Deteção remota amplificada para suporte à decisão: proposta de extensão ao sistema de controlo - processo de uma exploração agrícola de produção de cogumelo

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Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Deteção Remota Amplificada para Suporte à Decisão

- Proposta de Extensão ao Sistema de Controlo - Processo

de uma Exploração Agrícola de Produção de Cogumelo

Dissertação de Mestrado em Engenharia Informática

José Manuel Coelho Alves

Orientadores: Professor Doutor Frederico Branco Professor Doutor Ramiro Gonçalves

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Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Deteção Remota Amplificada para Suporte à Decisão

- Proposta de Extensão ao Sistema de Controlo - Processo

de uma Exploração Agrícola de Produção de Cogumelo

Dissertação de Mestrado em Engenharia Informática

José Manuel Coelho Alves

Orientadores: Professor Doutor Frederico Branco Professor Doutor Ramiro Gonçalves

Composição do Júri:

Professor Doutor Paulo Nogueira Martins

Professor Doutor Fernando Joaquim Lopes Moreira

Professor Doutor Frederico Augusto dos Santos Branco

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Dissertação apresentada por José Manuel Coelho Alves à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática, sob a orientação do Prof. Doutor Frederico Branco, Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias da Universidade de Trás-os-Montes e do Prof. Doutor Ramiro Gonçalves, Professor Associado com Agregação do Departamento de Engenharias da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro.

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Aos meus pais pelo apoio incondicional.

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vii

Ag

Agradecimentos

Quero aproveitar este espaço para deixar umas simples palavras de agradecimento a todos que contribuíram direta e indiretamente para a elaboração deste trabalho, grato a todos.

Agradeço ao Professor Doutor Frederico Branco pela sua orientação, ajuda, paciência e sobretudo pela sua amizade. Agradeço também ao Professor Doutor Ramiro Gonçalves por toda a sua disponibilidade.

Um agradecimento ao meu colega e amigo Eng. Daniel Martins, sem ele este trabalho seria mais difícil, obrigado por todo o apoio e ajuda.

Fica também um agradecimento emotivo aos meus pais e irmã pelo incondicional apoio, em especial à minha mãe pela eterna saudade, sei que ficaria muito contente com o momento, estou profundamente grato.

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viii

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ix

Re

Resumo

O grupo Sousacamp é um grupo de empresas dispersas pela península ibérica que opera na área agroalimentar, com enfase na produção de cogumelo. O cogumelo é produzido em ambiente controlado dentro de salas de produção construídas para o efeito. A produção do cogumelo é orientada por um programa informático específico, com acesso a atuadores, controladores e leituras de sensores nas salas de produção. São controlados fatores ambientais como a temperatura e humidade relativa do ar.

O objetivo deste trabalho é ampliar a informação disponível sobre as condições ambientais das áreas de produção, ajudando no suporte à decisão na produção de cogumelo do grupo Sousacamp. Para atingir esse objetivo, pretende-se desenvolver e implementar uma rede de sensores sem fios (RSSF), modular e de baixo custo para obter mais dados sobre o ambiente envolvido na produção. Essa rede será responsável por obter leituras de valores ambientais em pontos estratégicos dentro das salas e enviar esses dados para um sistema informático, onde podem ser processados e analisados. Este trabalho enquadra-se no tema das RSSF aplicadas na agricultura.

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x

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xi

Ab

Abstract

The Sousacamp Group is dispersed throughout the Iberian Peninsula operating in the agrifood area with emphasis on mushroom production. They are produced in environmental controlled production rooms specifically designed for this purpose. The mushroom production is driven by a specific software that has access to actuators, controllers and sensor readings inside each of the production rooms. They control and act over environmental factors such as temperature and relative humidity.

The purpose of this work is to expand and enhance the information available on the environmental conditions of the production areas, assisting in decision support and optimizing the mushroom production process of the Sousacamp group. To achieve this goal, we intend to develop and implement a wireless sensor network (WSN). It should be low cost and modular so that it can acquire more environment data necessary in the production. This network will be responsible for gathering relevant environmental data at strategic points inside the rooms and send that data over to a server to be saved, which can afterwards be processed and analysed. This work is part of the theme of WSN applied in agriculture.

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xii

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xiii

PC

Palavras-chave

 Rede de Sensores Sem Fios (RSSF)  Agroalimentar

 Sistema de Suporte à Decisão  Monitorização Ambiental  Arduino

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xiv

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xv

KW

Keywords

 Wireless Sensor Network (WSN)  Agrifood

 Decision Support System  Environmental Monitoring  Arduino

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xvi

“Algo só é impossível até que alguém duvide e acabe por provar o contrário.”

Albert Einstein (1879-1955)

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xvii

ÍG

Índice Geral

Agradecimentos ... vii Resumo ... ix Abstract ... xi Palavras-chave ... xiii Keywords ... xv

Índice Geral ... xvii

Índice de Tabelas ... xix

Índice de Figuras ... xxi

Acrónimos ... xxiii

1. Introdução ... 25

1.1. Motivações, objetivos e contributos ... 25

1.2. Estrutura da Dissertação ... 27

2. Rede de Sensores sem Fios ... 29

2.1. Definições e Conceitos ... 29

2.2. Evolução Histórica das Comunicações Sem Fios ... 30

2.3. Investigação atual... 33 2.3.1. Contributo ... 33 2.3.2. Autonomia ... 35 2.3.3. Desempenho ... 36 2.3.4. Segurança ... 37 2.4. Utilizações/Aplicações ... 38 2.4.1. Indústrias ... 38 2.4.2. Doméstico ... 38 2.4.3. Agricultura ... 39 2.4.4. Indústria alimentar ... 40 2.4.5. Saúde ... 40

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xviii

2.4.6. Monitorização Ambiental ... 41

2.4.7. Aplicações Militares ... 41

2.4.8. Automação ... 42

2.5. Futuro das Redes ... 42

3. Arquitetura da RSSF a Desenvolver ... 45

3.1. Requisitos dos vários dispositivos ... 45

3.2. Arquitetura da rede ... 46

3.3. Nó Sensor ... 46

3.4. Nó Gateway ... 48

3.5. Placa Base de Desenvolvimento ... 49

3.5.1. Arduino ... 49

3.5.2. Moteino ... 50

3.6. Módulos Escolhidos para os Dispositivos ... 51

3.6.1. Módulo Rádio ... 51

3.6.2. Sensores ... 52

3.6.3. Módulo de Monitorização da Bateria ... 55

3.6.4. Conversor DC-DC ... 56

3.6.5. Módulo TCP/IP ... 56

3.6.6. RTC ... 57

3.6.7. Microcontrolador e Memoria Flash ... 57

4. Protótipo Desenvolvido da Rede de Sensores Sem Fios ... 59

4.1. Hardware Desenvolvido ... 59 4.1.1. Nó Sensor ... 59 4.1.2. Nó Gateway ... 62 4.2. Arquitetura de Comunicação ... 63 4.3. Software desenvolvido ... 65 4.4. Resultados ... 66 5. Considerações Finais ... 71 5.1. Conclusões... 71 5.2. Trabalho Futuro ... 72 Bibliografia ... 73

(19)

xix

ÍT

Índice de Tabelas

Tabela 1 – Principais Características dos Sensores de Temperatura e HR Usados ... 52

