que o local dos testes não é o local definitivo onde acontecerão os lançamentos dentro do CLBI.
Na Figura 4.3 é possível observar Um VANT quadrirrotor com Módulo Xbee, antena Wire, um microcomputador Raspberry PI com Módulo Xbee e antena de longo alcance, a Estação Base com software para Gerência de rede e o módulo Xbee, antena Wire (Souza 2017).
Figura 4.3: Dispositivos utilizados para os testes da Arquitetura de Hardware Adaptado de (Souza 2017)
4.3
Arquitetura de Software
No sistema operacional há suporte ao protocolo de gerenciamento de redes SNMP e o softwareX-CTU R (XCTU 2017) para testes de performance, assim como uma aplicação
desenvolvida na linguagem de programação de alto nível Phyton, utilizando o modelo cliente servidor para troca de mensagens de controle da área monitorada e envio de dados de telemetria e imagens. A aplicação desenvolvida é um programa monitor para a troca de mensagens e coleta de dados que serão armazenados em banco de dados. Três tipos de mensagens são utilizadas: 01 - controle, 02 - dados e 03 - confirmação.
O lado cliente da aplicação fica instalado no sistema operacional embarcado em cada VANT da esquadrilha. Ao receber informações do subsistema de processamento de ima- gens, é feita a codificação dos dados executando ações como coletar hora, localização, controle de envio, imagem (se for mensagem de dados). Assim, são preparadas as men- sagens de controle ou dados para serem enviadas à porta serial que está conectada ao dispositivo XBee. Dessa maneira é feito o controle de mensagens com o preenchimento dos campos de cabeçalho, e após o seu envio, aguarda-se o recebimento ou retorno das mensagens de confirmação. Quando uma mensagem é encaminhada por um nó interme- diário na rede em malha, o controle do salto para o próximo nó é feito pela camada de rede do dispositivo XBee.
O lado servidor da aplicação fica na Estação Base e faz a decodificação das infor- mações nas mensagens de controle recebidas. É montado um mapa da área já varrida através das localizações recebidas pelo cliente e informa se foi localizado algum barco.
38 CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO
O servidor recebe mensagem de dados com partes da imagem, fazendo a remontagem e, ao final, disponibiliza a imagem recebida. O servidor envia mensagens de retorno com a confirmação das partes recebidas da imagem de modo que o cliente não reenvie dados. O servidor armazena as informações em um banco de dados, para consulta.
A seguir, é descrito o formato das mensagens transmitidas pela aplicação de transporte de dados.
Mensagem de Controle
As mensagens de controle contêm informações de comando e telemetria dos VANTs, sendo essas enviadas periodicamente, a cada três segundos para a Estação Base. A quan- tidade de mensagens ou pacotes de Controle pode ser pré-definida em função da área que será monitorada. Assim é possível saber a quantidade de pacotes que deverá chegar ao destino e todas tem o mesmo formato e tamanho. A mensagem contêm as informa- ções com os campos para: ID, Tipo de mensagem, Número do Nó, Número do pacote, Hora do envio, Localização atual, Localização de alvos encontrados, Quantidade de alvos encontrados. A Figura 4.4a) mostra o formato da mensagem de controle.
O objetivo dessa mensagem é informar ao operador, que está na estação de controle, a área que já foi monitorada pela esquadrilha e se algum nó encontrou um alvo, incluindo a localização do mesmo. O campo "Localização de alvos encontrados"é acumulativo. O mesmo envia a localização do alvo encontrando e a localização do alvo anterior encon- trado. Assim, quando o sistema de processamento de imagens detecta um possível alvo, as duas últimas coordenadas geográficas permanecem nos pacotes subsequentes, de tal maneira que, se por algum motivo o pacote for perdido, os próximos pacotes também enviam a informação com a localização do alvo encontrado. Para que as mensagens de controle tenham o mesmo tamanho, os campos podem ser preenchidos com zeros, caso ainda não tenha encontrado alguma embarcação.
