Proiect tehnici de Rutare în Reţelele de Senzori Wireless

2. Arhitectura reţelelor de senzori

2.1 Componentele hardware ale unui nod

Alegerea componentelor hardware pentru un nod al unei reţele fără fir de senzori este determinată decisiv de tipul aplicaţiei pentru care nodul este proiectat. Factorii decisivi sunt în general dimensiunea, costul şi consumul de energie – facilităţile de calcul şi comunicaţie sunt deseori considerate de o calitate suficientă, dar compromisurile între cost şi ceea ce poate executa nodul sunt cruciale. În unele cazuri extreme, un nod senzor complet echipat trebuie sa fie mai mic de 1 cc, sa cântărească mai puţin de 100 grame, să fie foarte ieftin şi să disipe mai puţin de 100μW.

Un nod senzor elementar este constituit din următoarele 5 componente de bază:

Controller: un controller pentru a procesa toate informaţiile relevante, capabil să execute cod arbitrar;

Memorie: pentru stocarea codului sistemului de operare si diferite alte date. În general se utilizeaza tipuri diferite de memorie pentru programe şi date Flash(NVRAM)/RAM;

Senzori/actuatoare: interfaţa cu spaţiul fizic, dispozitive care pot observa sau controla parametri fizici ai mediului;

Sistemul de comunicaţie: transformarea nodurilor independente intr-o reţea necesită un dispozitiv pentru transmiterea şi recepţia de informaţii peste un canal radio/optic/acustic;

Sursa de alimentare: de obicei nu există o sursă constantă de alimentare, trebuie utilizate baterii pentru furnizarea energiei necesare. În unele cazuri este disponibilă o modalitate de reîncărcare a acestora ( celule fotovoltaice).
Fig. 1 Structura de bază a unui nod senzor
Fiecare din aceste componente esenţiale trebuie să funcţioneze prin echilibrarea compromisurilor între consumul minim posibil şi îndeplinirea funcţiunilor. Este recomandabil ca sistemul de comunicaţii şi controllerul să fie oprite cât mai mult timp posibil, şi să fie reactivate pe baza unui temporizator pre programat. Alternativ, senzorii pot fi programaţi să genereze o întrerupere la apariţia unui eveniment.

În continuare vor fi prezentate pe scurt câteva detalii despre structura hardware, pentru a se evidenţia combinaţiile posibile de interconectare între subansamblele unui nod senzor.

2.1.1 Controllerul

Controllerul este nucleul oricărui nod de senzori fără fir. Colectează date de la senzori, le procesează, decide când şi unde să o trimită, primeşte date de la alte noduri şi decide răspunsul actuatorului. Trebuie să execute diferite instrucţiuni, variind de la procesare de semnal în timp real şi protocoale de comunicaţie până la executarea programelor aplicaţie. Această diversitate de instrucţiuni pot fi executate cu diferite arhitecturi, fiecare cu compromisurile specifice între cost, performanţă, flexibilitate şi eficienţă energetică. Vom analiza diferitele arhitecturi posibile, pentru a alege gama mai avantajoasă:

O soluţie este utilizarea unui procesor de uz general. Acestea consumă în general prea multă putere pentru a fi o soluţie viabilă. Există însă procesoare mai simple, pentru sisteme embedded, numite în mod uzual microcontrollere.

Caracteristici cheie ale microcontrollerelor: sunt adecvate microsistemelor de operare deoarece se pot interconecta uşor cu alte dispozitive (cum ar fi senzorii), setul de instrucţiuni este compatibil cu instrucţiunile în timp real necesare pentru procesarea de semnal şi au în general un consum redus. De cele mai multe ori au o cantitate de memorie inclusă pe pastilă şi sunt liber programabile, ceea ce le face foarte flexibile. O caracteristică foarte importantă pentru reţelele de senzori este posibilitatea acestora de a intra în stări de repaos, în care numai părţi ale controllerului rămân active. Diferenţa principală faţă de procesoarele de uz general constituie şi dezavantajul principal, şi anume lipsa unităţii de management a memoriei.