Tabela 2 – Principais Características do Sensor SI7021 ... 53

Tabela 3 – Características Principais de do Sensor de Pressão ... 54

Tabela 4 – Principais Características Conversor DC-DC ... 56

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xx

(21)

xxi

ÍF

Índice de Figuras

Figura 1 – Esquema Geral da Rede ... 46

Figura 2 – Esquema Geral do Nó Sensor ... 47

Figura 3 – Esquema Geral do Nó Gateway ... 48

Figura 4 – Arduino Uno ... 50

Figura 5 – RFM69W ... 51

Figura 6 – Sensores de Temperatura e HR Usados ... 53

Figura 7 – Módulo Sensor Temperatura e HR (SI7021) ... 53

Figura 8 – Módulo Sensor de Pressão (BMP180) ... 54

Figura 9 – Módulo com o Sensor de CO2 ... 55

Figura 10 – Módulo Monitorização Bateria ... 55

Figura 11 – Módulo DC-DC Usado no Nó Gateway ... 56

Figura 12 – Módulo TCP/IP ... 57

Figura 13 – Módulo RTC ... 57

Figura 14 – Moteino e MoteinoMega ... 58

Figura 15 - Esquema de Ligações do Nó Sensor ... 59

Figura 16 - Protótipo do Nó Sensor de Temperatura e HR ... 60

Figura 17 - Esquema de Ligações do Nó Sensor de CO2 ... 61

Figura 18 - Esquema do Circuito que Liga/Desliga o Sensor de CO2 ... 61

Figura 19 - Protótipo Nó Sensor CO2 ... 62

Figura 20 – Esquema de ligações do Nó Gateway ... 62

Figura 21 – Protótipo do Gateway ... 63

Figura 22 – Posição dos Dispositivos Numa Sala ... 64

Figura 23 – Arquitetura do Sistema ... 66

Figura 24 – Nós Sensores na Sala de Produção ... 67

Figura 25 – Gráfico Comparativo da Temperatura do Substrato ... 67

Figura 26 - Gráfico Comparativo da Temperatura do Ar ... 68

Figura 27 - Gráfico Comparativo da Humidade Relativa ... 68

Figura 28 – Evolução da Carga da Bateria de um Nó Sensor ... 69

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xxii

(23)

xxiii

Ac

Acrónimos

Nesta dissertação são utilizadas abreviaturas de designações comuns apenas apresentadas aquando da sua primeira utilização:

AES Advanced Encryption Standard

CI Circuito Integrado

CO2 Dióxido de Carbono

DARPA Defense Advanced Research Projects Agency

DC Direct Current

EUA Estados Unidos da América

FCC Comissão Federal de Comunicações

GEO Geosynchronous Earth Orbit

GSM Global System for Mobile Communications

hPa Hectopascal

HR Humidade Relativa

I2_C _{Inter-Integrated Circuit}

IoT Internet of Things

IP Internet Protocol

ISM Industry Scientific Medical

KB Kilo Bytes

LAN Local Area Network

LED Light Emitting Diode

LEO Low Earth Orbit

LIPO Lithium Polymer

LPWAN Low Power Wide Area Network

mA miliampere

mAh miliampere-hora

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xxiv

MEO Medium Earth Orbit

MHz Mega Hertz

ms Milissegundo

nA Nano ampere

POE Power Over Ethernet

RGB Red Green Blue

RSSF Rede de Sensores Sem Fios

RTC Real Time Clock

SMS Short Message Service

SO Sistemas Operativos

TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol

µA Microampere

UPS Unit Power Supply

V Volts

WAN Wide Area Network

WLAN Wireless Local Area Network

(25)

Introdução

25

1

1. Introdução

Este trabalho enquadra-se no tema das redes de sensores sem fios (RSSF) aplicadas na agricultura, neste caso na produção de cogumelos.

1.1. Motivações, objetivos e contributos

A Sousacamp é um grupo agroalimentar com especial foco na produção, comercialização e distribuição de cogumelos. É constituída por empresas localizadas na península ibérica e tem como mercado a península ibérica e outros países da Europa. As aplicações de suporte ao negócio encontram-se centralizadas na sede, em Benlhevai, concelho de Vila Flor.

A produção de cogumelos é efetuada em salas construídas para o efeito, onde se coloca em estantes, o material usado para a produção do cogumelo, o substrato. A produção de cogumelos é assistida por um sistema de produção. Uma parte desse sistema é um programa informático que permite o controlo ambiental da sala. O programa informático usa o apoio de controladores, atuadores e sensores (Branco, 2014). Esses sensores permitem monitorizar algumas condições ambientais dentro da sala, como por exemplo, temperatura, humidade relativa e quantidade de dióxido de carbono (CO2). O sistema de produção usa a informação de

quatro pontos de temperatura do substrato, um de temperatura do ar, um de humidade relativa (HR) e um de concentração de CO2, por cada sala.

A produção de cogumelos é de extrema importância para o Grupo Sousacamp, uma vez que constitui uma fonte financeira importante e é o garante da satisfação dos seus clientes (Branco, Martins, & Gonçalves, 2012; Gonçalves, Branco, Martins, Santos, & Pereira, 2011). Para garantir uma produção eficaz e eficiente é necessário monitorizar as condições ambientais das salas de produção, permitindo desta forma controlar as várias fases do processo produtivo e garantir que a produção decorre dentro do planeado.

(26)

Introdução

26

Sensores sem fios são uma boa tecnologia para obter grande quantidade de dados. Os dados obtidos são usados para extrair informação útil. Por exemplo, podem ajudar na gestão de produção. Uma RSSF permite ajudar a monitorizar as condições ambientais das salas produtivas, dando informação extra aos responsáveis de produção. Como os dispositivos são sem fios, o impacto na instalação dos dispositivos é mínimo, uma vez que não é necessário instalar cablagem para os dispositivos, seja de comunicação ou de alimentação (Martins, 2008; Wang, Zhang, & Wang, 2006). Se o custo por nó for baixo, permite a utilização de um número substancialmente maior de sensores, quando comparado com o número atual proporcionado pelo sistema de produção.

A recolha massiva de dados servirá de base à análise visual pretendida, em que são criados painéis de controlo (dashboards) que apresentam as leituras dos múltiplos sensores, numa representação gráfica num dado intervalo de tempo. Adicionalmente, a rede de sensores pode ser utilizada para detetar falhas de energia e também possíveis problemas em equipamentos elétricos, quando aplicados com esta funcionalidade. Por exemplo, é possível verificar que um determinando equipamento não está a funcionar em condições plenas, caso as condições ambientais da sala estejam fora do padrão esperado. Quanto mais cedo as falhas dos equipamentos forem detetadas, mais fácil será reparar o problema. Assim consegue-se reduzir o risco de perdas de produção.

Se uma avaria for detetada no seu estádio inicial, pode-se evitar que uma área de produção fique completamente perdida, mitigando-se desta forma os custos relativos à paragem completa da produção provocada por essa avaria. Assim, quando é detetada uma anomalia na monotorização ambiental das salas, pretende-se que seja enviado um alerta para os responsáveis do processo para que estes tomem as devidas medidas. Quando a situação for corrigida, os responsáveis recebem mais uma notificação a indicar que as condições estão normalizadas.

Com este trabalho pretende-se um sistema de monitorização com os seguintes objetivos:

1. Conceber um sistema de monitorização que amplifique a recolha de dados do sistema existente de controlo ambiental;

2. Criar uma rede de sensores sem fios, de baixo custo, usando conceitos de open

source, para monitorizar diversos valores de interesse ao processo produtivo

(27)

Introdução

27

3. Desenvolver um sistema de suporte à decisão, baseado em visualização de dados, construindo painéis de controlo (dashboards);

4. Complementarmente, implementar funcionalidades de alerta para os desvios aos valores normais ou falhas graves de equipamentos.

Assim, pretende-se desenvolver e implementar um protótipo de uma rede de sensores sem fios de baixo custo e modular que permita auxiliar na produção de cogumelos. A solução a desenvolver passa pela utilização de conceitos open source, que permitam ir ao encontro do objetivo da criação de nós sensores de baixo custo, portabilidade e dimensão reduzida, em detrimento da utilização de tecnologia proprietária. A rede será constituída por diversos nós de monitorização que têm como objetivo obter valores de vários sensores e enviar os dados obtidos por radio frequência até chegarem a um sistema informático, onde serão armazenados, processados e analisados.

