ANÁLISE DE QUEIMADAS NA REGIÃO AMAZÔNICA ATRAVÉS DE REDES SENSORIAIS

ANÁLISE DE QUEIMADAS NA REGIÃO AMAZÔNICA

ATRAVÉS DE REDES SENSORIAIS

Márcio M. Farias, Alex G. de Souza, Diego S. Wanzeller e Afonso J. F. Cardoso.

Ciência da Computação – Universidade da Amazônia – UNAMA Caixa Postal 66060-092 – Belém – PA – Brasil

Centro de Ciências Exatas e Tecnologia - CCET

Abstract. The article deals with the simulation of a net of devices (sensory)

without wire in the combat the forest fires in the Amazonian forest. Was chosen the region of Novo Progresso/PA for having one high index of focos of fire during the year [1]. The simulation was carried through in Network Simulator (NS), with the module of Rake Without Wire, using protocol UDP for the transference of the data from each sensory knot; I pass through it of the data of the origin to the destination is generated through protocols AODV and DSDV. Objectifying to determine which protocol of better roteamento it will be adjusted in the simulation carried through for the NS, so that of ownership of the data, either possible to get information on locality, temperature and dimension of the fire of the form fastest and efficient.

Resumo. O artigo trata da simulação de uma rede de dispositivos (sensores) sem fio no combate a queimadas na floresta Amazônica. Foi escolhida a região de Novo Progresso/PA por ter um alto índice de focos de incêndio durante o ano [1]. A simulação foi realizada no Network Simulator (NS), com o módulo de Rede de Sensores Sem Fio, utilizando o protocolo UDP para a transferência dos dados a partir de cada nó sensor; o tráfego dos dados da origem ao destino é gerado através dos protocolos AODV e DSDV, objetivando determinar qual protocolo de roteamento melhor se adequará na simulação realizada pelo NS, para que, de posse dos dados, seja possível obter informações sobre localidade, temperatura e dimensão do incêndio da forma mais rápida e eficiente.

1. Introdução

As Redes de Sensores Sem Fio (RSSFs) podem ser vista como um tipo especial de rede móvel ad hoc (MANET- Mobile Ad Hoc Network). Ela pode ser utilizada para monitorar e, eventualmente, realizar o controle no ambiente no qual se encontra. Este tipo de rede é formado tipicamente por centenas ou milhares de dispositivos autônomos chamados nós sensores, que ficam expostos de acordo com a sua aplicabilidade. As finalidades para este tipo de rede podem ser bem diversificadas, entre elas: controle ou monitoramento para fluxo de carros, seja ele em shoppings ou estradas, monitoramento remoto de parâmetro vital de um paciente na área médica, monitoração de movimentos inimigos em uma área inóspita na área militar, e vários outros.

O artigo mostra, através de simulação no Network Simulator, a monitoração de uma área localizada na Amazônia – Novo Progresso/PA – objetivando-se desenvolver um método para controle de queimadas, a partir de sensores que iniciam o seu tráfego de dados contendo informações de temperatura do local, utilizando um protocolo de roteamento e de transporte previamente configurados.

O artigo encontra-se organizado da seguinte forma: a Seção 2 apresenta o funcionamento e principais características de Redes de Sensores; a Seção 3 apresenta o funcionamento dos protocolos de roteamento e de transporte; a Seção 4 apresenta as características da Região Amazônica estudada; a Seção 5 apresenta o Ambiente de Simulação da Rede utilizado; a Seção 6 apresenta a análise dos dados obtidos após os estudos e resultados da simulação; enquanto que a seção 7 é reservada às conclusões.

2. Rede de Sensores Sem Fio (RSSF)

É notório que a tecnologia de Rede de Sensores Sem Fio vem crescendo rapidamente, e com isso a sua aplicabilidade está sendo utilizada em diversas áreas como: Controle (controle de processo), Ambiente (monitoração), Segurança, Medicina (monitoração de órgão), Biologia (detectar substâncias impróprias) e Militar (detectar inimigos ou materiais indesejáveis) [2].

Para que tenhamos uma Rede de Sensores Sem Fio é necessário um conjunto de dispositivos compactados e automatizados chamados de nós sensores. Um nó sensor é um pequeno dispositivo computacional cujo objetivo dentro da rede, é captar informações (através de seus sensores), realizar o seu processamento e transmiti-las para que se possa realizar o monitoramento físico de um fenômeno ambiental. Esse mesmo sensor produzirá uma resposta mensurável a mudanças em condições físicas, tais como temperatura, campo magnético e luz.