Un alt tip de procesor ce ar putea fi folosit este cel de semnal. Într-o retea de senzori, nodul ar putea folosi un DSP pentru a extrage şi procesa date venind de la un dispozitiv analogic de comunicaţii. În cazul unei reţele de senzori, cerinţele sunt de obicei mult mai modeste (modulaţii simple, ce pot fi realizate eficient de hardware specalizat), aşa că în general proprietăţile unui DSP nu sunt necesare şi nu se utilizează.

Altă opţiune este utilizarea unor circuite specializate, cum ar fi FPGA-urile sau ASIC-urile. Un circuit FPGA poate fi reprogramat (reconfigurat) de la distanţă pentru a se adapta unui set schimbat de instrucţiuni, dar acest lucru necesită timp şi energie – este nepractică reprogramarea unui FPGA la aceeaşi frecvenţă la care un microcontroller ar schimba programe diferite. ASIC-ul este un circuit specializat, proiectat la comandă pentru o aplicaţie anume, de cele mai multe ori în telecomunicaţii se folosesc pentru procesarea foarte intensă necesară ruterelor sau switchurilor la luarea deciziilor de transmitere a cadrelor. Compromisul în această situaţie este pierdera flexibilităţii în favoarea performanţei şi funcţionării eficiente. Privind din punctul de vedere al dezvoltării, microcontrollerul necesită scrierea de soft adecvat, ASIC-urile reproduc aceleaşi funcţionalităţi hardware, deci costul dezvoltării este sensibil mai mare.

În cazul unei reţele de senzori dedicată, în care nodurile senzor pot funcţiona fără o reprogramare ulterioară şi unde numărul de noduri e suficient de mare pentru a motiva investiţii în dezvoltarea de ASIC-uri, acestea reprezintă o soluţie superioară. Cu toate acestea, majoritatea soluţiilor constructive sunt cu microcontroller în stadiul curent de dezvoltare al reţelelor de senzori fără fir, pentru simplitatea în utilizare. Constituie o temă deschisă de cercetare dezvoltarea unor circuite specializate, care execută instrucţiuni optimizate pentru funcţionarea unei astel de reţele.

Exemple de microcontrollere utilizate în diverse aplicaţii WSN: Texas Instruments MSP 430 (nucleu RISC pe 16 biţi, 4MHz, on-chip RAM 2-10kB, ceas propriu, mai multe CAN pe 12 biţi); Atmel Atmega.

2.1.2 Memoria

Se folosesc mai multe tipuri de memorie în construcţia unui nod senzor. RAM-ul este o componentă absolut necesară pentru stocarea intermediară a citirilor de senzor, tratarea pachetelor de la nodurile vecine etc. Codul sistemului de operare se stochează pe o memorie nevolatilă, de exemplu ROM, sau memorii reinscriptibile electric, cum ar fi EEPROM-urile sau memoria Flash. Memoria Flash poate fi folosită şi pentru extensia spaţiului pentru tratarea datelor, dacă RAM-ul devine insuficient, dar trebuie să se ţină cont de latenţele relativ mari la scriere, şi de consumul mare al acestora.

Este crucială în proiectare dimensionarea corectă a memoriei, în special a celei RAM, atât pentru optimizarea costurilor de producţie, cât şi pentru reducerea consumului. De cele mai multe ori însă, memoria necesară este dependentă de tipul de aplicaţie.

2.1.3 Sistemul de comunicaţie

Deşi cea mai mare parte a cercetărilor în domeniul sistemelor de comunicaţii s-au concentrat pe folosirea comunicaţiei radio, există şi alte optiuni luate în considerare, cum ar fi cele optice şi prin ultrasunete (precum şi cuplajul inductiv în cazul raspândit, dar nepretenţios al markerilor RFID).