1.2. Estrutura da Dissertação

Para além deste capitulo inicial, esta dissertação é constituída por mais 4 capítulos: Rede de Sensores Sem Fios (2), Arquitetura da RSSF a Desenvolver (3), Protótipo Desenvolvido (4) e Considerações Finais (5). No capítulo 2, serão descritos alguns conceitos e definições sobre as RSSF, bem como um breve resumo sobre a evolução histórica das comunicações sem fios. No capítulo 3, faz-se referência aos requisitos dos vários dispositivos a desenvolver da RSSF, bem como módulos de hardware, placas de circuitos e sensores escolhidos. O capítulo 4, centra-se sobre o decentra-senvolvimento dos protótipos, quais os componentes usados e como são ligados nos vários dispositivos desenvolvidos. Refere-se ainda sobre o software desenvolvido, bem como os resultados obtidos. O capítulo 5 refere-se às conclusões, as principais dificuldades encontradas e ao trabalho futuro.

(28)

Introdução

28

(29)

Rede de Sensores sem Fios

29

2

2. Rede de Sensores sem Fios

2.1. Definições e Conceitos

As redes de sensores sem fios (RSSF) são constituídas por uma grande quantidade de pequenos dispositivos autónomos que monitorizam condições ambientais e enviam as amostras recolhidas para um ponto centralizado (Anastasi, Conti, Di Francesco, & Passarella, 2009), geralmente uma base de dados. Alguns exemplos de aplicação destas redes são a monitorização de habitat, cuidados de saúde, controlo de tráfego e agricultura de precisão.

Segundo Silva, Silva, & Boavida (2016) as RSSF podem ser descritas como um conjunto de dispositivos ou nós sensores que têm a capacidade de se agruparem e formarem redes de elevada dimensão, apesar de poderem funcionar de forma isolada. Têm como objetivo monitorizar um conjunto de fenómenos físicos.

Para Wang et al. (2006), uma RSSF é uma rede composta por um sistema de comunicação sem fios, sensores, microcontroladores e fontes de energia. Em 2006, o autor também indicava que a capacidade de auto-organização, autoconfiguração, autodiagnóstico e auto-cura seriam os próximos desenvolvimentos.

O elemento básico das RSSF são os nós sensores. Cada nó sensor é constituído por uma bateria, um microprocessador, uma memória, um sistema de comunicação de rádio e um conjunto de sensores adequados à função que a rede vai desempenhar (Silva et al., 2016).

Uma RSSF é um sistema composto pelos nós sensores, gateways e pelo software de sistema que os suporta. A informação gerada pelo nó sensor é encaminhada para o gateway através de um meio sem fios. O gateway é o responsável por interligar os diferentes tipos de redes envolvidas, faz a ponte de ligação entre o meio da RSSF e outra rede para chegar a um sistema informático. A informação é armazenada, processada, analisada e apresentada num

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formato humanamente reconhecível, utilizando o software do sistema. Uma rede de nós pode cobrir um pequeno compartimento ou expandir-se por vários quilómetros para cobrir grandes áreas. Vários componentes da RSSF são ainda ligados com dispositivos adicionais para formar o que é conhecido como uma arquitetura RSSF (Native Instruments, 2012a).

Tal como a literatura indica, o campo de atuação dos nós sensores sem fios é amplo, o que será alvo de análise nas secções seguintes.

2.2. Evolução Histórica das Comunicações Sem Fios

Tendo como base Goldsmith (2005), a primeira rede sem fios - os sinais de fumo - existiu ainda antes da rede com fios. Os sinais de fumo eram utilizados para comunicar os ataques dos inimigos entre os postos de vigia, sendo exemplo a grande muralha da China com a comunicação feita de uma torre para outra. A comunicação com sinais de fumo conseguia ser feita a vários quilómetros de distância. No entanto, e pelo facto de esta informação estar visível a todos, os vários sinais deveriam ser combinados previamente de forma a ganharem sentido. Atualmente este meio de comunicação ainda é utilizada na religião, para anunciar que a eleição de um novo Papa.

A evolução dos sinais de fumo seguiu-se com a invenção de vidros e espelhos, com os quais era possível comunicar a largas distâncias de uma forma mais focada aos destinatários. Assim, apenas quem se cruzasse com o feixe de luz emitido pela fonte conseguira ver a comunicação. Com os ângulos corretos e fonte de luz certa era possível enviar diversos tipos de mensagem, cujo alcance poderia ser aumentado usando sistemas refletores (espelhos) entre as zonas de comunicação. Mesmo com esta forma de comunicação, deveria existir uma linha de vista entre os remetentes e os destinatários (ou os repetidores).

Estes meios de comunicação antecedem a comunicação com fios, inventada por Samuel Morse em 1838, e a invenção do telefone por Alexander Bell. Foi no final do século XIX que Guglielmo Marconi, em conjunto com as investigações de Nicola Tesla, fez a primeira transmissão sem fios via rádio, entre a Ilha de Wight (costa sul de Inglaterra) e um barco, a uma distância de aproximadamente 29 quilómetros. A partir deste momento começou o desenvolvimento e otimização da tecnologia de comunicação sem fios. Seguiu-se a sua proliferação para a utilização de rádios, televisões e comunicações, sobretudo de âmbito militar. Com a massificação e a criação de imensas rádios amadoras foi necessário regular o setor. Nos

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EUA, foi criado o “Radio Act of 1912”, uma lei que obrigava o registo de todas as rádios amadoras. Além disso, exigia também a constante procura por sinais de socorro, uma vez sucedido o acidente do Titanic, que antes de naufragar lançou o sinal.

Embora as rádios analógicas continuem a existir, gradualmente dão lugar a uma comunicação digital. A grande diferença entre a rede digital e a analógica é que o sinal digital apenas emite quando há “conteúdo”, enquanto que o sinal analógico está constantemente em emissão.

Foi na Universidade do Havai, em 1971, que nasceu o ALOHANET, uma rede rádio que interligava o campus universitário distribuído por quatro ilhas. A topologia baseada em estrela obrigava a que qualquer comunicação entre dois computadores passasse pela HUB central. Esta tecnologia do ALOHANET foi alvo de interesse do exército dos EUA, o que levou a DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) a realizar investimentos no desenvolvimento das comunicações de redes sem fios.

A velocidade das redes sem fios manteve-se durante muito tempo abaixo do 1Mbps, o que levou as indústrias para a utilização da rede cablada, que permitia velocidades na ordem dos 10Mbps. Em 1985, a FCC (Comissão Federal de Comunicações) autorizou a utilização comercial/pública das bandas ISM (Industry Scientific Medical) para produtos de rede sem fios. Contudo, esta não poderia interferir com os utilizadores primários/principais, obrigando uma utilização de baixa potência. A baixa performance, alcance, segurança e custo elevado levaram à fraca adoção das tecnologias WLAN (Wireless LAN).

Os telemóveis, a comunicação sem fios, continuam a ser um caso de sucesso. Atualmente, existem biliões de utilizadores de telemóveis em todo mundo. A primeira transmissão de voz ocorreu em 1946 entre Nova Iorque e São Francisco e em 1946, foi introduzido publicamente o serviço de telefonia móvel. Os sistemas chegaram rapidamente ao limite da capacidade de utilização, com apenas 543 utilizadores. Nos anos 50 e 60, a AT&T iniciou a investigação para a melhoria da capacidade das redes móveis. O facto de a força de sinal enfraquecer com a distância, permitiu a reutilização dos canais, através da divisão de uma área em subáreas. No entanto, o seu grande sucesso provocou a saturação do serviço, obrigando ao desenvolvimento da segunda geração da telefonia móvel, baseada em sinais digitais.

Os chamados pagers são, também, um exemplo de um serviço de dados sem fios com muito sucesso, tendo atingido mais de 50 milhões de utilizadores apenas nos EUA. Atualmente,

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32

e sobretudo devido às capacidades dos telemóveis e infraestruturas que os suportam, os pagers são considerados obsoletos.

