. Deși conexiunea făcută prin modul serial este ușor de realizat și accesibilă pentru demonstrarea benzii lărgi de frecvență pentru transmisiile de date prin tehnologia Lora, această nu este întotdeauna variantă cea mai bună. În primul rând, dependența de un PC bază limitează atât mediile de transmisie cât și timpul de răspuns și rată de recepție a mesajelor. Următorul pas a fost utilizarea întregii plăci de dezvoltare Lora Moțe, prin programarea individuală și desemnarea stării finale pentru fiecare dintre noduri. Am programat fiecare microcontroler prin intermediul programatorului PICkit 3, fiind ușor de utilizat din cauza interfeței de comandă ASCII pentru UART. Astfel, unul dintre noduri are un scop predefinit de a cîți și trimite informații de la senzorul de temperatură și a le trimite către celălalt nod cu rol de receptor. Înainte de scrierea programului, am făcut simularea pentru preluarea comenzilor de la butoane și recepționarea datelor pe terminalele aferente. Citirea și simularea pentru microcontrolerul PIC18LF25K50 a fost realizată în Proteus.
Figura 4.13. Simularea comunicării cu microcontrolerul de pe placa LoRa Mote

56 Pentru fiecare dintre nodurile senzoriale a fost scris un cod program cu comenzile de pentru Tx și Rx, urmând instrucțiunile din manualul de utilizare și comunicare cu Lora Moțe. Programatorul PICkit 3 realizează încărcarea programului prin intermediul MPLAB X IDE [29], care este un program software ce rulează pe toate sistemele de operare (Windows, Mac OS, Linux) pentru a dezvoltă aplicații pentru microcontrolerele Microchip și controlorii de semnal digital. Acesta este un mediu integrat de dezvoltare (IDE), deoarece oferă un singur mediu integrat pentru a dezvoltă codul pentru microcontrolerele integrate.
Figura 4.14. Conectarea programatorului si incarcarea comenzilor pe LoRa Mote Conexiunea cu un gateway implică mai multe resurse atât pentru partea hardware, cât și pentru cea software. În primul rând, nodurile din rețea poți fi configurate să comunice atât între ele, cât și individuat către gateway. Important este de reținut faptul că informația transmisă nu are că destinație finală gateway-ul. Acesta este doar un intermediar între noduri și serverul care stochează informațiile într-o bază de date sau în Cloud. Pentru acest lucru este nevoie de o aplicație configurabilă, unde nodurile de rețea și gateway-ul se pot indentifică prin chei seriale unice. Un model pentru o astfel de aplicație a fost dezvoltat de TTN, care au lansat o platformă pentru folosirea tehnologiei Lora în câmp deschis, fără o limitare asupra numărului de module și gateway-uri conectate pe o distanță mare. Pentru a putea efectuă o transmisie de date prin intermediul acestei platforme este nevoie de coordonate precise despre locul în care un gateway este amplasat și de serverul la care este conectat. Astfel, identificând modulele Lora în rețea, se poate accesă și serverul unde urmează să se trimită datele. Pentru a realiza interacțiunea dintre Lora Moțe și gateway am folosit o interfață GUI care face parte din pachetul de dezvoltare al modulelor, special pentru conectare prin protocolul LoRaWAN.