Sistemul de comunicaţie optic a fost luat în considerare datorită consumului extrem de mic de energie per bit de informaţie transmis, atât la generare cât şi la detecţie (LED-urile sunt bune exemple de emiţătoare de mare eficienţă) circuitistica necesară pentru un transceiver optic este mai simplă şi dispozitivul per ansamblu poate fi mai mic decât dacă ar fi realizat cu transceiver radio. De asemenea, pot avea loc comunicaţii concurente, cu un nivel neglijabil al interferenţelor. Dezavantajul evident este necesitatea vizibilităţii directe între vecinii primari. Conexiunea optică este deasemenea mult mai sensibilă la factorii de mediu.

Sistemul de comunicaţie prin ultrasunete a fost luat în considerare pentru secnarii în care transmisiunile optice sau radio sunt imposibile (pentru ca undele electromagnetice nu pot traversa respectivul mediu) sau impractice din cauza consumului mare de energie necesar. Un astfel de mediu este apa, iar un scenariu aplicabil îl constituie supravegherea eroziunii platformei marine pentru a ajuta la construirea de centrale eoliene maritime. Senzorii sunt amplasaţi pe platforma continentală şi trebuie să comunice. În mediul subacvatic, ultrasunetele reprezintă un mediu atractiv de comunicaţie, deoarece unda poate strabate distanţe relativ mari pentru un consum redus de putere.

Sistemele de comunicaţie în radio frecvenţă sunt cele mai utilizate în domeniul senzorilor wireless. Acestea oferă o rază de acţiune relativ mare şi rate de transfer mari, o rată acceptabilă a erorilor şi un consum rezonabil de putere. Cel mai important, nu necesită vizibilitate directă între emiţător şi receptor. În continuarea lucrării, ne vom apleca numai asupra comunicaţiilor în radio frecvenţă.

Pentru ca sistemul să fie practic, frecvenţa purtătoare trebuie aleasă într-un domeniu neocupat, în care să nu fie susceptibilă interferenţelor cu alte sisteme de radiocomunicaţii terestre sau spaţiale (puterea de zgomot pe care o pot induce aceste reţele în sistemele de comunicaţii radio sunt neglijabile). În general, frecvenţa de operare se alege între 433MHz -2.4GHz.

Dispozitivul uzual de comunicaţie este un transceiver, funcţionând half duplex, deoarece de cele mai multe ori transmisia şi recepţia simultană nu este practică, receptorul prinzând în cele mai multe cazuri transmisiunea propriului emiţător.

Carcateristicile de care trebuie să se ţină cont la alegerea unui dispozitiv convenabil sunt:

- Serviciile către layer-ul succesor: un receptor trebuie să ofere anumite servicii nivelelor următoare, în special Mediul de Control al Accesului (MAC), mai precis sa permită nivelului MAC să transmită cadre şi să ofere acestuia, în buffere accesibile, datele primite. Câteodată transceiverul este orientat spre oferirea de pachete, octeţi sau chiar biţi către interfaţa cu microcontrollerul.

- Consumul şi eficienţa energetică: pentru a fi apte să funcţioneze într-o reţea de senzori, transceiverul trebuie să necesite o energie cât mai mică pentru transmiterea unui bit. Deasemenea, este important să poată trece în stări de repaus alternativ cu stări de activitate. Consumul în starea de hibernare şi energia necesară saltului între cele două stări trebuie să fie cât mai redus.

- Frecvenţa purtătoarei/canale multiple: este de multe ori de dorit ca transceiverul să poată alege între mai multe frecvenţe (canale), pentru a elimina în caz de necesitate o eventuală congestie în reţelele dense. Astfel de canale sunt relevante pentru anumite protocoale MAC – FDMA sau tehnici CSMA/Aloha multicanal.