A utilização de satélites para a comunicação faz parte da infraestrutura de comunicações, no entanto para a utilização de voz e devido à distância, a latência da comunicação é bastante elevada. De acordo com a distância do satélite à terra, existem três tipos de satélite, os LEO (Low Earth Orbit), os MEO (Medium Earth Orbit) e os GEO (Geosynchronous Earth Orbit). Quanto maior é a distância à Terra, maior é a área que os satélites conseguem abranger, mas é necessária mais energia para alcançar o satélite, numa comunicação bidirecional. Atualmente, a utilização primária dos satélites de comunicação é feita para transmissão de televisão e rádio. Contudo, esta utilização começa a ter bastante concorrência dos fornecedores de televisão por cabo, mesmo com a vantagem dos satélites no que respeita à abrangência geograficamente ilimitada.

As redes sem fios tiveram imenso sucesso, principalmente na telefonia móvel. Atualmente, o foco é o mesmo que sempre guiou a investigação: aumento do alcance, aumento da largura de banda, melhorar fiabilidade, redução do consumo de energia, redução da latência e redução de custos.

A segmentação da tecnologia começou com a necessidade de as indústrias terem soluções mais especializadas para o seu âmbito de atuação. Os sensores sem fios têm grande utilidade no mercado comercial e também no contexto militar. Por exemplo, a nível militar os sensores podem ter aplicabilidade para sistemas de radar, identificação e rastreio/localização de viaturas e inimigos, deteção de ataques químicos ou na utilização de robôs não tripulados. Ao nível comercial podem ser utilizados para estações metrológicas, análise de esforço de pontes e estradas, monitorização de CO2, entre outros.

A associação dos sensores com comunicações sem fios e a conjugação destes com baterias ou painéis fotovoltaicos cria um nó independente, móvel, pequeno e com muitas aplicações. Na verdade, a sua aplicação apenas irá depender dos módulos sensores que forem instalados. Com tanta especificidade e diversas possibilidades, a segmentação eliminou a necessidade de um sistema de requisitos de hardware, software ou protocolo certo ou errado. Existe o que melhor se adapta a cada situação (Romer & Mattern, 2004).

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33

2.3. Investigação atual

A popularidade das RSSF continuou a ter muito reconhecimento nos últimos anos, principalmente com a necessidade de controlar, monitorizar e rastrear os diversos aspetos da vida. As complexidades do mundo moderno implicam que a segurança seja de grande importância e preocupação para a humanidade. De forma similar, setores como a manufatura, saúde, educação, transporte e outros necessitam de uma monitorização e rastreamento das suas atividades essenciais. Tal é a importância das RSSF que é considerada uma das tecnologias mais úteis para o século XXI (Maqbool & Sabeel, 2013).

Segundo um relatório de pesquisa da On World, existe um aumento significativo na instalação sistemas no âmbito de casas inteligentes (On World, 2016) com ligação à cloud. Segundo a pesquisa demográfica deste relatório, a geração milénio quer mais casas inteligentes para proteção e segurança e, pessoas nascidas depois da segunda guerra mundial até 1964 (baby

boomers), querem usar as casas inteligentes para cuidados de idosos e gestão de energia da

casa. Os produtos RSSF permitem monitorizar e medir aspetos industriais e domésticos, sendo esperado um crescimento de 23% da quota de mercado global dos componentes de RSSF, alcançando um valor de 12 biliões de dólares em 2020 (Clarke, 2014). Em 2020, prevê-se haver 75 milhões de sistemas domésticos inteligentes instalados em todo o mundo gerando 27,5 bilhões de dólares em receitas de produtos e serviços (On World, 2016).

A adoção das tecnologias inerentes à RSSF na indústria é crescente, pelo que as projeções indicam que por volta de 2018 um em cada três sensores será sem fios. As suas aplicações na indústria dependem da sua utilização e do objetivo a alcançar. As RSSF em 2012 foram, maioritariamente, utilizadas para a monitorização de temperatura (Hatler, 2012).

2.3.1. Contributo

O contributo das RSSF é transversal a todas as áreas da sociedade. Uma das mais difundidas é a área da segurança, com nós sensores que são colocados em diversos locais para monitorizar e rastrear. Os sistemas de antirroubo são também equipados com nós sem fios para detetar movimentos ou ações não autorizadas. Por outro lado, os sensores têm o desafio de se manterem seguros contra potenciais hackers. As RSSF estão sujeitas a atacantes que querem/podem manipular os dados. Incidências de espionagem são comuns em ambientes com RSSF, afetando assim a privacidade dos dados (Modares, Salleh, & Moravejosharieh, 2011).

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No setor da saúde, as RSSF são usadas para recolher dados dos pacientes e por vezes, sem o consentimento dos mesmos. Há preocupações caso esses dados se tornem públicos ou utilizados para fins que não estavam previstos pelo paciente, como por exemplo, para seguradoras, ou o próprio governo.

Redes sem fios estão associadas à melhoria da qualidade de serviço e da produtividade. Quando utilizadas com o objetivo de monitorizar os processos de produção, as RSSF possibilitam a verificação de todas as atividades e a observação de potenciais deficiências e falhas. De forma similar, é possível verificar se os processos atribuídos à força humana estão a ser executados corretamente. Por tudo isto, é possível uma melhoria de serviço e da produtividade (Bhuyan, 2010).

Outra área emergente e alvo de alargados estudos são as redes socias online (Martins, Gonçalves, Branco, & Peixoto, 2015; Martins, Gonçalves, Pereira, Oliveira, & Cota, 2014; Martins, Gonçalves, Oliveira, Cota, & Branco, 2016). Estas permitem obter informação relativa às ligações e padrões comunicacionais entre pessoas. Estas permitiram a evolução de plataformas tecnológicas para plataformas socias. As redes sociais estão cada vez mais a ser utilizadas para âmbitos que não o meramente lúdico, principalmente devido às suas características fomentadores de uma interação informal e rápida. Contudo, à medida que a sua utilização se vai tornando mais rotineira, inclusive ao nível interno das organizações, é também necessário que estas passem a apresentar-se simples de utilizar, de compreender e de interpretar, ou seja, que passem a implementar as várias convenções internacionais de usabilidade e acessibilidade (Baptista, Martins, Gonçalves, Branco, & Rocha, 2016; Martins, Gonçalves, Branco, et al., 2016; Peixoto, Martins, Gonçalves, & Branco, 2016). Esta condicionante é cada vez mais um requisito em virtude não só do constante envelhecimento das populações (cada vez mais digitais), mas também do aumento dos níveis de integração laboral de pessoas com necessidades especiais ou mesmo incapacidades (Gonçalves, Martins, & Branco, 2014; Martins, Gonçalves, & Branco, 2016). Também neste contexto há um amplo campo de aplicação das redes de sensores sem fios.

Adicionalmente, existe um amplo campo de aplicação das redes de sensores sem fios no campo comercial quando aplicada esta tecnologia a recolha de dados para potenciar o comércio eletrónico (Gonçalves, Martins, Branco, Perez-Cota, & Oliveira, 2016) ou aos sistemas de aprendizagem colaborativa (Branco, Gonçalves, Martins, Bessa, & Baptista, 2016; Faria et al., 2016; Gonçalves, Martins, Pereira, Cota, & Branco, 2016; Martins, Gonçalves, Santos, et al.,

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35

2015) articulados com abordagens modernas de gestão de sistema de informação (Santos, Pereira, Martins, Gonçalves, & Branco, 2016).

2.3.2. Autonomia

As RSSF são dispositivos com propósitos bastante autónomos, o que leva a que estes sistemas tenham uma autogestão de funcionalidades que ajudam a melhorar a sua eficiência e reduzir o consumo energético. Os nós numa RSSF são compostos por elementos sensoriais, que podem detetar diversos dados ambientais, tais como temperatura, pressão, humidade, vibração, etc. Os nós devem operar sem problemas e com o mínimo de tempo de inatividade. Portanto, é fundamental que as RSSF tenham a capacidade de operar com recursos limitados, essencialmente ao nível de consumo de energia da bateria. A autonomia nas RSSF é alcançada com mecanismos de poupança de energia integrada nos próprios chips que a constituem (Portocarrero et al., 2014).

