Introdução às Redes de Sensores sem Fio
Edie Correia Santana¹, Igor Augusto Ortiz¹, Orlando Pereira Santana Júnior²
1Universidade Federal de Mato Grosso do Sul (UFMS) – Campo Grande – MS – Brasil 2
Universidade Metodista de Piracicaba (UNIMEP) – Piracicaba – SP – Brasil {ediecs, igoraugusto, orlandopsjunior}@gmail.com
Abstract. This paper presents an ongoing project of a mechanism for
expansion of queries that pre-processes a user query by aggregating information coming from ontologies, to approximate the result of user intent. This mechanism is based on concepts of Social Networks, Computer Supported Collaborative Learning, Ontology and Query Processing.
Resumo. O objetivo deste trabalho é apresentar os vários aspectos de uma rede de sensores e suas aplicações no mundo real. Portanto, buscamos enfocar as definições existentes, as principais características de uma rede de sensores, os modelos de comunicação e envio de dados existentes e os protocolos. Apresentamos também alguns exemplos de sensores e suas aplicações no mundo real.
Palavras-chave: Redes de Sensores, Sensoriamento
1.
Introdução
A expansão dos domínios territoriais aliado com a crescente complexidade das necessidades humanas, tornou a monitoração de coisas, de maneira geral, um importante problema a ser resolvido. Sendo assim, levando se em consideração as limitações dos sentidos humanos, foram criadas máquinas para auxiliarem nestas tarefas. Estas máquinas receberam o nome de sensores, pois sua função era de monitorar uma determinada característica em um ambiente e reportar os dados adquiridos de forma que pudéssemos tomar alguma decisão. Logo surgiram aplicações na área de segurança, agricultura, medicina, petroquímica, entre outros.
Com a evolução destes equipamentos, como mostra a Figura 1, mais e mais sensores foram sendo usados para adquirir informações pertinentes do que se queria monitorar, de modo que foi se criando uma visão muito mais ampla das características da pessoa ou ambiente monitorado. Porém, para o propósito de monitoração de uma grande área era interessante que a comunicação entre estes sensores fosse feita sem a presença de cabos de interligação. Surgiu, então, o que chamamos de Rede de Sensores Sem Fio (RSSF).
Uma rede de sensores pode ser definida sob diferentes enfoques. Uma definição encontrada na literatura para rede de sensores é a de uma rede sem fio formada por um
grande número de sensores pequenos e imóveis plantados numa base ad hoc para detectar e transmitir alguma característica física do ambiente. A informação contida nos sensores é agregada numa base central de dados (Malladi e Agrawal, 2002).
Sob o enfoque de sistemas distribuídos uma rede de sensores pode se definida também como uma classe particular de sistemas distribuídos, onde as comunicações de baixo nível não dependem da localização topológica da rede. Desta forma, possui características particulares como a utilização de recursos restritos de energia, topologia de rede dinâmica e uma grande quantidade de nós. Estas características dificultam a reutilização de alguns algoritmos desenvolvidos para outros tipos de sistemas distribuídos (Heidemann et. al., 2001).
Figura 1: Exemplo de sensor criado com tecnologia atual
2.
Características
Nesta seção são apresentadas as principais características de redes de sensores, segundo a taxonomia de (Tilak et. al., 2002). As redes de sensores possuem como características principais: o sensor, o observador e o fenômeno.
O sensor é o dispositivo que implementa a monitoração física de um fenômeno ambiental e gera relatórios de medidas (por meio da comunicação sem fio). Os dispositivos de detecção, geralmente, têm características físicas e teóricas diferentes. Muitos modelos de complexidade variada podem ser construídos baseados na necessidade da aplicação e características dos dispositivos. Na maioria dos modelos de dispositivos sensores a habilidade de detecção diminui com o aumento da distância do sensor ao fenômeno e melhora com o aumento do tempo que o sensor fica exposto para coletar informações. Um sensor, tipicamente, consiste de cinco componentes: detector de hardware, memória, bateria, processador embutido e transmissor-receptor.
O observador é o interessado em obter as informações disseminadas pela rede de sensores. Ele pode consultar a rede receber respostas destas consultas. Além disso, podem existir, simultaneamente, múltiplos observadores numa rede de sensores.