- Rata de transmisie: valorile tipice pentru aceste dispozitive sunt de ordinul zecilor de kilobiţi pe secundă, mult inferior vitezei oferite de reţelele de bandă largă, dar de obicei suficiente pentru o WSN. Se poate varia rata de transmisie, schimbând felul modulaţiei sau rata simbolurilor.

- Tipul de modulaţie: tipic, acest tip de transceivere suportă unul sau mai multe din următoarele tipuri de modulaţie: OOK, ASK, FSK şi similare. Dacă transceiverul oferă mai multe moduri de modulaţie, se poate observa experimental care din ele dă rezultatele cele mai bune în condiţiile aplicaţiei. Este impractică însă comutarea tipului de modulaţie în cazul amplasării concrete.

- Codarea: unele transceivere perimt selectarea unor moduri de codare.

- Controlul puterii de transmisie: uzual, un număr discret de niveluri de putere sunt disponibile spre selecţie prin intermediul transceiverului sau a unui regulator auxiliar. Puterea maximă la emisie se stabileşte prin standarde naţionale şi internaţionale.

- Zgomotul propriu: NF(dB) = SNR(in)/SNR(out), descrie degradarea raportului semnal-zgomot la trecerea prin element. Este de dorit să fie cât mai mic realizabil cu menţinerea unui cost rezonabil.

- Câştigul: sunt preferate amplificatoarele cu câştig mare, pentru a face faţă eficient din punct de vedere energetic.

Alte caractersitici la fel de importante ce se pot menţiona sunt: sensibilitatea receptorului, raza de funcţionare (tipic de ordinul metrilor/sutelor de metri), performanţa la blocarea unei interferenţe pe canal vecin, emisiunea în afara benzii proprii cât mai mici, stabilitate în frecvenţă şi funcţionarea corectă pentru o gamă cât mai largă de tensiuni de alimentare.

Transceivere adecvate pentru reţelele de senzori fără fir sunt disponibile la mulţi producători. De cele mai multe ori, producătorul oferă o gama diversă a aceluiaşi produs, optimizat pentru a satisface legislaţiile diferite de alocare a frecvenţelor în Europa şi America de Nord. Dintre produsele disponibile şi larg utilizate pe piaţa de profil amintim: RFM TR 1001 (prods de RF Monolithics, disponibil în variante de 916 şi 868 MHz, canalul este de 400kHz centrat la 916,5MHz, oferă comunicaţii pe distanţe scurte de până la 115.2kbps, foloseşte ca metode de modulaţie OOK sau ASK, puterea de ieşire poate fi modificată dinamic si puterea maxim radiată este 1.5dBm la 1.4mW); Chipcon CC1000/CC2420 (CC1000 operează în banda 300-1000MHz, selectabil în paşi de 250kHz, utilizează FSK ca metodă de modulaţie, are puterea de transmisie ajustabilă dinamic şi prezintă compensare pentru driftul termic al cristalului de cuaţ. Poate fi folosit de protocoalele ce utilizează saltul în frecvenţă. CC2420 implementează un layer fizic compatibil cu standardul IEEE 802.15.4 la protocolul MAC, funcţionează în banda de 2.4 GHz şi utilizează un modem DSSS, având o rată de transmisie de 250kbps, la un consum rezonabil de putere); Infineon TDA 525x, Ember EM2420, Connexant RdSSS9M, National Semiconductor LMX3162.

Uzual, transceiverele se compun din două blocuri principale: blocul de radiofrecvenţă şi procesorul în bandă de bază. Blocul RF execută procesarea semnalului analogic în banda radio, iar blocul digital realizează procesarea semnalului în domeniul digital şi comunică cu procesorul nodului şi cu echipamentele digitale auxiliare.

Între cele două blocuri are loc schimbarea de frecvenţă, directă sau prin una sau mai multe schimbări intermediare. O serie de CAN/CAN fac trecerea între zona digitală şi cea analogică.