As RSSF são constituídas basicamente por três características: o sensor é o dispositivo que realiza a monitoração de uma área física, através da observação de um fenômeno; o observador é o usuário interessado nas informações coletadas pelo sensor; e o fenômeno é a entidade de interesse do observador (por ex. a mudança de temperatura) [3].

2.1. Classificação de uma Rede de Sensores Sem Fio

Para se classificar uma rede de sensores sem fio é preciso saber seu objetivo e sua área de aplicação. Esta aplicação influenciará diretamente nas funções exercidas pelos nós da rede, assim como na arquitetura desses nós (processador, memória, dispositivos sensores, fonte de energia, transceptor).

As RSSF podem ser classificadas pela sua configuração em: composição (homogêneas e heterogêneas); organização (hierárquica e plana); mobilidade (estacionária e móvel); densidade (balanceada, densa e esparsa); e distribuição (regular e irregular). Podendo ser caracterizadas de acordo com o seu sensoriamento (Tabela 1).

Tabela 1: Caracterização das Redes de Sensores Sem Fio segundo o sensoriamento.

Sensoriamento

Periódica Os nós coletam dados sobre o(s) fenômeno(s) em intervalos regulares. Contínua Os nós sensores coletam os dados continuamente.

Reativa Os nós sensores coletam os dados quando ocorrem eventos de interesse ou quando solicitado pelo observador.

Coleta

Tempo Real Os nós sensores coletam a maior quantidade de dados possível no menor intervalo de tempo.

Conforme a tabela acima os sensores se caracterizam de acordo com a obtenção (coleta) dos dados desejados.

3. Protocolos

Uma boa captação de dados depende diretamente do desempenho do protocolo de roteamento utilizado pelas Redes de Sensores sem Fio, onde o tráfego dos pacotes, com as informações sobre a queimada é realizado através do Protocolo de Transporte. A seguir é mostrado o funcionamento dos principais protocolos de roteamento usados pelo simulador NS em RSSF, bem como o protocolo de transporte utilizado para a simulação.

3.1. Protocolos de Roteamentos

Os protocolos de roteamento de MANETs são subdivididos principalmente em duas categorias: Protocolos Pró-ativos (ou table-driven) e Protocolos Reativos (sob-demanda). O Pró-ativo exige que os nós da rede mantenham a rota de todos possíveis destinos de modo que, quando houver necessidade do envio de um pacote de dados, a rota já é conhecida e pode ser usada imediatamente [2]. Já nos Protocolos Reativo os nós descobrem os destinos sob-demanda, ou seja, não necessitam de uma rota para os destinos até que precisem enviar pacotes de dados para os destinos [2].

Estas características de organização nas subcategorias são descritas de acordo com seu funcionamento, como descrito abaixo:

• Pró-ativos: troca de pacotes de controle e atualização das tabelas de roteamento é contínua. Exemplo: DSDV.

• Reativo: busca da rota por demanda (não há rotas permanentes). Exemplos: DSR, AODV e TORA.

A seguir descreveremos o funcionamento de alguns protocolos que se aplicam à RSSF estática e que possuem módulo de simulação no ambiente do Network Simulator.

3.1.1 Dynamic Source Routing (DSR)

É um protocolo de roteamento sob demanda. Apresenta como principal característica a utilização de roteamento por fonte (source routing), onde o nó de origem do pacote conhece toda a rota, salto a salto até o nó destino, permitindo à estação que originou o pacote determine o caminho do mesmo pela rede até seu destino [4].

O processo de descoberta da rota do nó origem funciona como mostrado a seguir: o nó envia através de difusão (broadcasting) para seus vizinhos um pacote de requisição de rota contendo o endereço de origem, o destino da comunicação e o registro de rota. Com isso, cada nó, após receber este pacote verifica em seu cache uma rota para o nó destino,

caso possua a rota, envia ao nó destino um pacote de resposta contendo a seqüência de todos os nós até o destino; e se não possuírem a rota inserem seus endereços no registro da rota e envia também por difusão para seus nós vizinhos [2].

3.1.2 Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV)

Trata-se também de um protocolo reativo, ou seja, a rota para um nó destino só é descoberta quando se deseja enviar um pacote (dados) para ele. Durante a descoberta da rota o protocolo AODV utiliza como mecanismo de armazenamento da rota uma tabela de roteamento tradicional, que armazena apenas uma entrada para cada destino, diferenciando do DSR que armazena múltiplas rotas para um mesmo destino [4].

O AODV foi projetado para ser utilizado em redes ad hoc que apresentem desde pequenos números de nós até milhares deles. O objetivo principal do protocolo é se adaptar, rápida e dinamicamente, às variações das condições dos enlaces da rede, descobrindo rotas de forma a proporcionar um QoS (qualidade de serviço) desejável, evitando o desperdício de banda, minimizando o uso de memória e processamento nos nodos que atuam como roteadores.