O fenômeno é o interesse do observador, que está sendo monitorado e cuja informação potencialmente será analisada/filtrada pela rede de sensores. Além disso, múltiplos fenômenos podem ser observados concorrentemente numa rede.
Numa aplicação, o observador está interessado em monitorar o comportamento do fenômeno sob algum requisito de desempenho específico (por exemplo, precisão ou retardo).
Numa rede de sensores típica, os sensores individuais apresentam amostras de valores locais (medidas) e disseminam informação, quando necessário, para outros sensores e eventualmente para o observador. As medidas realizadas pelos sensores são amostras discretas do fenômeno físico, sujeito a medidas precisas do sensor individual, assim como a localização com respeito ao fenômeno.
3.
Comunicação entre sensores
Como já foi dito, uma das restrições mais graves da rede de sensores sem fio é a sua capacidade energética limitada. Por isso, todo um esforço deve ser feito no sentido de se poupar energia.
Uma das coisas com a qual mais se gasta energia em um RSSF é a transmissão de dados. Para minimizar o uso da bateria em um nó, existem pesquisas tanto para a criação de tranceivers que consumam menos potência quanto para o descobrimento de algoritmos e protocolos de comunicação que sejam capazes de enviar o máximo de informação com o mínimo de redundância.
Existem, também, vários parâmetros que podem ser configurados para se atingir o máximo de vida útil do nó. Um parâmetro que pode ser configurado é o alcance do transceiver de cada nó. Obviamente, quando maior o alcance, maior a potência gasta e menor o tempo de vida. Porém, se utilizarmos uma potência baixa no transceiver, precisaremos de mais nós para cobrir uma mesma área de monitoração, elevando o custo da rede. Esta é uma das relações custo/benefício que precisam ser definidas.
Uma vez definidos os parâmetros de projeto, ainda assim, pode-se aumentar o tempo de vida útil de um nó escolhendo sabiamente o protocolo de comunicação utilizado. Existem vários protocolos. Os primeiros foram criados adaptando-se os já existentes para redes móveis ou até mesmo fixas. Porém, hoje em dia já existem algoritmos e protocolos específicos para RSSF. Esses algoritmos utilizam multi-hopping para disseminar dados.
Flooding
O algoritmo de disseminação de informação entre os sensores mais clássico e mais simples é o flooding. Ele simplesmente envia a informação em broadcast para todos os sensores que estão em seu alcance, mesmo que dentre eles, apenas um precise receber a informação. Possui um alto desperdício de recursos. Esta abordagem é a que gasta mais energia.
Porém, o flooding apresenta alguns problemas. O primeiro deles está ilustrado na Figura 2 e é conhecido como Implosão.
Figura 2: Ilustração da Implosão
Na implosão, a mesma informação chega a um sensor através de dois caminhos diferentes. Isto gera uma redundância na disseminação de informação, provocando um maior gasto da limitada energia. Outro problema comum é a superposição, ilustrado na Figura 3.
Figura 3: Ilustração da superposição
Neste caso, há uma superposição da área sensoriada. Como o flooding não anuncia antes a sua informação, pode acontecer de um sensor C receber duas vezes a mesma informação, vinda de sensores A e B diferentes. Novamente, este tipo de redundância acarreta um maior gasto de energia tanto para enviar o dado quanto para receber. Como veremos a seguir. Estes dois problemas podem ser resolvidos com um protocolo chamado de 3-way-handshaking, presente no algoritmo "Negotiating".
Negociating
Este protocolo é baseado em um 3-stage-handshaking, onde um nó pergunta para o outro se ele deseja receber a informação que ele tem para enviar. Se o nó receptor já tem o dado, ele recusa. Caso contrário, ele aceita a conexão e o transmissor envia o dado. Esta troca de informações inicial é feita baseada em metadados, ou seja, uma descrição rápida da informação, muito menor do que a própria. Este algoritmo economiza muito mais energia por não cair nos problemas encontrados no flooding.
Figura 4: Protocolo Negociating
Grossing
No gossiping, um sensor escolhe aleatoriamente um outro dentro do seu raio de alcance para enviar a informação sem a utilização de meta-dados. Este, por sua vez também escolhe um outro no seu raio de ação para enviar o dado e assim por diante. Este algoritmo fica atrás do flooding e do negotiating no que diz respeito ao tempo de disseminaçao de dados e também não é muito melhor do que o negotiating no que tange à utilização de energia.