Para Anastasi et al. (2009), geralmente a transmissão de dados é o que consume mais energia num nó sensor, enquanto que o processamento local de dados consume significativamente menos energia. Para transmitir um único bit de informação um nó sensor típico gasta aproximadamente a mesma energia quando comparado com o processamento de um milhar de operações. O consumo em relação à aquisição de dados, depende do tipo de sensor usado. Em muitos casos a energia gasta pelos sensores é desprezível quando comparada com o processamento, mas noutros casos a energia gasta pela aquisição de dados pode ser equivalente ou superior à energia gasta na transmissão de dados. Para poupar energia num nó sensor, geralmente as técnicas de poupança centram-se no módulo de rádio e no módulo dos sensores.

É possível otimizar a autonomia das RSSF. Anisi, Abdul-Salaam, & Abdullah (2015) indica que é possível aumentar o tempo de vida útil da rede através de dois métodos: 1) equilíbrio de energia – onde se impede a sobrecarga e o multifuncionamento de alguns nós específicos da rede, e 2) redução do consumo de energia utilizando métodos como redução do número de mensagens.

A funcionalidade autónoma inerente a uma rede RSSF está assente num conjunto de funcionalidades de auto habilitação. Segundo Portocarrero et al. (2014), estas funcionalidades incluem a autoconfiguração, auto otimização, autorreparação e autoproteção. Uma RSSF deve ser capaz de fazer ajustes de acordo com mudanças ambientais e até iniciar um processo de

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recuperação, caso seja detetada uma falha. Uma parte importante das RSSF é a capacidade de prever, identificar e de se proteger de ataques externos. Isto implica que tornar um nó autónomo faz com que seja necessária uma componente de inteligência artificial para a tomada de decisões.

A capacidade ou vida útil da bateria numa RSSF é de extrema importância, pois define a eficiência operacional de toda a rede. Isto leva a que exista um correto balanço entre a necessidade de elevada autonomia energética e o desempenho de uma RSSF. A escolha das baterias depende do objetivo da RSSF, ou seja, onde vai ser instalada e em que condições, podendo ser permanente ou substituível. De acordo com Khan, Qureshi, & Iqbal (2015), baterias fixas são utilizadas em cenários nos quais a sua substituição é difícil e no qual é possível prever o consumo e a capacidade necessária às tarefas. Quando a fonte de energia acaba, também a operação da rede RSSF termina. Por outro lado, a possibilidade de substituição apenas desabilita a rede até que seja substituída. A substituição é geralmente feita por força humana, podendo ser também robotizada (Khan et al., 2015).

Além da energia das baterias, os nós da RSSF mais recentes podem ter sistemas alternativos para captar energia. A energia pode ser recolhida de diversas fontes, destacando-se entre elas a energia solar, térmica, sinais de rádio (eletricidade sem fios) e energia eólica. Existe ainda uma grande necessidade de investigação para que a transferência de energia sem fios seja uma realidade utilizável a distâncias e potências úteis, bem como estudos e aprovações ao nível do seu impacto na saúde pública (Khan et al., 2015).

2.3.3. Desempenho

Uma rede de sensores sem fio requer a combinação de várias entidades para atingir as funcionalidades desejadas. Uma RSSF tem plataformas de hardware e software que aprimoram o processo de comunicação. O principal componente de hardware numa RSSF é o nó sensor que inclui o microcontrolador, transcetor e a memória. Um componente de hardware adicional conhecido como gateway é utilizado para coordenar o sistema de mensagens entre o nó e o servidor. A informação a partir do nó pode ser distribuída para diversas redes usando múltiplos

gateways.

As especificações de Hardware para os sensores sem fios são baseadas em:

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 Baixo custo;

 Processador energeticamente eficiente;

 Entradas e saídas universais para os diversos sensores;  Fonte energética de longa duração;

 Tamanho reduzido.

As redes RSSF operam de forma diferente dependendo do seu propósito, fabricante e até o local onde são aplicadas. Isso resume-se a um conjunto de configurações e modificações que são integradas e adaptadas ao nível do software. Existem sistemas operativos (SO) específicos para nós sensores. Exemplo de SO são o TinyOS, Contiki, MiLAn e MagenetOS (Taleghan, Taherkordi, Sharifi, & Kim, 2007). Ao nível de software as especificações baseiam-se no baseiam-seguinte:

 Espaço reduzido para execução nos processadores dos nós sensores;  Energeticamente eficiente;

 Capacidade para execução concorrente;  Altamente modular.

O processo de comunicação numa RSSF é feito por rádio frequência. Cada nó comunica um com o outro e com o Gateway mais próximo, podendo este ser um dispositivo GSM, ou outro ligado a uma WAN, Internet, LAN, etc. Isto permite que as comunicações não se restrinjam à RSSF e possam ser utilizadas em qualquer ponto do mundo (Native Instruments, 2012b).

2.3.4. Segurança

A comunicação por rádio frequência é um dos meios mais fáceis de atacar caso não sejam tomadas as devidas providências. O principal problema de segurança relacionado com redes de sensores sem fios assenta na necessidade de ter um mecanismo de segurança eficiente. Na realidade, a maioria das RSSF enfrenta vários problemas de segurança e de privacidade. De acordo com Chadha & Prasad (2015), os principais problemas de segurança nas RSSF são relacionados com a confidencialidade, integridade e autenticidade dos dados. A aplicação desses parâmetros é muitas vezes uma tarefa desafiadora.

Redes de sensores sem fio estão sujeitos a vários ataques, tal como o ataque Sybil, que compromete a integridade de todos os nós na RSSF. Outros tipos de ataques incluem a negação

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de serviço, o que torna toda a RSSF incapacitada. Um tipo mais grave de ataque envolve o comprometimento de dados em trânsito (Yick, Mukherjee, & Ghosal, 2008), em que o atacante é capaz de intercetar os sinais e recuperar informações importantes. Tal pode ser muito grave, principalmente se a RSSF pertencer a uma organização militar ou de inteligência. Além disso, uma RSSF, que opere em zonas perigosas requer proteção contra danos devido à interferência humana, bem como calamidades naturais (Chadha & Prasad, 2015).

2.4. Utilizações/Aplicações

As RSSF podem ser aplicadas em diversos setores com objetivos de monitorização, controlo e rastreabilidade.

2.4.1. Indústrias

No setor industrial, as redes de sensores sem fio têm encontrado amplas aplicações. As RSSF são utilizadas para efeitos de controlo em vários setores industriais em que a monitorização humana é impossível (Bessa, Branco, Costa, Martins, & Gonçalves, 2016; Cota, González-Castro, Branco, Gonçalves, & Martins, 2016; Gonçalves, Martins, Branco, et al., 2014). Nós sensores são colocados em locais inacessíveis, como reatores nucleares onde é perigosa a entrada de pessoas devido à radiação. Redes de sensores sem fios também são usadas na indústria automóvel onde são implementadas nos veículos em movimento para monitorizar o desempenho de vários elementos. RSSF são ainda usados para testes, especialmente em situações em que não é requerida a interação humana, tais como na aviação ou os “dummy” nos testes de acidentes rodoviários. Além disso, a maioria dos dispositivos de robótica modernos são equipados com nós sensores para ajudar na sua operação e controlo. Redes de sensores são usados em elevadores para controlar e monitorizar o movimento das máquinas em altura. RSSF também têm uma ampla aplicação na área mineira, especialmente no setor petrolífero (Heidemann, Stojanovic, & Zorzi, 2012), onde são colocados em bombas para monitorizar os níveis de óleo. Outro exemplo são as máquinas de embalamento e sistemas de elevação (Paavola & Leiviska, 2010), ou seja, qualquer indústria tem aplicabilidade e pode beneficiar da utilização de RSSF.