Este tipo de protocolo pode ser utilizado em cenários de baixa, média e alta mobilidade, assim como lida com uma grande variedade de níveis de tráfego de dados, adaptando-se dinamicamente.

3.1.3 Temporally Ordered Routing Algorithm (TORA)

Também se trata de um protocolo Reativo, que possui largura de banda eficiente e é livre de ciclos. É um algoritmo de roteamento distribuído altamente adaptável, baseado no conceito de reversão do enlace (link reversal), ele é proposto para redes sem fio multihop, com mobilidade altamente dinâmica [5].

O TORA possui a propriedade de ser altamente adaptável e rápido na reparação da rota durante uma possível falha, devido fornecer múltiplas rotas para qualquer destino desejado, caracterizando o mesmo como protocolo apropriado a ambientes móveis ad hoc com grande número de nós e de estrutura dinâmica [6].

Devido sua característica dinâmica ele é adequado para minimizar o impacto da topologia da rede nas atualizações das tabelas de roteamento. Essa atualização é realizada através de mensagem a um pequeno grupo de nós próximos de onde ocorreu a mudança [2].

3.1.4 Destination-Sequenced Distance-Vector (DSDV)

No protocolo DSDV cada nó da rede possui uma tabela com as informações que serão enviadas, por broadcast, e possuem também uma tabela de roteamento com todas as rotas para cada um dos nós da rede e a quantidade de saltos para alcançar cada destino.

A tabela de roteamento é preenchida através de um campo chamado sequence

number, o valor desse campo é informado pelo nó destino durante o processo de descoberta

da rota. Na tabela é realizada a manutenção através do envio de mensagens periódicas por cada nó, informando as alterações que ocorreram em suas tabelas devido às mudanças na topologia da rede. As mensagens para atualização de rotas são de dois tipos [7]:

• Mensagens curtas contendo apenas as últimas rotas que sofreram alguma modificação.

• Mensagens completas, contendo toda informação da tabela de roteamento, gerando com isso uma grande quantidade de tráfego. Para evitar uma sobrecarga da rede essas mensagens devem ser enviadas com uma freqüência relativamente baixa.

Ao realizar uma mudança na rede, como a perda de um determinado link, o nó que percebe essa mudança altera a entrada na sua tabela para essa rota, indicando uma quantidade de saltos igual ao maior valor possível para esse campo. Alterando também o valor do destination sequence number, esse é o único caso onde a alteração desse campo é feita por um nó que não é o próprio destino. Devido sua importância, essa alteração é imediatamente propagada pela rede pelo nó que primeiro a percebeu, ou seja, essa mensagem de atualização não aguarda o momento em que as rotas modificadas são periodicamente disseminadas.

3.2. Protocolos de Transporte

Para o transporte dos dados existem dois procotolos o TCP (Transmission Control

Protocol) e o UDP (User Datagrama Protocol). O TCP é um procotolo orientado à

conexão, ou seja, tem a preocupação de verificar se os dados chegaram de forma correta e em ordem, levando mais tempo para a entrega final dos dados; já o protocolo UDP não realiza esta verificação nos dados tornando-o mais rápido, por isso o mesmo foi selecionado para o transporte dos dados da queimada, visto que as informações serão enviadas de mais de um nó.

3.2.1 User Datagrama Protocol (UDP)

O Protocolo UDP foi selecionado para o tráfego das informações (local, temperatura e umidade) da queimada devido à mesma apresentar como vantagem a transmissão de dados mais rápida, entre outras, como: o tamanho do pacote de dados a ser transmitido fica menor comparado ao TCP e no UDP não existe mecanismo de verificação de chegada (acknowledge), tornando-o mais rápido já que não precisa esperar uma mensagem de confirmação para continuar o envio [8]. A própria aplicação preocupa-se em realizar uma verificação para saber se os dados foram recebidos de forma correta e colocá-los em ordem. 4. Região Simulada

A região considerada na simulação é do município de Novo Progresso, localizado na meso-região do sudoeste do Pará e micro-região de Itaituba. O local foi selecionado por concentrar um alto índice de focos de queimadas.

Esta região possui uma vegetação bastante complexa, devido a sua grande faixa territorial. Dentro da região encontramos Floresta Aberta Mista (cocal) e a Floresta Aberta Latifoliada (cipoal) [9].

Conforme dados obtidos [1], o município de Novo Progresso apresenta números diários equivalente a 106 focos, fazendo com que este município esteja atualmente em primeiro lugar no índice de queimadas no estado do Pará.