Comparação entre os algoritmos
Para conhecer melhor o desempenho destes algoritmos, foi realizada uma comparação entre eles em (Kulik et. al., 1999). Na Figura 4, podemos ver a topologia usada para o teste.
A topologia consiste em 25 nós espalhados por uma área quadricular com 70 metros de lado. O alcance do nó é de 10 metros. Cada nó possui em média 4,7 vizinhos. Deseja-se medir o desempenho de cada algoritmo transmitindo informação de um vértice do quadrado até o vértice oposto, como é mostrado na Figura 4.
Figura 6: Gráfico de Total de Dados X Tempo Gasto
Cada algoritmo foi testado separadamente e foram obtidas 3 curvas, que estão no gráfico da Figura 5. A curva em azul representa o gossiping, a em roxo flooding e a em vermelho negociação. O eixo vertical deste gráfico representa a porcentagem do total de dados transmitidos, enquanto o horizontal representa o tempo gasto. Como podemos ver, o protocolo baseado em negociação obteve 100% dos dados disseminados para todos os nós mais rapidamente, entre todos. Flooding chega em segundo e gossiping nem mesmo conseguiu disseminar a imformação para todos os nós nesta escala de tempo.
Figura 7: Total de Energia Gasta X Tempo
Podemos observar na Figura 6 o flooding é o algoritmo que gasta mais energia pois transmite os dados em broadcast para todos os seus nós vizinhos, mesmo que eles já possuam a informação. Já o protocolo baseado em negociação obteve mais sucesso, pois ele evita a redundância no envio de dados para nós que já o possuam, gastando menos
energia, o que pode ser conferido observando-se o final da curva em vermelho, que tende à uma assíntota. Por fim, o gossiping, exceto no momento inicial, possui um crescimento aproximadamente linear para o total de energia gasta, pois ele, nesta escala de tempo, ainda está disseminando o dado pela rede.
4.
Componentes
Uma RSSF é composta por um conjunto de nós sensores, gateway e em algumas implementações existe a presença de atuadores, nesta sessão iremos detalhar esses elementos (Ruiz, 2002).
Nó Sensor
Um nó sensor é um elemento computacional autônomo com capacidade de processamento, memória, interface de comunicação sem fio, além de um ou mais dispositivos sensores como mostrado na figura 8.
O processamento dos dados capturados pelo sensor é realizado pelo microcontrolador, que devido à arquitetura limitada dos sensores, alguns microcontroladores dispõem de mecanismos que permitem reduzir expressivamente o seu consumo de potência, essa é uma área de grande pesquisa em sensores. Possui uma memória interna e uma memória externa funcionando como memória secundaria. A comunicação sem fio é realizada através de um transceptor, pelo fato do ambiente monitorado não ter uma infra-estrutura ou a instalação ser difícil ou cara, a comunicação é realizada por um canal sem fio. A bateria é fonte de alimentação dos componentes de hardware. O mapeamento do mundo físico e a captura de eventos são de responsabilidade dos sensores.
Figura 8 - hardware de um nó sensor
Gateway
Os gateways, apresentado na Figura 9, são nós especial que permitem a troca de dados entre a RSSF e o mundo exterior.
Figura 9 - exemplo de gateway
Atuadores
Atuadores são mecanismos que interferem no meio para corrigir eventuais falhas. Com a troca de informações entre a RSSF e uma central de gerenciamento, eventos capturados pelos sensores que pode causar falhas ou prejudicar o meio, um atuador entra em ação para amenizar ou corrigir essas falhas.
5.
Modelo
Modelo funcional de RSSF (RUIZ) separadas em cinco etapas, Figura 10 (Freitas, 2007):
Figura 10 - ciclo de vida RSSF
Estabelecimento de uma RSSF
Os nós são lançados de forma aleatória na área de interesse e despertam para formação da rede. Os nós têm a capacidade de auto-organização criando redes de forma não premeditada, adaptando-se a falhas.
Figura 11 - Estabelecimento de um RSSF
Manutenção
Tem como objetivo prolongar a vida da RSSF, nesta atividade pode ocorrer de novos nós serem lançado ambiente. Um fator que determina o tempo de vida de um sensor é o nível de energia.