57 Figura 4.14. Setările pentru comunicarea prin protocolul LoRaWAN [30] TTN au dezvoltat si o aplicatie de sine statatoare, disponibila pentru telefoanele mobile, unde se poate urmari in timp real conexiunea retelei senzoriale, starea de transmisie, nivelele de criptare si datele pe care le citeste. Un aspect important cu privire la retelele de senzori wireless este securitatea datelor. Spre deosebire de Ethernet, mediul de transmisie wireless aduce probleme de securitate suplimentară. Dacă în Ethernet, accesul la cablu se putea restricționa prin ascunderea sau asigurarea zonelor prin care trece acesta, undele radio sunt mult mai dificil de controlat. Există mecanisme de bruiaj, care generează un zgomot electromagnetic ce acoperă frecvențele folosite de rețelele 802.11, dar acestea nu pot funcționa perfect, fără a afecta comunicațiile legitime sau fără a lăsa breșe prin care se poate obține acces în rețea. Cum la nivel fizic securitatea este dificil de asigurat, pentru obținerea unui nivel de securitate acceptabil este obligatorie criptarea datelor și controlul accesului la nivelele superioare celui fizic. Dispozitivele de acces la rețea pentru retelele wireless sunt identificate în mod unic de o adresă fizică (adresă MAC). Un punct de acces poate fi configurat să nu permită accesul în rețea decât stațiilor care au una dintr-o listă finită de adrese MAC. Prin aceeași tehnică de ascultare a traficului legitim din rețea, însă, un intrus poate afla adresa MAC a unei stații legitime, falsificând apoi această adresă și obținând accesul, pretinzând că este respectiva stație. WEP (Wired Equivalent Privacy or Wireless Encryption Protocol) este folosit pentru a securiza rețelele wireless IEEE 802.11 și pentru a ameliora problema transmiterii continue a SSID-ului prin criptarea traficului dintre clienții wireless și punctul de acces. Prin aplicatia propusa de TTN, putem vedea ca modulele Lora au deja alocate doua nivele de criptare a detelor, bazate pe filtrarea adreselor MAC.

58 4.3. Studiul performanței energetice Sistemele simple pentru controlul și procesarea informațiilor, care sunt utilizate la proiectarea nodurilor senzoriale consumă o putere aproximativ constantă în timpul execuției instrucțiunilor, această fiind datorată faptului că spre deosebire de procesoarele complexe, microcontrolerele utilizate nu folosesc tehnici avansate de management energetic, astfel că unitatea de procesare, ADC-ul, oscilatorul, numărătoarele și alte periferice sunt pornite când microcontrolerul este activ. Un model energetic pentru rutarea locală în WSN în funcție de consumul de energie, l-am observat prin experimentele realizate și afirmă că implementarea de tip „multihop” în WSN este mai eficient decât „single-hop”. Transmisia și recepția datelor necesită cea mai mare cantitate de energie, această realizându-se wireless, la distante (punct-la-punct) de până la câțiva km. De aceea, eficientizarea comunicării este o prioritate în cazul rețelelor de senzori wireless. O putere prea mare utilizată la transmisia datelor duce la creșterea inutilă a consumului energetic și, implicit, la scăderea autonomiei (duratei de viață) nodului. 
Studii concrete arată că această putere (P) este direct proporțională cu pătratul distanței de transmisie (d):
P ≈ d^2.
Solutia este că transmisiile să se efectueze mulți-hop, împărțind distanță dintre nod și stația de bază în mai multe hopuri, sumă totală a energiilor consumate pentru fiecare transmisie/receptive single-hop fiind mai mică decât energia consumată pentru a transmite datele de la un nod direct la stația de bază. Coliziunile apăr la recepția datelor, atunci când un nod primește simultan pachete de date de la mai multe noduri vecine. Acest lucru duce la necesitatea retransmisiei acelor mesaje, fapt ce crește traficul rețelei, scăzându-i capacitatea de transfer. Un trafic crescut presupune un timp prelungit în care nodurile se află în starea de transmisie și, implicit, un consum crescut de energie. Soluția pentru această problemă o reprezintă implementarea de protocoale specializate pentru sincronizarea și administrarea transmisiei pachetelor de date. Printre cele mai utilizate sunt: CSMA/CĂ (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), TDMA (Time-Division Multiple Access), S-MAC (Sensor-Medium Access Control), CDMA (Code-Division Multiple Access), FDMA (Frequency Division Multiple Access). Ascultarea inutila se intalneste la nodurile care, din cauza faptului ca nu cunosc momentul in care trebuie sa receptioneze date, asculta permanent canalul in vederea detectiei vreunui pachet ce le este destinat. Acest lucru prelungeste inutil starea active a nodului, ducand la cresterea consumului energetic. Solutia pentru aceasta problema o reprezinta implementarea protocoalelor de sincronizare si administrare a transmisiei de date, mentionate la punctual 2.2, sau a unei antene secundare, de putere redusa, utilizata numai pentru a comuta nodul din stare inactiva in stare activa, atunci cand ii este destinat un mesaj. Este utilizat un semnal de tip ton, receptionat si amplificat de antena secundara la un nivel suficient pentru a comuta starea nodului. Pachețele de control sunt mesaje utilizate pentru validarea recepției corecte a datelor. Un nod receptor va transmite un semnal ACK (Acknowledge) către nodul de la care a primit pachetul de date, în cazul unei recepții corecte a acestora și nu va transmite nimic în caz contrar. Nodul transmițător așteaptă confirmarea ACK o perioadă predefinita de timp. Dacă mesajul ACK nu este primit în acest interval de timp, atunci va iniția o retransmie a datelor. Acest mecanism crește timpul de transmisie a datelor, ducând la întârzieri în cadrul rețelei, plus la creșterea traficului acesteia. Astfel, consumul energetic al nodurilor crește, ele fiind menținute suplimentar în stări active și de transmisie/receptive. Soluția pentru verificarea recepției corecte a datelor o reprezintă utilizarea CRC- ului (Cyclic Redundancy Check). Înainte de transmisie, fiecare pachet de date este codat cu o secvența de cod proprie, menită de a crește redundantă datelor. Cu ajutorul acestei secvențe, la recepție se poate efectuă atât validarea corectit udinii datelor cât și corectarea erorilor apărute (numărul erorilor corectabile depinde de lungimea inițială a pachetului de date și de lungimea secvenței de cod). Astfel, transmișii ale semnalului ACK cât și retransmisii ale acelorași pachete de date nu mai sunt necesare.