O analiză detaliată a blocului RF se poate gasi în [9]. În această lucrare vom aminti numai câteva elemente constitutive importante. Blocul execută operaţiunile în banda radio, de exemplu în banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2.4GHz. o schemă de principiu se poate gasi mai jos:

Fig. 2 Blocul de RF

Amplificatorul de putere (AP) primeşte semnal de la blocurile de schimbare intermediară a frecvenţei şi îl amplifică pentru a putea fi transmis prin antenă;

Amplificatorul de zgomot redus (LNA) amplifică semnalul recepţionat la un nivel la care poate fi procesat fără a-i degrada semnificativ raportul semnal-zgomot (RSZ). Gama de puteri recepţionate variază de la puteri mici, recepţionate de la nodurile aflate aproape de ieşirea din raza de acoperire până la puteri semnificative de la nodurile apropiate. Această gamă poate fi până la 100dB. Fără a se implementa măsuri de control al activităţii amplificatorului, acesta este activ permanent, crescând semnificativ consumul energetic;

Oscilatorul local, oscilatoare controlate în tensiune şi mixere sunt utilizate pentru conversia frecvenţei din spectrul radio în banda de bază şi reciproc. Depinzând de structura blocului de RF, se pot gasi elemente suplimentare de filtrare.
Se pot distinge patru stări operaţionale ale transceiverului:

• 
  Transmisie: în această stare, emiţătorul este activ;
  
• 
  Recepţie: în această stare, receptorul este activ;
  
• 
  Inactiv: un transceiver gata de recepţie, care nu primeşte momentan date, şi nu detectează o purtătoare e în stare inactivă. În această stare se opresc unele circuite din blocul de recepţie, pentru conservarea energiei (de exemplu, în blocul de sincronizare, elementul de achiziţie e activ, dar blocul de urmărire poate fi dezactivat până la achiziţia unui semnal);
  
• 
  Hibernare: în starea de hibernare, o parte semnificativă a transceiverului este dezactivată. Echipamentele existente pe piaţă diferă prin numărul de circuite oprite pentru conservare de energie şi astfel prin timpii asociaţi de repornire şi consumul energetic aferent. Spre exemplu, în cazul unei dezactivări totale, costurile de restartare include iniţializarea completă precum şi configurarea interfeţei radio.
  

Stiva de protocoale configurată pe nodul senzor trebuie să decidă în ce stare se va afla transceiverul, în concordanţă cu necesitatea anticipată de a comunica. O problemă ce complică decizia este faptul că însuşi schimbările de stare consumă energie. Un transceiver ce reporneşte consumă timp şi energie pentru resincronizarea PLL-urilor sau a VCO-urilor. Planificarea stărilor nodului (managementul energetic) este deosebit de complicată şi este tratată în detaliu în [10],[11].

2.1.4 Senzori şi actuatori

Senzorii se pot clasifica în trei categorii distincte [12]:

• 
  Senzori pasivi, omnidirecţionali: măsoară o mărime fizică în proximitatea nodului senzor, fără o manipulare a mediului prin sondare activă. Unele tipuri de senzori se auto-alimentează din mediul înconjurător (nu se foloseşte energie decât pentru amplificarea semnalului analogic). Nu există o notiune de direcţie asociată unor astfel de măsurători. Senzori tipici includ: temperatură, lumină, vibraţie, sunet, umiditate, tensiune mecanică, senzori chimici, sensibili la clase de substanţe, detectori de gaze, presiune etc;
  
• 
  Senzori pasivi direcţionali: deşi sunt pasivi, au o caracteristică de directivitate. Un exemplu tipic este o cameră foto/video, care poate efectua măsurători într-o direcţie bine stabilită, dar nu îşi poate schimba poziţia;
  
• 
  Senzori activi: sondează în mod activ mediul, generând unde electromagnetice (radar), acustice (sonar) sau chiar unde de şoc (unele tipuri de senzori seismici)
  

Senzorii descrişi sunt disponibili în multe variante, cu avantaje şi dezavantaje particulare. Compromisurile ce se pot evidenţia sunt: precizia, durabilitatea, consumul de energie, costul şi dimensiunea. Per ansamblu, cea mai mare parte a cercetării efectuate pe reţelele de senzori ia în considerare numai senzorii pasivi omnidirecţionali, celelalte tipuri de senzori fiind tratate foarte sumar în literatura de specialitate.