5. Cenário de Simulação

Utilizamos para esta simulação 49 nós (sensores) dispostos 50 metros uns dos outros com altura de 30 metros. Além desses o nó 50 (antena) foi considerado como receptor dos dados obtidos pelos demais. O seu campo de sensoriamento foi de 450x450 metros, a implantação se deu de acordo com o eixo cartesiano (x,y), onde o primeiro nó está localizado nas seguintes coordenadas x= 50 e y= 50, em seguida os nós completavam a área de sensoriamento em sete linhas e sete colunas, como mostrado na figura 1.

Figura 1: Disposição dos nós e Antena no eixo cartesiano (X,Y)

No Network Simulator as RSSF apresentam uma variável que indica o nível de

obstrução de sinal, chamada de pathloss que varia no intervalo de 1 a 5. Como o ambiente simulado é uma floresta, estipulou-se o valor 3 para esta variável, devido à densidade da vegetação local. A seguir é apresentado o simulador utilizado na pesquisa.

5.1. Network Simulator (NS)

NS é um simulador de redes de computadores, com maleabilidade em relação aos protocolos de rede, suportando simulações de protocolos em larga escala e é usado também como um emulador de rede podendo fazer interação com uma rede real. O NS possui um

visualizador gráfico para animações da simulação (NAM – Network Animation), timers e escalonadores, prevê suporte aos protocolos TCP e UDP, contendo modelos para cálculos numéricos, ferramentas de plotagem (o xgraph) e vários geradores de tráfego. Possui módulos como o interpretador para tcl (tcl/tr) que é a interface com o usuário, o tcl com orientação ao objeto (Otcl), a implementação de classes para Tcl (tclcl), classes do simulador (ns-2), bibliotecas (cweb e SGB), geradores de topologia (bt-itm, gt-itm, sgb2-ns) e ferramenta para compreensão de arquivos [10] [11].

O NS traz consigo um código aberto onde é permitido a inclusão de novos módulos ou a alteração dos que já existem, além de ser gratuito,sua utilização pode ser em diferentes plataformas como: Unix, linux, SunOS, FreeBSD, Solaris e outros [10] [12].

6. Análise dos Dados

Para esta simulação foram utilizados dois protocolos de roteamento o AODV e o DSDV. Esses protocolos foram escolhidos pelo fato dos mesmos serem aplicados à característica estática, ou seja, sem movimento, como aplicado na monitoração da região simulada.

Na monitoração foi utilizada uma antena (nó destino) para o recebimento dos dados extraídos pelos sensores. O tempo total de simulação foi de 100 segundos, sendo iniciado o tráfego a partir do décimo segundo, através de 03 nós sensores simulando a alteração de temperatura.

A Figura 2 apresenta os dados obtidos após a simulação do ambiente com ambos os protocolos de roteamento.

Comparação dos Protocolos

0,0000000 20,0000000 40,0000000 60,0000000 80,0000000 100,0000000 120,0000000 140,0000000 160,0000000 180,0000000 0,0 3,5 7,0₁₀,5₁₄,0₁₇,5 ₂₁,0 ₂₄,5 ₂₈,0₃₁,5₃₅,0 ₃₈,5 ₄₂,0 ₄₅,5 ₄₉,0₅₂,5₅₆,0 ₅₉,5 ₆₃,0 ₆₆,5₇₀,0 ₇₃,5 ₇₇,0 ₈₀,5 ₈₄,0₈₇,5₉₁,0 ₉₄,5 ₉₈,0 Tempo Vazão AODV DSDV

7. Conclusão

Rede de sensores sem fio é uma tecnologia que pode ser implantada com baixo custo e com finalidade de monitoração, podendo prevenir e/ou minorar situações indesejáveis para o ser humano como uma queimada com grande extensão em uma área de preservação.

Com a análise dos dados obtidos após a simulação verificou-se que, o protocolo DSDV, por apresentar características dinâmicas de identificação de rotas e o armazenamento dessas rotas antes mesmo do envio dos dados, mostrou possuir melhor desempenho, ou seja, melhor vazão de tráfego na maior parte do tempo de simulação. Desta forma, concluí-se que em uma área de floresta com as características consideradas, é recomendado o protocolo DSDV, pois o uso deste permite que os dados obtidos pelos sensores possam ser disponibilizados de forma mais rápida, proporcionando uma ação mais efetiva por parte dos técnicos responsáveis pela preservação da floresta.

8. Bibliografia

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http://www.gta.ufrj.br/~glauco/Spolm99_RoteamentoRedesComunicacaoSemFioAdHoc.ht m (10 ago 2005)

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