De acordo com25, este tipo de topologia h´ıbrida mesh-estrela pode ser utilizado em aplica¸c˜oes agr´ıcolas onde v´arios sensores s˜ao conectados em malha a um n´o sorvedouro que, por sua vez, se conecta a um ponto de acesso operando como um gateway respons´avel por completar a liga¸c˜ao com a Internet. A ilustra¸c˜ao deste tipo de topologia ´e mostrada na Figura 8.
Figura 8 – Topologia h´ıbrida entre uma rede mesh ZigBee e ponto de acesso estrela. [25].
Para46as aplica¸c˜oes para agricultura de precis˜ao utilizando rede de sensores IoT s˜ao diversas, entre elas o monitoramento atmosf´erico, monitoramento de solo, monitoramento de ´
agua, monitoramento de plantas, controle de irriga¸c˜ao, controle de fertilizantes, pesticidas e controle de ilumina¸c˜ao. Algumas tecnologias utilizadas na literatura, bem como frequˆencia de envio de leitura de dados e referˆencias podem ser visto na Tabela 2. A topologia proposta pode ser utilizada para todos estes casos, melhorando o QoS (por incluir regi˜oes sombreadas) e sendo planejada para melhorar a eficiˆencia do consumo de energia.
Em aplica¸c˜oes de controle de irriga¸c˜ao s˜ao utilizados sensores de umidade e tem- peratura medindo as condi¸c˜oes clim´aticas e umidade do solo, mediante as leituras dos sensores e regras pr´e-determinadas. Em 53´e utilizado uma WSN h´ıbrida ZigBee e Wi-Fi para um sistema inteligente de irriga¸c˜ao. J´a em 54, os autores utilizam o ZigBee e GPRS para automatizar o processo de irriga¸c˜ao e investigar o desempenho e a qualidade do enlace de r´adio atrav´es de medi¸c˜oes com o indicador de potˆencia RSSI (do inglˆes Received Signal Strength Indicator ). Al´em disso, os autores monitoraram a vida ´util da bateria para os n´os sensores e puderam verificar como o tempo de vida da bateria do sensor afeta na robustez
Cap´ıtulo 3. Tecnologias de Comunica¸c˜ao sem Fio para IoT 20
Tabela 2 – Aplica¸c˜oes agr´ıcolas onde a topologia proposta pode ser utilizada Dom´ınio Aplica¸c˜ao Tec. de rede sem fio Gera¸c˜ao de tr´afego Referˆencia Controle de irriga¸c˜ao Wi-Fi HaLow 4 minutos [47]
Monitoramento de vinhedos LoRaWAN e 3G 30 minutos [48] Monitoramento de plantas Wi-Fi Mesh 5 a 15 minutos [49] Monitoramento atmosf´erico Wi-Fi e 4G 10 minutos [50]
Monitoramento de vinhedos 4G 15 minutos [51]
Telemetry Wi-Fi e Bluetooth 1 minutos [52]
da implanta¸c˜ao da rede de sensor sem fio. Utilizando a topologia proposta neste trabalho, ao inv´es do Wi-Fi ou GPRS seria utilizado LoRaWAN, tecnologia que consome menos energia que estas duas citadas.
Outra aplica¸c˜ao agr´ıcola para as rede de sensores sem fio IoT ´e o uso na fertiliza¸c˜ao em lavouras. A fertiliza¸c˜ao ´e feita na etapa do plantio e afeta diretamente o crescimento de plantas e a qualidade dos alimentos. O desafio de se aplicar dosagens corretas tem sido fonte de pesquisas que se baseiam no sensoriamento de umidade, condutividade, temperatura, pH do solo, umidade, concentra¸c˜ao de 𝐶𝑂2 no ar e ilumina¸c˜ao [25]. Atrav´es
da topologia h´ıbrida proposta ´e poss´ıvel ligar todos estes sensores na rede mesh e definir o CH para a rede estrela, garantindo a comunica¸c˜ao de todos os dispositivos. Com os dados gerados atrav´es da rede de sensores, ´e poss´ıvel utilizar um sistema de suporte `a decis˜ao para a fertiliza¸c˜ao a partir de modelos matem´aticos como feito em 55. No entanto, neste trabalho foi utilizado Wi-Fi que possui menor ´area de cobertura e consome mais energia.
Em56foi implementado uma plataforma de nuvem IoT privada que pode ser usada como base para pesquisa e desenvolvimento nos dom´ınios de agricultura de precis˜ao e monitoramento ecol´ogico em vin´ıcolas. Neste sistema haviam sensores de temperatura do ar, umidade relativa, press˜ao, temperatura do solo, umidade do solo, velocidade do vento e umidade da folha. Todos os n´os da rede foram equipados com um modem GPRS e configurados para enviar dados coletados pelo sensor a cada 15 minutos. Sua finalidade era a previs˜ao de umas das principais doen¸cas em videiras, o M´ıldio da Videira (Plasmopara viticola).
Outro exemplo no contexto de vin´ıcolas ´e apresentado em [57], onde diversos sensores comunicando na faixa de frequˆencia ISM de 433 MHz enviam os dados para um concentrador e este encaminha para o servidor atrav´es de GSM/GPRS. Nestes dois exemplos de aplica¸c˜oes para monitorar e controlar vin´ıcolas, a rede proposta neste trabalho pode ser utilizada, trazendo vantagens em rela¸c˜ao ao GPRS, principalmente em rela¸c˜ao ao consumo de energia.
Al´em das aplica¸c˜oes agr´ıcolas, uma rede de sensores sem fio com a topologia hibrida LoRa e ZigBee pode ser utilizado para diversas outras aplica¸c˜oes, como urbanas, industriais,
Cap´ıtulo 3. Tecnologias de Comunica¸c˜ao sem Fio para IoT 21
casas inteligentes e monitoramento ambiental, desde que estas n˜ao demandem aplica¸c˜oes em tempo real. Como em 58 em que uma estrutura ´e explorada por smart grid em que um protocolo ´e proposto, chamado link prim´ario - protocolo de recupera¸c˜ao, ´e adaptado para uma rede de topologia em estrela instalada profissionalmente e apresenta a vantagem de eliminar v´arios rel´es necess´arios em um ambiente t´ıpico de v´arios saltos.
A Figura 9 ilustra as topologias de rede em estrela, mesh e h´ıbrida aplicadas em redes de sensores para regi˜oes urbanas, onde o gateway conectado `a Internet ´e a esta¸c˜ao r´adio-base. Na Figura 9(a), utilizando a rede estrela LoRa, os sensores na regi˜ao sombreada n˜ao conseguem estabelecer comunica¸c˜ao. Na Figura 9(b), utilizando a rede mesh ZigBee, n˜ao foi poss´ıvel se conectar `a Internet devido `a longa distˆancia at´e a radio-base. Como visto na Figura 9(c), s´o foi poss´ıvel estabelecer a comunica¸c˜ao de todos os pontos com a esta¸c˜ao radio-base utilizando a topologia h´ıbrida proposta neste trabalho.
(a) região sombreada link quebrado Reflexão Espalhamento Difração Estação
Rádio-base EstaçãoRádio-base
Estação Rádio-base (c) Estrela Mesh Cluster Head (b)
Figura 9 – Topologias de rede em (a) estrela, (b) mesh e (c) h´ıbrida aplicadas em redes de sensores para regi˜oes urbanas.
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4 T´ecnicas de IA aplicados `a rede de sen-
sores
A seguir, seguem os algoritmos de otimiza¸c˜ao aplicados neste trabalho `a redes de sensores.