Sensoriamento
Etapa esta relacionada com a coleta dos dados e percepção do ambiente, para cada tipo de aplicação o ambiente é um fator que influencia nos dados, assim como distancia do objeto monitorado, ruído do ambiente. Algoritmos de comparação dos dados entre os nós podem reduzir a quantidade de informações redundantes, isso pode ocorrer quando existem nós muito próximos.
Processamento
O processamento pode ser de suporte, que envolve atividade de gerenciamento, comunicação e manutenção da rede. Processamento de informação que gerencia os dados coletados que pode envolver ações de compressão, correlação, criptografia, etc. Comunicação
6.
Aplicações
A grande heterogeneidade das RSSFs com relação ao tipo, dimensões e funcionalidade dos nós, proporciona a instalação em vários contextos, como produção industrial (indústrias petroquímicas, refinarias medindo parâmetros de temperatura, pressão, identificando problemas de vazamento e aquecimento), agricultura (monitoramento de umidade, temperatura, acidez do solo) e pecuária (controle de doenças e rastreamento). 6.1 Exemplos de aplicações
Subestação de energia elétrica - Sistema de monitoramento responsável pelas medidas de aceleração de uma maquina rotativa (compensador síncrono), instalada em uma subestação de energia elétrica. Fatores como interferência, alcance de transmissão, confiabilidade da comunicação e precisão dos sensores são analisados e discutido. O objetivo, basicamente, é analisar o comportamento da RSSF em um ambiente industrial real (sujeito a interferências), e validar os testes realizados no laboratório.
Agricultura de Precisão - Projecto AgroLofar - monitoramento de micro-climas para controle de doenças fúngicas, responsável pelo controle de umidade e temperatura, fatores que pode aumentar a probabilidade de doenças em uma plantação.
Pecuária - Com a substituição dos RFIDs por dispositivos sensores que ampliam as funcionalidades de identificação para o monitoramento em tempo real do comportamento e saúde animal, rapidamente, indivíduo por indivíduo, o produtor diagnosticaria problemas antes de se tornarem endêmicos (Neto, 2009).
7.
Conclusão
As RSSFs obtêm dados confiáveis de uma maneira inovadora, não necessitando da presença física do observador ao local, eliminando esforços e, ao mesmo tempo, garantindo segurança a baixos custos, alem de possibilitar o monitoramento de fenômenos em regiões de difícil acesso. De maneira geral esta tecnologia revolucionou o conceito de mobilidade e praticidade em relação às pesquisas englobando todas as áreas ligadas a informação.
8.
Referências
Freitas,L., Bramatti, N., Cavalcante,A., Costa,J., Francês, R., (2007) “Rede de sensores sem fio em ambientes Industriais: Estudo de caso em uma subestação de energia elétrica”. SBtr 2007.
Heidemann, J., Silva, F., Intanagonwiwat, C., Govindan, R., Estrin, D., Ganesan, D. (2001) “Building efficient wireless sensor networks with low-level naming”, In Proceedings of the Eighteenth ACM Symposium on Operating Systems Principles}, Banff, Alberta, Canada, ACM Press, 2001, pp 146-159.
Kulik, J., Heinzelman, W., Balakrishnan, H. (MIT) (1999) "Negotiation-based Protocols for Disseminating Information in Wireless Sensor Networks". MobiCOMM 1999.
Malladi, R., Agrawal, D. P. (2002) “Current and future applications of mobile and wireless networks”, Communications of the ACM, ACM Press, ISSN 0001- 0782,vol. 45, no. 10, pp 144-146, 2002.
Neto, A. (2009) “Rede de sensor sem fio e computação ubíqua na agropecuária”. São Carlos: Embrapa Instrumentação Agropecuária. Boletim de pesquisa e desenvolvimento – ISSN 1678-0434.
Ruiz, L. B (2002) “Uma arquitetura de rede de sensores sem fio” Technical Report DCC/UFMG RT.005/2002.
Tilak, S., Abu-Ghazaleh, N.B., Heinzelman, W. (2002) “A taxonomy of wireless micro-sensor network models”, In Proceedings of the ACM Workshop on Wireless Security, ACM Press, 2002, pp 28-36.