Fiecare nod senzor are o arie proprie de acoperire, pentru care poate raporta cu o precizie prestabilită rezultate ale măsurătorilor mărimii fizice. S-au dezvoltat mai multe modele de detecţie, ce analizează distanţa dintre un senzor şi un eveniment potenţial şi probabilitatea de detecţie. Un exemplu de astfel de model este menţionat în [13]. Ipoteza acoperirii, deşi dificil de justificat în forma sa cea mai simplă, are totuşi utilitate practică, considerând variaţia unor marimi fizice măsurabile în raport cu distanţa (de exemplu temperatura sau presiunea aerului variază lent şi este deci posibil să calculăm o astfel de arie de acoperire a senzorului în interiorul căreia considerăm datele furnizate ca suficiente). Instrumentele matematica utilizate pentru aceste modele sunt versiuni spaţiale ale teoremelor de eşantionare.

Actuatorii sunt la fel de diversificaţi ca şi senzorii, dar pentru scopurile generale în cadrul unei reţele de senzori sunt de obicei mai simpli. În principiu, funcţiunile unui nod cu actuator este limitat la închiderea şi deschiderea unui comutator sau releu, sau la setarea unei valori în mod mecanic. Fie că se controlează un motor, un sistem de iluminare sau alt dispozitiv, acest lucru nu afectează modul de proiectare al protocolului de comunicaţie, deci nu vom extinde mai departe tratarea acestora.

Este important de menţionat că într-o reţea reală trebuie să se ţină cont de problemele pe care le pun diferitele tipuri de actuatori şi recomandarea generală în proiectarea sistemelor integrate este asocierea unui actuator cu un senzor de control.

2.1.5 Alimentarea nodurilor senzor

Sursa de alimentare pentru nodurile ce nu pot fi conectate la o reţea de distribuţie este crucială. Se identifică două aspecte esenţiale: stocarea energiei şi livrarea de putere în forma cerută şi reîncărcarea acumulatorilor prin recuperarea de energie din mediul înconjurător.

Sursa de alimentare a unui nod e constituită în mod tradiţional de o baterie, fie una primară, nereîncărcabilă, şi eventual una secundară, reîncărcabilă, dacă un dispozitiv de recuperare de energie din mediu este prezent.

Bateriile sunt o formă de stocare electrochimică a energiei, substanţele utilizate fiind factorul determinant al tehnologiei bateriilor. Se impun condiţii foarte dure de realizare, pentru atingerea unor performanţe deosebite:

• 
  Capacitatea: bateriile utilizate trebuie sa aibă o capacitate mare cu un volum cât mai mic, şi un preţ redus. Principala metodă de evaluare este energia disponibilă per volum, J/cm³. Tabelul 1 prezintă câteva valori tipice pentru baterii macroscopice. Sunt în curs cercetări pentru baterii microscopice, cu sursa electrochimică depozitată direct pe pastila chipului;
  
• 
  Capacitatea sub sarcină:bateriile trebuie să poată susţine diverse curbe de utilizare, deoarece un nod senzor consumă cantităţi diferite de energie pe parcursul stărilor de funcţionare, existând moduri specifice care necesită un curent de intensitate mare. Consumul de curent e dificil de prezis, dar se poate considera faptul că o baterie mai mare poate livra mai multă putere instantanee. Capacitatea specificată de producător este validă cât timp curenţii maximi de descărcare nu sunt depăşiţi;
  