2.4.2. Doméstico

A aplicação doméstica das redes de sensores sem fios está a ser feita através do conceito popularmente conhecido como as “casas inteligentes”. Uma das aplicações em casas

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inteligentes é a de regulação da temperatura em que RSSF são capazes de detetar a temperatura do ambiente e consequentemente iniciar mecanismos destinados a arrefecer ou aquecer a atmosfera circundante. Nós sensores sem fios também são usados em funções de segurança e de alarme nas casas. Outras funções da RSSF no contexto doméstico incluem a monitorização da energia elétrica e respetiva ativação/desativação de tomadas e luzes e os níveis de água (sistemas de rega).

2.4.3. Agricultura

A utilização de nós sem fios e redes sem fios na agricultura e, respetivamente, na indústria alimentar, começou a ser mais analisada a partir de 2006. A sua aplicação focou-se essencialmente na monitorização ambiental, agricultura de precisão, controlo de processos e maquinaria, automação e rastreabilidade (Wang et al., 2006).

A utilização de sensores sem fios em áreas industriais e agrícolas tem vantagens sobre os sensores “com fio” devido ao baixo custo de instalação. Esta situação verifica-se essencialmente em instalações já existentes, nas quais a implementação com fios pode obrigar a obras e reestruturação das instalações. A utilização de sensores sem fios pode representar uma poupança entre 20% a 80% numa instalação que cablada poderia chegar a 130-650$/m2 (Wang et al., 2006). Uma vez sendo módulos “móveis”, a própria instalação é muito mais rápida e adaptável à realidade de cada organização.

RSSF têm encontrado cada vez mais aplicação no campo da agricultura e pecuária. As redes são instaladas estrategicamente em estufas para, controlar os níveis de temperatura e humidade e agir conformemente, caso seja necessário. Os nós sensores conseguem detetar qualquer flutuação dos níveis a medir e executar a ação correta. Nós sensores sem fio são também usados em grandes áreas ao ar livre que se estendam por alguns quilómetros. Os nós são distribuídos por toda a plantação com o objetivo de monitorizar os padrões climáticos. Eles conseguem registar a temperatura, a humidade do ar, a humidade do solo ou outra variável no ambiente. No setor da pecuária, os sensores permitem aos agricultores monitorizar o estado de saúde dos seus animais colocando, por exemplo, nós sensores dentro do estômago (rúmen) de uma vaca para acompanhar os níveis de temperatura e pH (Fraunhofer, 2015).

Uma aplicação desta natureza é relatada por (Wang et al., 2006), onde numa vinha, foram distribuídos nós que recolhiam dados como na humidade, a intensidade solar e

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temperatura para um servidor central a cada 5 minutos. Com os dados recolhidos é possível antecipar vários fenómenos atmosféricos como, por exemplo, a formação de geada, chuva, etc., com os quais o viticultor poderia responder corretamente e planear a irrigação e a aplicação de fertilizantes. Ao nível da localização, Vivoni & Camilli (2003) desenvolveram um sistema que permitia aos agricultores fazer o percurso mais otimizado nos terrenos.

Existem vários autores que defendem que a utilização destes nós permitem a redução de custos na agricultura, visto que permitem um acompanhamento e gestão remota, contribuindo para que o custo laboral baixe (Liu & Ying, 2003).

A aquisição de dados e a criação de um maior conhecimento da realidade agrícola permite a redução de custos, bem como um aumento de produtividade e desempenho da produção, pois os dados possibilitam a análise e o estudo das melhores condições de produção, ou seja, uma melhoria nos processos produtivos (Branco, Gonçalves, Martins, & Cota, 2015; Branco, Martins, & Gonçalves, 2016; Branco, Martins, Gonçalves, & Alves, 2015; Branco, Martins, Gonçalves, Bessa, & Costa, 2015).

Em Portugal, Morais et al. (1996) implementaram um sistema para aquisição de dados atmosféricos dentro e fora de estufas, num total de 32 nós alimentados via energia solar.

2.4.4. Indústria alimentar

Redes de sensores sem fio foram identificadas como uma das melhores tecnologias que permitem e visam melhorar a sustentabilidade alimentar. As RSSF são usadas para monitorizar diversos aspetos nos alimentos, desde a sua produção até à chegada aos clientes finais, como por exemplo, as condições de temperatura dos alimentos durante o transporte, ou nas explorações de frutas (Aung & Chang, 2014). As RSSF também são usadas em instalações de armazenamento de alimentos para monitorizar a temperatura e humidade do que está armazenado. Na produção, é possível monitorizar o processo de produção, garantir qualidade e produtividade (Bielsa & Boyd, 2012).

2.4.5. Saúde

A aplicação de redes de sensores sem fio no setor de saúde está bem estabelecida, desde o ambiente hospitalar até à casa dos pacientes. Por exemplo, no caso de pacientes, os nós sensores são utilizados para verificar a temperatura, pressão arterial, frequência cardíaca, e

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movimentos do corpo, mesmo não estando presente um auxiliar de saúde. Os sensores podem até acompanhar o paciente, caso este se desloque. Existem sensores e aplicações para

smartphones, que não deixam de ser sensores com capacidade de comunicação, que são

utilizados em pessoas da terceira idade para analisar os movimentos e lançar alertas em caso de quedas (Hatler, 2012).

2.4.6. Monitorização Ambiental

O meio ambiente é também uma área que beneficia da utilização das RSSF, cujo impacto se reflete na qualidade e segurança. Cada vez mais as autoridades, um pouco por todo mundo, estão a utilizar os nós de sensores sem fios para monitorizar a poluição do ar e o conteúdo atmosférico (partículas). Por exemplo, em caso de excesso do nível de poluentes na atmosfera, é possível iniciar alguns protocolos de prevenção. Outra área que beneficia com o uso de nós sensores sem fios é a florestal, na deteção de incêndios florestais. Neste caso, os nós são distribuídos pelas florestas e configurados para detetar mudanças bruscas na temperatura e outras condições atmosféricas. Tal permite, por exemplo, que os bombeiros reajam em tempo útil para controlar os incêndios e ter o conhecimento da área de atuação (Dwivedi & Vyas, 2011).

De forma similar, existem nós de sensores sem fios que são utilizados para detetar deslizamentos de terras, detetando a mínima oscilação/tremor de terra. As RSSF também podem ser utilizadas para detetar erupções, inundações e outros fenómenos naturais. Isto é conseguido através da monitorização dos níveis de água nas barragens, rios, lagos e oceanos. Os dados que as RSSF obtêm permitem, assim, tomar as medidas e precauções necessárias com antecedência aos fenómenos naturais (Dwivedi & Vyas, 2011).

2.4.7. Aplicações Militares

As RSSF são usados pelos militares para ter uma supervisão dos campos/zonas de batalha e assim poder monitorizar os movimentos e vigiar os inimigos e intrusos (Dwivedi & Vyas, 2011). Durisic, Tafa, Dimic, & Milutinovic (2012) descrevem uma utilização dos nós sensores distribuídos aleatoriamente pela zona de batalha, quando largados por um avião militar. Os nós têm capacidade de se auto-organizarem e comunicar para um gateway a sua posição. Estes sensores têm a funcionalidade de, em caso de tiros, indicar a direção do disparo, o que se torna útil na deteção de atiradores de longa distância.

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2.4.8. Automação

Redes de sensores sem fios conseguiram automatizar diversos setores onde o uso de força humana já não é necessário. O setor de tráfego, por exemplo, tem beneficiado da automação RSSF, onde os nós sensores são usados para controlar o fluxo de tráfego e priorizar trânsito em sinais luminosos. Outra aplicação para a automação é o uso das RSSF para o fecho de portas em fábricas que laborem com substâncias perigosas e que, em caso de fuga, podem afetar a saúde humana (Greenfield, 2012).