Exemplo de uma mensagem de controle, onde a vírgula indica o fim de um campo e o ponto e vírgula o final do pacote: "001, 01, 04, 001, 15:23:02, -05.9214470/-35.1444054, -05.9214470,-35.1444134, -00.0000000/-00.0000000, 01;". Essa mensagem significa que o pacote com ID 001, Mensagem do tipo 01 de controle, Nó da Rede numero 04, Pacote enviado 001 (primeiro envio), enviado às 15 horas, 23 minutos e 02 segundos, na locali- zação Geográfica -05.9214470/-35.1444054, encontrou uma embarcação na coordenada -05.9214470,-35.1444134, e o total de alvos detectados é igual a um. Com essa informa- ção, um alerta aparece para o operador localizado na estação base de controle, que devera confirmar o alvo tomando as devidas precauções.
Mensagem de Dados
As mensagens de dados são usadas para transmitir imagens, informações de localiza- ção e outras informações obtidas quando um barco é detectado. A mensagem de dados só é enviada quando é encontrado algum alvo. O subsistema de processamento de imagens disponibiliza para envio a imagem inteira ou o recorte com o alvo. A imagem pode ser compactada em micro imagens ou então, dependendo do cenário, a aplicação vai dividir a mensagem para que não ocorra a sua fragmentação. Ou seja, a aplicação é quem realiza
4.3. ARQUITETURA DE SOFTWARE 39
a fragmentação das mensagens, não sendo essa ação responsabilidade das camadas infe- riores como a camada de rede ou física. Como a PDU possui 256 bytes, a aplicação faz a divisão da mensagem, calcula a quantidade de pacotes que serão enviados, considerando os campos de cabeçalho e os dados referente a imagem. A imagem é convertida para um vetor utilizando a Biblioteca OpenCV (Open Source Computer Vision Library) para Python. A mensagem de dados contêm as informações com os campos para: ID, Tipo de mensagem, Número do Nó, Número do pacote, Quantidade de pacotes, Hora do envio, Localização do Alvo encontrado, Vetor com imagem do alvo encontrado. A Figura 4.4b) mostra o formato da mensagem de dados. Exemplo de uma mensagem de dados, onde a vírgula indica o fim de um campo e o ponto e vírgula o final do pacote: "001, 02, 04, 001, 500, 15:23:03, -05.9214470,-35.1444134,101010101010101010101...(Até comple- tar 256 bytes);". Os dados com informações de localização tem um overhead de 52 bytes, restando para o vetor com as partes da imagem do alvo encontrado 204 bytes. Como o sistema de processamento de imagens utiliza imagens de aproximadamente 100 Kby- tes, quando envia uma imagem completa, será necessário o envio de aproximadamente 500 pacotes de dados para transmitir a mesma. Este número pode ser reduzido caso seja enviada apenas a parte da imagem que contem a embarcação.
Mensagem de Confirmação
As mensagens de confirmação transmitem a resposta do recebimento de mensagens de dados. A mensagem de confirmação é o ACK enviado pelo receptor ao transmissor. A mensagem de confirmação envia apenas a confirmação do ultimo pacote de dados re- cebido. Por exemplo, ao receber as mensagens de dados de 001 até 005, a confirmação enviada sera apenas com o ID 005, e ao receber a confirmação do pacote 005, o emissor identifica que todos os pacotes até o ID foram recebidos na Estação Base. A mensagem de confirmação contêm as informações com os campos para: ID da última mensagem recebida, Tipo, Identificação do Nó. A Figura 4.4c) mostra o formato da mensagem de confirmação. Exemplo de uma mensagem de confirmação, onde a vírgula indica o fim de um campo e o ponto e vírgula o final do pacote: "005, 03, 04;". Essa mensagem significa que a Estação Base está enviando para o nó 04 da rede a confirmação que recebeu até o pacote 005.
Mensagens de controle e confirmação são mensagens pequenas, sendo necessário um pacote para cada mensagem. As mensagens de dados contêm uma imagem, sendo essas maiores que a PDU1(Protocol Data Unit) suportada para envio de um pacote em redes ZigBee. No projeto, as imagens utilizadas pelo sistema de processamento de imagens tem em média 100 Kbytes. Assim, para o envio de uma imagem será necessário a transmissão de diversos pacotes para que a mesma possa ser transmitida.