• 
  Descărcarea proprie: bateriile speciale trebuie să aibă o rată proprie de descărcare mică şi o durată de viaţă cât mai mare (din această cauză, bateriile Aer-Zinc nu sunt atractive, cu toate că posedă o densitate energetică mare);
  
• 
  Reîncărcare eficientă: reîncărcarea trebuie să fie eficientă chiar la curenţi de încărcare slabi şi intermitenţi, iar bateria trebuie să nu manifeste efecte de memorie. Unele modalităţi de recuperare energetică nu pot produce decât curenţi în regiunea microamperilor, tehnologia actuală de producere a bateriilor nu poate asigura încărcarea în această regiune;
  
• 
  Relaxare: efectul de relaxare, ce mimează apariţia unei sarcini într-o baterie descărcată este produs de difuzia chimică în interiorul celulei. Dacă aces efect este utilizat corect, se poate extinde considerabil durata de viaţă a bateriei, prin utilizarea în paralel a mai multor surse de alimentare.
  

Tabelul de mai jos prezintă câteva valori uzuale pentru diferitele combinaţii de electroliţi:

Baterii primare	Zinc-Aer	Litiu	Alcalin
Energie chimică (J/cm^3)	3780	2880	1200
Baterii secundare	Litiu	NiMHd	NiCd
Energie chimică (J/cm^3)	1080	860	650

Tabel 1 Densităţi energetice pentru diverse tipuri de baterii primare şi secundare

• 
  Surse de energie neconvenţionale: pe lângă alimentarea furnizată de baterii s-au luat în considerare diverse metode auxiliare de obţinere a energiei. Celulele de combustibil pot produce energie electrică prin oxidarea hidrogenului sau a hidrocarburilor. E important de considerat că celulele de combustibil au în general densităţi foarte mari de energie electrochimică (de ex. metanolul contine 17.6kJ/cm³). Din păcate, metodele actuale de obţinere a energie se bazează pe sisteme a căror dimensiune nu este deloc neglijabilă. Miniaturizarea unei turbine la un nivel convenabil reprezintă un efort considerabil de cercetare, pentru outputuri prezise de 0.1-10W pentru un volum ocupat de 1cc. Ca surse alternative a fost propusă şi utilizarea substanţelor radioactive precum şi condensatoarele de mare capacitate şi calitate din aur, ce pot stoca cantităţi mari de energie, pot fi uşor încărcaţi şi nu se uzează cu uşurinţă.
  

Un rol important în funcţionarea eficientă a unui senzor îl are conversia CC-CC. Aceasta este utilizată pentru rezolvarea descărcării neliniare a bateriei. Pe măsură ce voltajul debitat de baterie scade, din ce în ce mai puţină putere este livrată circuitelor, cu consecinţe immediate asupra frecvenţelor produse de oscilator şi cu o putere de emisie mai mică, raza acestuia scăzând odată cu descărcarea bateriei.

Un convertor în curent continuu poate rezolva aceste probleme reglând tensiunea livrată circuitelor nodului. Pentru a obţine o tensiune constantă pe măsură ce capacitatea bateriei scade, convertorul trebuie să preia curenţi cu o intensitate crescută, pe măsură ce bateria se consumă, accelerând astfel consumul. În plus, convertorul consumă el însuşi curent, scăzând eficienţa de ansamblu. Avantajul este însă funcţionarea predictibilă pe durata unui ciclu de viaţă determinabil.

Majoritatea surselor de energie ce pot fi utilizate de un senzor se bazează pe convertirea unei forme secundare stocate în energie electrică. Sursa de energie e stocată în interiorul nodului. Când sursa se epuizează, nodul cedează.