2.5. Futuro das Redes

As RSSF são uma tecnologia que permite melhorar muitos aspetos da vida humana, das indústrias, do ambiente, entre outros. Isto significa que a tecnologia continua a evoluir para combinar os vários aspetos da globalização. Ou seja, o futuro das redes de sensores sem fios é brilhante e promissor. Um dos principais tópicos a investigar é a segurança e disponibilidade de serviços, havendo já uma grande preocupação relativamente às vulnerabilidades associadas às RSSF e à melhoria da privacidade e confidencialidade dos dados críticos.

Uma consideração importante que requer muito ênfase é a gestão de energia dos nós. Atualmente, a fonte mais usada tem como origem as baterias. Há uma necessidade em melhorar a forma de obtenção de energia elétrica para ajudar a natureza autónoma das RSSF. Outro conceito de gestão de energia que se prevê que seja investigado no futuro é o da energia transferível. Esta técnica envolve a transferência de energia usando o meio ambiente, de modo a que os nós possam usá-la (Khan et al., 2015).

Há também, necessidade em desenvolver as RSSF que não estejam sujeitas a interferências de fatores humanos e naturais. Ou seja, o futuro das RSSF deve ser isento de falhas e ser capaz de lidar com grandes volumes de dados. A necessidade de eliminar a redundância é uma preocupação para o futuro, sendo para isso necessária uma fiabilidade elevada. Com a proliferação de dispositivos móveis, espera-se que o futuro das RSSF seja também acompanhado de software mobile para os controlar e analisar.

Grande parte do sucesso das RSSF deve-se à integração com a “Internet das Coisas” (Internet of Things – IoT). As RSSF estão agora ligadas a uma multiplicidade de redes com e sem fios, bem como com outros dispositivos de rede que melhoram o processo de comunicação subjacente. A Internet possibilitou a realização de trabalho a partir de locais remotos. As RSSF

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não são exceção e é fundamental que a tecnologia possa ser integrada no espaço digital. A IoT é composta por módulos sem fios que conseguem comunicar e receber instruções pela Internet. Espera-se que no futuro todos os equipamentos, desde frigoríficos a máquinas de esticar o cabelo, estejam ligadas à Internet (International Electrotechnical Commission, 2014). Esta arquitetura (IoT) utiliza o esquema de endereçamento IP para efeitos de transmissão de dados.

Implementar protocolos de segurança através da Internet é relativamente fácil e mais eficiente do que numa RSSF, tornando a implementação IoT uma adição valiosa. Com a globalização das tecnologias de computação na nuvem, espera-se que a maioria dos serviços de RSSF possa ser aproveitada através desta, o que ajuda a melhorar a confiança e a eliminar questões de redundância (International Electrotechnical Commission, 2014).

Em suma, os nós sensores sem fios são tecnologicamente importantes e contribuem para a monitorização e rastreio de vários aspetos. Esta tecnologia tem aplicações em diversos setores, como na saúde, indústria, agricultura e militar. A popularidade das RSSF continua a crescer à medida que são descobertas novas aplicações e vantagens do seu uso. Contudo, as RSSF são confrontadas com o problema de impor a segurança e a privacidade dos dados confidenciais, principalmente quando a sua utilização começa a proliferar. Atualmente, não existem mecanismos fortes destinados a melhorar as características de segurança. A integração das redes de sensores com a “Internet das Coisas” fornece oportunidades para melhorar e expandir ainda mais as capacidades desta tecnologia.

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Arquitetura da RSSF a Desenvolver

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3. Arquitetura da RSSF a Desenvolver

A RSSF a ser desenvolvida terá dois tipos de dispositivos diferentes, nó sensor e um nó

gateway. O nó sensor será responsável por monitorizar as condições ambientais e transmitir

esses valores sem fios. O nó gateway será responsável por encaminhar os dados recebidos dos nós sensores para um sistema informático. O nó gateway terá comunicação por radio frequência e TCP/IP e terá ainda como função enviar informações do sistema informático para os nós sensores, por exemplo, pedidos de amostras.

Neste capítulo encontra-se a descrição dos requisitos necessários da RSSF a implementar, bem como a descrição dos dispositivos usados na rede, necessidades e módulos usados.

3.1. Requisitos dos vários dispositivos

Pretende-se desenvolver dispositivos de comunicação sem fios para funcionarem em rede para monitorizar as condições ambientais das salas de produção. Periodicamente, os dispositivos devem ler as condições ambientais e enviar esses dados para um sistema informático. Pretende-se ter em conta os seguintes fatores:

 Usar conceitos de open source;

 Os dispositivos deverão ter um custo reduzido, em comparação com soluções proprietárias existentes no mercado;

 Os nós sensores devem ter um baixo consumo energético, uma vez que irão ser alimentados por uma bateria e estarão isolados da rede elétrica;

 Os dispositivos devem ter um tamanho reduzido para minimizar o impacto na instalação;

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 É necessário adquirir dados relativamente à temperatura do ar, temperatura do substrato, humidade relativa do ar e concentração de CO2;

 Os dispositivos devem conseguir comunicar através das paredes das salas de produção, constituídas por painel de poliuretano e placas metálicas;

3.2. Arquitetura da rede

A Figura 1 representa um exemplo da rede de sensores sem fios. Os nós sensores enviam os dados para o gateway, este recebe os valores e envia-os para o sistema informático, onde serão guardados e processados.

Base Dados

Nó Sensor Nó Sensor Nó Sensor Nó Sensor Gateway

Figura 1 – Esquema Geral da Rede

3.3. Nó Sensor

A rede é constituída por diversos nós sensores que têm como objetivo obter valores dos vários sensores e enviar os dados obtidos por radio frequência. Os principais blocos constituintes do nó sensor encontram-se representados na Figura 2, onde se pode ter uma visão de alto nível da arquitetura. O nó sensor é constituído por 7 componentes principais: 1) microcontrolador, 2) módulo de comunicação sem fios – rádio frequência, 3) memória flash, 4) módulo dos sensores, 5) bateria, 6) um conversor DC-DC e 7) módulo responsável pela leitura do nível de bateria.

O microcontrolador controla todo o circuito e é o responsável por obter valores dos sensores, guardar/ler dados da memória flash, ler o nível da bateria e comunicar com o módulo de rádio para enviar/receber dados. Um microcontrolador de baixo custo tem pouca memória flash disponível, para aumentar a capacidade de memória do nó sensor, o dispositivo tem uma memória flash externa ao microcontrolador.

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A memória flash é usada pelo microcontrolador para guardar temporariamente os dados a serem transmitidos, como os dados de configuração do nó sensor, ou ainda se necessário, proceder remotamente à reprogramação do microcontrolador sem ir ao encontro de cada dispositivo para proceder à programação no local. Esta funcionalidade reveste-se de vital importância atendendo a dispersão das unidades produtivas da empresa.

RF Sensores Memória Flash Microcontrolador Bateria DC-DC Ler % Bat.

Figura 2 – Esquema Geral do Nó Sensor

O módulo de sensores (monitorização) é responsável por detetar a grandeza do mundo físico pretendida e transformá-la num sinal elétrico (analógico ou digital) permitindo a leitura do valor pelo microcontrolador. São necessários três tipos de sensores: CO2, humidade relativa

e temperatura. Dependendo do local onde será posicionado o nó sensor e do que se pretende ler, pode não haver necessidade de utilizar os três sensores em simultâneo, o que permite uma maior otimização de recursos. Por isso é interessante o módulo estar preparado para se colocar apenas os sensores necessários num dado contexto.

O nó sensor irá dispor de uma bateria de 1400mah (do tipo LiPo, 3.7V). Todo o circuito deve ser desenhado e os componentes escolhidos para poupar energia e ter um bom desempenho a nível de eficiência energética. Irá estar a maioria do tempo “adormecido” para poupar o máximo de energia possível, uma vez que, a leitura de valores apenas é necessária, a cada trinta, dez ou cinco minutos (parâmetro configurável). Assim, espera-se que a bateria tenha uma vida útil muito confortável, sem precisar de ser substituída ou recarregada.