59 O dimensiune mare a pachetelor de date duce la creșterea perioadei în care nodurile se află în starea de transmisie/recepție, fapt ce duce la creșterea consmului de energie. Soluția la această problemă o reprezintă compresia datelor, fapt ce elimină redundantă și reduce lungimea pachetelor de date. Un exemplu de algoritm de compresie este algoritmul Huffman, în care se efectuează o statistica în ceea ce privește probabilitățile de apariție a anumitor date, datele cele mai probabile fiind codate utilizând cel mai mic număr de biți. Astfel, lungimea medie a pachetelor de date transmise este considerabil redusă. Supraîncărcarea apare la nodurile aflate lângă stația de bază, cele mai solicitate din punctul de vedere al transmisiunilor și a procesării. Astfel, consumul energetic al acestora este foarte mare, fapt ce le scade considerabil autonomia. Nodurile de lângă stațiile de bază sunt cele mai importante, ele asigurând recepția la stație ale mesajelor tuturor nodurilor din rețea. Astfel, autonomia acestora ar trebui mărită pentru a nu afecta durată de viață a rețelei. O soluție pentru această problemă este implementarea stațiilor de bază mobile. Astfel, zonă de trafic intens este mutată periodic în diferite zone ale rețelei, uniformizând consumul energetic. Procesarea datelor măsurate se poate face atât la nivelul nodului, cât și la nivelul stației de bază. Capacitatea de procesare a nodurilor influențează cantitatea de energie consumată la nivelul rețelei. De asemenea, un alt factor care influențează energia consumată de către un nod este timpul petrecut în stare activă. Se disting două cauze ale consumului ineficient de energie din punct de vedere al procesării: 1. Perioadele active ale nodurile sunt reprezentate de perioadele de măsurare, procesare și transmisie/recepție. În afară acestor perioade, nodul trebuie să fie inactiv pentru a-și conservă energia. Astfel, fiecare nod are o perioadă predefinita de sleep- mode, în care consumul energetic este extrem de mic, apelabila fiind numai rutină de trecere în stare activă. O succesiune a stărilor unui nod poate fi observată în figura 4.15.
Figura 4.15. Perioada activă și inactivă a nodului [8] Tm – perioadă de măsurare, Tp – perioadă de procesare, Tx – perioadă de transmisie/recepție 2. Nodurile pot procesa și interpretă local datele măsurate, sau le pot transmite la stația de bază neprelucrate, fapt ce crește consistent traficul în interiorul rețelei și, implicit, consumul de energie. 
Pentru a elimină această problemă, se pot utiliza topologii de tip cluster, în care o prelucrare primară se poate efectuă de către fiecare CH, cantitate de date ajunsă la stația de bază fiind redusă. 
 Scopul fiecărui nod este de a monitoriza un parametru fizic în zonă în care este amplasat. Pentru acest lucru, nodul trebuie să conțină un senzor – ce transformă un parametru fizic (temperatură, umiditate, presiune etc.) într-o mărime proporțională, electrică (tensiune sau curent). Mărimea electrică este preluată de un convertor analog- digital și transformată în mărime digitală, interpretabila de către un procesor. Un consum ineficient de energie poate apărea la convertorul analog-digital, în funcție de parametrul măsurat, de regimul de utilizare și de tehnologia de realizare.

