Marvin Lemos: Introdução a Redes de Sensores Sem Fio

22 de Outubro de 2010, 0:00, por Software Livre Brasil - 0sem comentários aindaEste é um blog dedicado ao Arduino, mas o meu primeiro post será dedico ao meu tema de mestrado: Redes de Sensores sem Fio. Nos próximos posts, mostraremos como montar uma rede de sensores utilizando a plataforma livre Arduino.

Introdução
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As Redes de Sensores sem Fio (RSSF), ao longo dos últimos anos, tem despertado crescente interesse por parte da comunidade científica devido à sua grande aplicabilidade nas mais diversas áreas, como, por exemplo, monitoramento ambiental, saúde, agricultura de precisão, etc. Dentro do contexto de ambientes inteligentes, as redes de sensores desempenham papel de destaque permitindo que diversos dispositivos possam coletar e processar informações de várias fontes e, ao mesmo tempo, possam controlar processos físicos e interagir com seres humanos de forma tranquila e transparente (Calm and Disappearing technologies) [1].

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Tipicamente formada por centenas de pequenos dispositivos operados por baterias, essas redes utilizam comunicação sem fio de baixo alcance, além de possuírem severas restrições de vários outros recursos como, por exemplo, energia, largura de banda, capacidade de processamento e armazenamento. Muitas vezes esses mesmos nós são espalhados em uma região de difícil acesso, tornando complicado, ou mesmo impossível, a reposição de um nó danificado ou de uma bateria esgotada.

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Componentes de uma RSSF

Dentre os principais componentes de um RSSF, podemos citar: o sensor, o observador e o fenômeno (Figura 1). A seguir, definimos cada um deles:

• Sensor: dispositivo que realiza a monitoração física de uma determinada área gerando informações de medidas, produzindo uma resposta relevante em relação as mudanças da área monitorada. A Figura 2 ilustra dois modelos de nós sensores disponíveis.

• Observador: usuário final interessado em obter as informações disseminadas pela rede de sensores em relação a um fenômeno. Ele pode indicar interesses (ou consultas) para a rede e receber respostas destas consultas. Além disso, podem existir, simultaneamente, múltiplos observadores numa rede de sensores.

• Fenômeno: entidade de interesse do observador, que está sendo monitorada e cuja informação será analisada e filtrada pela rede de sensores. Além disso, múltiplos fenômenos podem ser observados concorrentemente numa rede.

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Numa rede de sensores típica, os sensores individuais coletam e disseminam informação, quando necessário, para outros sensores e eventualmente para o observador. Esse tipo de rede não exige a definição de uma infraestrutura. Assim, o posicionamento dos nós na rede pode ser aleatório, pois os próprios nós são capazes de se auto organizar. Os sensores realizam o monitoramento de eventos, enviando os dados coletados, ou recebidos de outro nó, para um dos nós vizinhos. Esta comunicação entre os nós é realizada até que um nó especial, denominado (sink) ("sorvedouro" ou estação base) receba as informações. O sink serve de interface entre a rede e o observador. Este nó é capaz de se comunicar com observador através de um link de comunicação, como, por exemplo, a Internet ou de uma conexão por satélite. Esta arquitetura baseada em múltiplos saltos é chamada de multihop. O modelo de comunicação multihop é particularmente atrativo para as RSSF uma vez que os nós sensores podem atuar ao mesmo tempo como sensor e retransmissor, sem necessidade de uma infra-estrutura definida. Dependendo de uma aplicação particular, a probabilidade de haver um nó intermediário no lugar certo e na hora certa é alta [2].

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Aplicações

A aplicação mais comum das redes sensores é na medição de condições ambientais, como temperatura, pressão, umidade e condições do clima ou do solo, mas elas também são bastante utilizados em outras áreas, tais como: aplicações domésticas, médicas, militares e redes veiculares.

Dentro do contexto dos Ambientes Inteligentes, as RSSF desempenham um papel importante. Em tais ambientes, diferentes dispositivos (sensores e atuadores) irão capturar e processar diversos tipos de informações do meio com o objetivo de controlar processos físicos ou mesmo interagir com seres humanos [2]. A incorporação desses dispositivos ao ambiente deve ocorrer de uma forma não intrusiva, ou seja, imperceptível aos olhos humanos, quase “invisível”, ou, conforme definido em [3], de maneira ubíqua. É nesse ponto onde entram as redes de sensores. Através de sua comunicação sem-fio, os nós sensores poderiam captar as informações de interesse do ambiente onde estão inseridos e transmitir essas informações para processadores embutidos em equipamentos domésticos (ar-condicionados, aparelhos de tv’s, smatphones, etc) de modo que uma aplicação possa executar operações baseadas nessas leituras. A seguir, ilustramos algumas aplicações típicas.

1. Controle Ambiental e Mapeamento da Biodiversidade

Através das redes de sensores é possível, por exemplo, monitorar o habitat natural de algum animal de uma maneira não intrusiva. Além disso, é possível o monitoramento de poluentes químicos em um ambiente, como depósitos de lixo.

2. Recuperação de Desastres

As redes de sensores podem desempenhar um papel importante nas aplicações de recuperação de desastres. Pode-se, por exemplo, utilizá-las na detecção de incêndios em florestas, através do constante monitoramento da temperatura do ambiente.

3. Agricultura de Precisão

Na agricultura, as RSSF podem ser utilizadas para aumentar a precisão da irrigação e fertilização, através de sensores de umidade e composição do solo depositados nos campos de plantio. Monitoramento de animais também é possível. Depositando sensores nos corpos de animais como vacas ou porcos, é possível verificar quando a quantidade de animais doentes atinge um determinado limite.

4. Saúde

Administração automática de medicamentos, monitoramento de pacientes pós-operatórios e idosos são apenas alguns exemplos onde as redes de sensores podem ser aplicadas na área de saúde.

5. Edifícios Inteligentes

É bastante comum, em edifícios, o desperdício de energia pelo uso indevido de ventilação, umidade, ar-condicionado. Assim, um controle preciso de vários parâmetros físicos através de uma rede de sensores pode aumentar, consideravelmente, a qualidade de vida dos ocupantes bem como reduzir o consumo de energia.

Além disso, os nós sensores podem ser utilizados para monitorar o nível de stress de edifícios ou construções em zonas com atividades sísmica.

6. Redes Veiculares

Condutores de veículos se beneficiarão bastante do uso de redes de sensores situadas nas laterais de estradas e integradas aos sistemas de transporte inteligentes. Os veículos “top de linha” já vêm sendo equipados com sensores, que auxiliam em tarefas como manobras de estacionamento e de manutenção do motor. Dirigir será cada vez mais seguro, menos cansativo e um pouco mais prazeroso. Em breve, haverá cooperação entre veículos, bem como de veículos com infraestruturas de estradas, possibilitando diversas aplicações, até mesmo de condução autonômica, eliminando a intervenção constante do motorista.

Referências

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[1] Leal, L. B., da Silva Araújo, H., Almeida, L. H. P., de Sousa Lemos, M. V., and Filho, R. H. (2008). Uma abordagem cross-layer para controle e gerenciamento em rssf. In AISC ’08: Proceedings of the sixth Australasian conference on Information security, pages 93–105.

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[2] Karl, H. and Willig, A. (2005). Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks. John Wiley & Sons.

[3] Weiser, M. The Computer for 21^st Century. Scientific American, 43(3): 66-75,1991

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