Para além do valor dos sensores, é importante que o nó sensor envie informação relativa ao estado da bateria. Para isso o microcontrolador precisa de um bloco adicional que lhe permita ler a tensão da bateria. Este valor vai permitir ao sistema informático analisar diversas situações, como por exemplo, gerar alertas no caso de uma bateria se encontrar com carga baixa. Outro bloco necessário é um conversor DC-DC para alimentar o circuito à tensão correta.

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3.4. Nó Gateway

Depois dos dados serem obtidos pelos nós sensores é necessário que sejam guardados num sistema informático. Para que isso seja viável, é imprescindível a existência de um dispositivo que consiga estabelecer comunicação entre os nós sensores e o sistema informático, ou seja, um gateway. Este terá como principal função obter os dados enviados pelos nós sensores e reenviar esses dados para o sistema informático. Permite ainda que o sistema informático comunique com os nós sensores, por exemplo, para fazer pedidos de leituras dos sensores. Módulo TCP/IP RF Memória Flash Microcontrolador Alimentação RTC DC-DC

Figura 3 – Esquema Geral do Nó Gateway

Os principais blocos constituintes do nó gateway, ilustrados na Figura 3, onde se pode ter uma visão geral de alto nível do sistema, são: 1) microcontrolador, 2) módulo de rádio frequência (RF), 3) memória flash, 4) módulo de comunicação TCP/IP, 5) Real Time Clock (RTC) e 6) módulo de alimentação/DC-DC.

Tal como no nó sensor, o microcontrolador é o responsável por coordenar todo o circuito. O módulo de TCP/IP permite o acesso ao sistema informático para enviar os dados dos sensores e receber ordens/instruções. O módulo de RF é igual ao usado no nó sensor para permitir comunicar com os restantes dispositivos.

A memória flash é usada para guardar dados temporários dos sensores para não se perderem dados, no caso da ligação ao sistema informático estar temporariamente indisponível. É usada também para guardar dados de configuração e permite que o microcontrolador possa ser reprogramado remotamente.

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O módulo de RTC permite obter com facilidade a data e hora para ser inserida na base de dados, juntamente com os dados obtidos dos sensores. Este módulo precisa de uma bateria de alimentação suplente para permitir manter a data atualizada em caso de falha de energia.

O componente de alimentação precisa de ser constituído por um conversor DC-DC, uma bateria, um bloco responsável por carregar a bateria e um módulo que permita ao microcontrolador ler a tensão da bateria. O gateway pode estar ligado diretamente à rede elétrica, para isso, precisa de um conversor AC-DC (por exemplo: RAC02-05SC) para alimentar o circuito com 5V. Para prevenir possíveis falhas de energia elétrica o gateway precisa de uma bateria que garanta a continuidade de serviço durante uma falha da rede elétrica, suprimindo, deste modo, a possibilidade de perda de dados. O conversor DC-DC seria o responsável por converter os 5V na tensão necessária para os restantes componentes.

Usando um módulo TCP/IP ethernet com ligação por cabo, é possível alimentar o

gateway por POE (power over ethernet), sendo apenas necessário um conversor DC-DC para

alimentar o circuito, ficando o componente de alimentação muito mais simples e garantindo as condições anteriores. Neste caso usar-se-ia POE passivo, ou seja, alimentação continua e sem negociação por parte dos dois dispositivos de rede. As falhas de energia ficam por conta da fonte de alimentação ininterrupta (UPS) disponível no bastidor de dados. Foi esta a opção escolhida.

3.5. Placa Base de Desenvolvimento

3.5.1. Arduino

Arduino (Arduino, 2014) pode ser descrito como um pequeno computador de placa

única que foi desenvolvido deliberadamente para poder ser usado também por pessoas não especializadas em eletrónica, engenharia ou em programação (Di Justo & Gertz, 2012).

É uma plataforma de desenvolvimento de eletrónica baseada em hardware livre, de placa única e muito popular. É de baixo custo, multiplataforma (o software de desenvolvimento funciona em Windows, Mac OS e Linux) e de fácil programação (Di Justo & Gertz, 2012). Tanto o hardware como o software são de fonte aberta e extensível. Os dispositivos são originalmente baseados em microcontroladores da Atmel e os mais comuns são o ATmega328 e o

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Para aumentar os recursos do Arduino existem placas adicionais que podem ser interligadas na placa Arduino base. Essas placas adicionais são designadas por Shields. Exemplos dessas placas que podem ser adicionadas são a Ethernet Shield, GSM Shield, Wifi

Shield ou Motor Shield. Na Figura 4 está a versão UNO.

Figura 4 – Arduino Uno

3.5.2. Moteino

Após o surgimento do Arduino muitos outros projetos semelhantes apareceram. Têm como base serem compatíveis com o software de desenvolvimento do Arduino. Possuem microcontroladores da Atmel e têm variações em algumas características, por exemplo dimensões, ou podem conter componentes eletrónicos adicionais como memórias flash, RTC ou módulos de rádio. Alguns desses projetos compatíveis com Arduino são: Moteino,

Anarduino, TinyDuino, entre muitos outros.

O Moteino (Moteino, 2014) é compatível com a plataforma de desenvolvimento do

Arduino. A sua prioridade é ser um dispositivo de baixo custo, baixo consumo e permitir

comunicação sem fios. É baseado no microcontrolador ATmega328P, usado nos Arduinos tradicionais. Para a comunicação sem fios usa o popular módulo de rádio da HopeRH o RFM69 (Hope Microelectronics Co., 2012), é também compatível com outro módulo de rádio mais antigo, o RFM12B. Este módulo sem fios (RFM69) permite um maior alcance e um custo mais acessível quando comparado com outros módulos de rádio, como por exemplo o XBee. O

Moteino está disponível com uma memória flash que permite programação sem fios, ou guardar

dados.

Existe ainda um modelo baseado no microcontrolador ATmega1284P que dispõe de mais recursos, quando comparado com o ATmega328P, o MoteinoMega. Por exemplo tem

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128KB de memória flash interna enquanto o ATmega328p dispõe apenas de 32KB, tem 16KB de RAM contra apenas 2KB do ATmega328P.

3.6. Módulos Escolhidos para os Dispositivos

3.6.1. Módulo Rádio

Os diversos dispositivos comunicam entre si através de um módulo de rádio. Pretende-se um sistema de comunicação Pretende-sem fios fiável, de baixo custo e com boa penetrabilidade nas paredes das salas de produção. Este módulo é comum ao nó sensor e ao nó gateway.

RFM69W/RFM69HW

O módulo de rádio escolhido para fazer as comunicações sem fios foi o RFM69 da

HopeRF. Este módulo RF opera nas bandas de frequência ISM (Industry Scientific and Medical) de licença livre, incluindo as frequências: 315, 433, 868, 915MHz. As frequências

868MHz e 433MHz podem ser usadas na Europa. Geralmente uma frequência mais baixa permite um alcance de transmissão mais longo e uma capacidade mais forte de atravessar através de paredes e de vidro (Wang et al., 2006). Por esse motivo, a frequência de comunicação escolhida é a de 433MHz.

As caraterísticas principais deste módulo RF são: custo muito baixo, otimizado para baixo consumo de energia com elevada potência de saída +13dBm (versão W) e +20dBm (versão HW), encriptação AES de 128 bits por hardware, tamanho muito pequeno 19.7x16mm, sensor de temperatura embutido, alta sensibilidade e estabilidade (Hope Microelectronics Co., 2012).

Figura 5 – RFM69W

Foram feitos testes de comunicação nas salas de produção com este módulo de radio e conseguiu-se comunicar através das paredes das salas com sucesso.