60 Există cazuri în care rată de achiziție a convertorului A/D să fie nejustificat de mare. Spre exemplu, dacă mărimea măsurată este temperatură, o rată de achiziție de 100 de eșantioane pe secundă este mult prea mare, temperature neavând cum să varieze semnificativ la fiecare 10ms. O rată de achiziție potrivită reduce traficul rețelei și implicit consumul energetic. În cazul unei rezoluții prea mari a convertorului A/D, lungimea pachetelor de date se mărește inutil, fapt ce crește consumul energetic în interiorul rețelei. În funcție de mărimea măsurată, trebuie evaluată o rezoluție minima, acceptabilă a convertorului. Fiecare tip de convertor A/D are definit un anumit timp de conversie. Spre exemplu, convertoarele A/D ce folosesc metodă integrării au timpi de conversie de ordinul milisecundelor, dar o precizie foarte bună, pe când convertoarele ce utilizează metodă aproximărilor succesive au timpi de conversie de ordinul micro și chiar nanosecundelor, dar o precizie mai slabă. În cazul rețelelor de senzori wireless sunt necesari timpi de conversie cât mai mici, nefiind necesară o precizie de top. Consumul total de energie al unui nod senzor este sumă fiecărui element din nod (adică senzor, unitate de microcontroler și modul radio) și fiecare componentă poate funcționa în diferite stări de energie. Prin urmare, durată de viată a unui nod senzor este timpul consumat pentru a-și evacua bateriile sub un prag de funcționare durabil.

61 CONCLUZII Pot concluziona că în cadrul lucrării prezentate, am reușit să prezint toate caracteristicile majore ale protocoalelor de comunicație wireless folosite pentru transmisiile de date pe distante mici, mijlocii și mari scoțând în evidentă avantajele protocolulul Lora, atât din punct de vedere teoretic cât și practic, prin implementărilor realizate. Implementările realizate au fost prezentate cu exemple practice încercând să demonstrez caracteristicile pozitive pe care protocolul Lora le are pentru transmiterea de date atât între nodurile unei rețele cât și câte un gateway. Eficienta energetică este un parametru foarte important în cadrul rețelelor de senzori wireless, deoarece influențează timpul de viață și bună operare a rețelei. Este o problemă complexă, strâns legată de design-ul hardware și software al rețelei, de topologie, algoritmi de rutare și sincronizare. De asemenea, ea depinde mult de resursele disponibile, cât și de tipul aplicației. În cadrul acestei lucrări am prezentat metode de eficientizare a consumului unei rețele de senzori implementând funcții de sleep, evitând supraîncărcarea, perfecționând compresia și realizând transmisia de date într-u mod cât mai eficient. Cu ajutorul primului scenariu, în care am conectat nodurile peer to peer am demonstrat capabilitatea de a utiliza energia cât mai eficient și de a demonstra aria de acțiune chiar și la nivelul de bază al protocolului Lora. Transmiterea de date de la un modul la altul implică un consum de energie mai mare, însă clasă A din care face parte îi permite fiabilitate mai mare în comunicarea doar în momentele dorite. Folosirea unui gateway implică mai multe moduri în care informația poate să fie transmisă, tipul de informații trimise fiind diferite în funcție de aplicațiile alese. Mai departe mi-am propus includerea acestor sisteme de senzori wireless pentru a demonstra utilitatea implementării lor în conceptul de Smart City printr-o aplicație ce servește serviciunul de ambulanțe în cazuri de urgență. Montarea unor gateway-uri pe o suprafața cât mai întinsă dintr-un oraș și comunicarea cu o rețea de sute de mii de noduri în timp real poate duce la eficientizarea acțiunilor în caz de urgente și minimizarea riscului de accidente. Fiecare mașină ar putea află cu minute înainte de faptul că o ambulanță cu girofar folosește același traseu, iar momentele de panică și blocaj în trafic ar putea să fie evitate într-un procent considerabil mai mare sau chiar redus aproape de zero. Folosind același principiu, fiecare mașină individuală poate apela la rândul ei la serviciul de ambulanță în caz de accident. Acest proiect m-a ajutat să înțeleg foarte bine conceptul de sisteme de senzori wireless și protocolul Lora și LoRaWAN. Cu ajutorul acestora am reușit să implementez un sistem simplu, dar funcționabil prin care să pot transmite datele pe distante medii și mari. Folosind resurse limitate, nu am reușit să efectuez un studiu pe distante mai mari de 2 km, însă acest lucru laș loc pentru o viitoara motivație de a continuă să implementez aceste protocoale și să le întroduc în viață de zi cu zi, adaptandu-le pentru necesități, siguranță sau confort.