Com a intermitência de uma rede sem fio sobre o mar e sem um controle de trans- missão e remontagem de dados, podem ocorrer retransmissões de pacotes devido a falha de um pacote em um bloco de mensagens a ser enviado. O excesso de tentativas e re- transmissões compromete a capacidade energética de todos os nós. Do mesmo modo, a
1PDU: (Segundo fabricante o tamanho da PDU é até 256 bytes sem criptografia, sendo a variação desse
40 CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO
Figura 4.4: Formato das mensagens de Controle, dados e confirmação do sistema proposto que realiza a troca de mensagens na FANET
utilização de um código que tenha a capacidade de detecção e correção de erros (FEC), quando não há necessidade, resulta no aumento consumo de energia para transmitir bits de paridade. Sendo assim, uma possível solução pode ser desenvolver um sistema adapta- tivo de detecção e correção de erros, no qual esse sistema teria a capacidade de aumentar ou diminuir a taxa de correção de erros, de acordo com a qualidade da transmissão e a taxa de erros. Outra solução pode ser utilizar técnicas interpixel para reconstrução de imagens. A imagem é reconstruída com os pacotes recebidos, sem os pacotes perdidos. Em um sistema em que a taxa de erros e a retransmissão de pacotes é muito alta, pode até ser mais vantajoso que a aeronave volte para a base com a imagem e localização do alvo e os nós se organizarem em nova formação. Essa alternativa deve ser adotada em último caso, após esgotar tentativas de retransmissão e correção de erros, ou quando a bateria esteja em um nível crítico.
Capítulo 5
Protocolo de Testes
Para validar os dispositivos da arquitetura de rede proposta no Capítulo 4, foi de- senvolvido um protocolo de testes para análise de desempenho da rede no sistema multi VANTs a ser aplicada em uma formação sem decomposição de área, conforme descrito na Sessão 3.2. Este capítulo apresenta a estrutura de hardware montada para que se possa simular o funcionamento da rede em malha e realizar os experimentos avaliando o desem- penho.
5.1
Testes da Rede Sem Decomposição de Área
Para avaliar a arquitetura de rede proposta para o sistema multi VANT, a mesma foi implementada usando uma esquadrilha de helicópteros quadrirrotores, nos quais foi em- barcada a arquitetura de hardware para avaliar o desempenho da rede. Nos testes iniciais, foi adotada a estratégia de varredura em espiral sem subdivisão da área monitorada e com velocidade de voo constante. Nesse caso, os VANTs voaram em formação compacta, con- forme descrito na seção 3.2, de forma a que a distância entre os nós foi definida de acordo com os requisitos do projeto SPACEVANT, que determinam parâmetros como altura do voo e abertura da câmera e a sobreposição da área de captura de imagem do nó vizinho (Silva et al. 2015).
Para a estratégia de varredura adotada, foi analisado até qual distância de afastamento os nós têm uma comunicação confiável e o tempo para reorganização da rede em caso de perda de um nó. A troca de mensagens entre a estação base e os nós, se deu por intermédio de um único nó eleito como Coordenador ZigBee em uma rede ponto a ponto. Nos outros VANTs, os módulos XBee são configurados como Roteadores ZigBee, formando uma rede em malha(Mesh) para enviar dados até o nó Coordenador, o qual foi responsável por encaminhar as mensagens da esquadrilha para a Estação Base e vice-versa. Os nós folhas, foram configurados como dispositivo finais ZigBee. O objetivo foi a avaliação do desempenho da rede através de testes de transmissão de dados, assim como o consumo de energia de cada VANT. O teste foi realizado em menor escala. No cenário adotado existe uma estação base, constituída por um Notebook conectado a um módulo XBee idêntico aos que são embarcados nos quadrirrotores. Assim, considerando uma estratégia de varredura sem decomposição de área, este nó da rede desempenha a função do nó hubcoordenador da rede, (aeronave com suficiente capacidade de transmissão de longo
42 CAPÍTULO 5. PROTOCOLO DE TESTES
alcance), a partir do qual é intermediada a comunicação de dados entre a FANET e o centro de controle do CLBI em terra firme.
Foi avaliado o desempenho com base nos seguintes itens: • Largura de banda;
• Perda de pacotes;
• RSSI e potência do sinal; • Tempo de envio dos dados;
• Tempo de recomposição da rede na falha do nó; • Consumo de energia.