Pentru a asigura noduri cu o durată de viaţă mare, sunt innaceptabile soluţiile a căror sursă de energie se epuizează repede. Este de preferat ca mediul înconjurător să poată fi folosit în alimentarea nodului, prin recuperare de energie. Există mai multe abordări, descrise pe larg în [14, 15]:

Pile fotovoltaice: celulele de acest tip pot fi utilizate pentru alimentarea nodurilor senzor. Puterea disponibilă este dependentă de plasarea în interior sau în exterior a nodurilor, precum şi de momentul temporal şi climatul în care sunt utilizaţi. Puterea utilizabilă este situată în intervalul 10μW/cm² – 15mW/cm². Celulele ating o tensiune destul de stabilă de 0.6V cât timp curentul de descărcare nu atinge o valoare limită, care este dependentă, printre altele, de intensitatea luminoasă. Prin urmare, celulele fotovoltaice se utilizează în principal la reîncărcarea bateriilor secundare.

Gradienţi de temperatură: diferenţele de temperatură pot fi direct convertite în energie electrică. În teorie, se pot obţine rezultate bune şi dintr-o diferenţă de 0.5K, dar în prcatică rezultatele sunt limitate de eficienţa Carnot. Sunt disponibile generatoare termoelectrice pe baza efectului Seebek, care pot produce 80μW/cm² la 1V pentru o difernţă de 5K.

Vibraţii: sunt o formă aproape omniprezentă a energiei mecanice. Clădirile vibrează din cauza traficului, sistemele mecanice prezintă uzual vibraţii de joasă frecvenţă, sistemele de ventilaţie produc deasemenea vibraţii. Energia disponibilă varfiază de la 0.1μW/cm³ la 10000μW/cm³, în cazuri extreme. Convertirea vibraţiilor în energie electrică este facilă, prin mai multe metode disponibile: electrostatic, electromagnetic şi piezoelectric. Dispozitive realizabile practic de 1cm³ pot produce 200μW/cm³, sursele de vibraţie de 120Hz s-au dovedit suficient de puternice pentru a alimenta emiţătoare radio simple. Un exemplu de dispozitiv cu condensator variabil este reprodus în figura de mai jos.

Fig. 3 Dispozitiv MEMS pentru conversia vibraţiei în energei electrică bazat pe un condensator variabil

Variaţii de presiune: se folosesc deja dispozitive de conversie bazate pe efectul piezoelectric, ce pot produce în medie 330 μW/cm³, dar nu s-a putu găsi o soluţie viabilă de integrare într-o reţea de senzori.

Tabelul 2 prezintă o scurtă comparaţie a surselor de energie şi a eficienţei acestora. Valorile sunt orientative, datorită tehnologiilor seminificativ diferite utilizate pentru a obţine energie.

Sursa de energie	Densitatea energetică
Baterii(Zinc-Aer)	1050-1560 mWh/cm^3
Baterii(Litiu, reîncărcabile)	300 mWh/cm^3
Lumină (exterior – soare)	15 mW/cm^2
Lumină (exterior – noros)	0.15 mW/cm^2
Lumină (interior – std)	0.006 mW/cm^2
Lumină (interior – <60W)	0.57 mW/cm^2
Vibraţii	0.01-0.1 mW/cm^3
Zgomot acustic (75dB)	0.000003 mW/cm^2
Zgomot acustic (100dB)	0.000096 mW/cm^2
Reacţie nucleară	80 mW/cm^3, 1000000 mWh/cm^3

Tabel 2 Comparaţia eficienţei surselor energetice
După cum se poate observa, recuperarea energiei este ineficientă în acest stadiu, şi nu poate fi utilizată decât cu surse secundare de alimentare, deoarece nu pot oferi o reîncărcare constantă şi neîntreruptă. Acest aspect necesită circuite suplimentare pentru a regulariza fluctuaţiile, precum şi baterii reîncărcabile la curenţi mici. O abordare alternativă a fost propusă de Kansal şi Srivastava [16], ce constă în proiectarea de protocoale şi algoritmi care să ţină cont de caracteristicile procesului de reîncărcare în modelarea instrucţiunilor şi stărilor reţelei de senzori.