62 BIBLIOGRAFIE [1] J. Zheng, A. Jamalipour, Wireless Sensor Networks. A Networking Perspective, Wiley Publication, IEEE, 2009. [2] https://www.scribd.com/document/356556747/Bazele-Reglarii-Automate [3] "Various Clustering Techniques in Wireless Sensor" – International Journal of Computer Applications Technology and Research, 2014, India [4] Perrilo, M., Heinzelman, W., „Wireless Sensor Network Protocols”, Department of Electrica land Computer Engineering, 2015 [2] Faludi, R., „Building Wireless Sensor Networks”, Editura O’Reilly, 2011 [5] I. F. Akyildiz, X. Wang, and W. Wang, "Wireless mesh networks: a survey," Comput. Netw. ISDN Syst., vol. 47, no. 4, 2005. [6] H. Zimmermann, "OSI Reference Model – The ISO Model of Architecture for Open Systems Interconnection," IEEE Transactions on Communications, vol. COM-28, no. 4, April 1980. [7] Proiectarea rețelelor – Răzvan Rughiniș, Ed. Printech [8] Data Communication Protocols Network – Fahmeena Odetta Moore, Northcentral Univ., 2017 [9] M. Matin, Wireless Sensor Networks-Technology and Protocols, InTech, 2012. [10] https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.15.4 [11] IN-CAR COMMUNICATION USING WIRELESS TECHNOLOGY – Marc Bechler, Jochen Schiller, Lars Wolf. Institute of Telematics, Universität Karlsruhe (TH), Germany [12]http://electronica-azi.ro/2013/10/04/standardul-ieee-802-15-4-si-protocolul-zigbee-a-folosi-zigbee-sau-a-nu-folosi-zigbee/ [13] ZigBee Alliance: http://www.ZigBee.org [14] ZigBee Alliance, ZigBee Specification, Ianuarie 2008, ZigBee Document 05347r17 [15] Lee, J., Suu Y., Shen, C., “A Comparative Study of Wireless Protocols” Bluetooth, UWB, ZigBee, and Wi-Fi”, The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), Taiwan, 2007 [16] https://www.lifewire.com/introduction-to-wi-fi-wireless-networking-818265 [17] Basic Wireless Infrastructure and Topologies, Developed by Sebastian Buettrich and Alberto Escudero Pascual, 2010 [18] https://www.lora-alliance.org/what-is-lora/technology [19] Energy-Efficient Wireless Sensor Networks – Haider Mahmood Jawad, Rosdiadee Nordin, Sadik Kamel Gharghan, 2017 [20]https://www.lora-alliance.org/portals/0/documents/whitepapers/LoRa-Alliance-Whitepaper-NBIoT-vs-LoRa.pdf [21] What is LoRa® and LoRaWAN™ – Robert Koning, Germania, 2017 [22] Energy Consumption in Wireless Access Networks – Jayant Baliga, University of Melbourne and National ICT Australia, 2017 [23] Internetworking Technology Handbook: http://www.cisco.com/ [24] http://steamiq.com/portfolio/lorawan/ [25] Understanding the Limits of LoRaWAN – Ferran Adelantado, Xavier Vilajosana, Pere Tuset-Peiro, 2017 [26] https://www.link-labs.com/blog/what-is-lorawan [27] Microchip RN2483 module – Datasheet [28] Microchip LoRa® Mote User’s Guide

63 [29] http://www.microchip.com/DevelopmentTools/ProductDetails/dv164140-1 [30] https://www.thethingsnetwork.org/labs/story/setting-up-your-own-gateway-and-endpoint-with-microchips-lora-technology-evaluation-kit