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Redes sensores sem_fio
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Redes sensores sem_fio

  1. 1. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 179ÍNDICE Redes de Sensores Sem Fio Antonio A.F. Loureiro, Jos´ Marcos S. Nogueira, e Linnyer Beatrys Ruiz, Raquel Aparecida de Freitas Mini, Eduardo Freire Nakamura, Carlos Maur´cio Ser´ dio Figueiredo ı o ¸˜ Departamento de Ciˆ ncia da Computacao e Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte, Minas Gerais {loureiro, jmarcos, linnyer, raquel, nakamura, mauricio}@dcc.ufmg.br Resumo. Na ultima d´ cada, houve um grande avanco tecnol´ gico nas areas de sensores, ´ e ¸ o ´ circuitos integrados e comunicacao sem fio, que levou a criacao de redes de sensores sem ¸˜ ¸˜ fio. Este tipo de rede pode ser aplicada no monitoramento, rastreamento, coordenacao e ¸˜ processamento em diferentes contextos. Por exemplo, pode-se interconectar sensores para fazer o monitoramento e controle das condicoes ambientais numa floresta, oceano ou um ¸˜ planeta. A interconex˜ o de sensores atrav´ s de redes sem fio, com a finalidade de executar uma a e tarefa de sensoreamento maior, ir´ revolucionar a coleta e processamento de informacoes. O a ¸˜ objetivo deste texto e descrever o que s˜ o redes de sensores sem fio, formas de utilizacao e ´ a ¸˜ problemas relacionados. S˜ o apresentados aspectos como os componentes f´sicos e l´ gicos, a ı o protocolos de comunicacao, projeto de software, energia, tratamento de dados, organizacao e ¸˜ ¸˜ configuracao, modelagem funcional e gerenciamento de redes de sensores sem fio. ¸˜ Abstract. In the 1990’s there was a great technological advance in the development of smart sensors, powerful processors, and wireless communication protocols, that when put together create a wireless sensor network. This kind of network can be employed in the monitoring, tracking, coordination and processing of different applications. For instance, sensors can be interconnected to monitor and control environment conditions in a forest, ocean or planet. The interconnection of sensors through wireless communication networks, with the goal of performing a larger sensing task, will revolutionize how information is collected and pro- cessed. The objective of this course is to discuss wireless sensor networks, how they can be employed and related problems. ¸˜ 1 Introducao ´ O avanco que tem ocorrido na area de micro-processadores, novos materiais de sensoriamento, micro ¸ ¸˜ sistemas eletro-mecˆ nicos (MEMS – Micro Electro-Mecanical Systems) e comunicacao sem fio tem a ´ estimulado o desenvolvimento e uso de sensores “inteligentes” em areas ligadas a processos f´sicos, ı ı o ´ ´ qu´micos, biol´ gicos, dentre outros. E usual ter num unico chip v´ rios sensores, que s˜ o controlados pela a a ¸˜ l´ gica do circuito integrado, com uma interface de comunicacao sem fio. Normalmente o termo “sensor o ´ inteligente” e aplicado ao chip que cont´ m um ou mais sensores com capacidade de processamento de e ¸˜ ´ sinais e comunicacao de dados. A tendˆ ncia e produzir esses sensores em larga escala, barateando o e seu custo, e investir ainda mais no desenvolvimento tecnol´ gico desses dispositivos, levando a novas o melhorias e capacidades. Redes de sensores sem fio (RSSFs) diferem de redes de computadores tradicionais em v´ rios a aspectos. Normalmente essas redes possuem um grande n´ mero de nodos1 distribu´dos, tˆ m restricoes u ı e ¸˜ 1 Neste texto, os termos nodo e sensor ser˜ o usados como sinˆ nimos. Do ponto de vista mais formal, o termo nodo numa a o o ¸˜ RSSF indica um elemento computacional com capacidade de processamento, mem´ ria, interface de comunicacao sem fio, al´ m e de um ou mais sensores do mesmo tipo ou n˜ o. a
  2. 2. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 180ÍNDICE ¸˜ ¸˜ de energia, e devem possuir mecanismos para auto-configuracao e adaptacao devido a problemas como ¸˜ falhas de comunicacao e perda de nodos. Uma RSSF tende a ser autˆ noma e requer um alto grau de o ¸˜ cooperacao para executar as tarefas definidas para a rede. Isto significa que algoritmos distribu´dos ı ¸˜ ¸˜ tradicionais, como protocolos de comunicacao e eleicao de l´der, devem ser revistos para esse tipo de ı ¸˜ ambiente antes de serem usados diretamente. Os desafios e consideracoes de projeto de RSSFs v˜ o a muito al´ m das redes tradicionais. e ´ Nessas redes, cada nodo e equipado com uma variedade de sensores, tais como ac´ stico, s´smico, u ı infravermelho, v´deo-cˆ mera, calor, temperatura e press˜ o. Esses nodos podem ser organizados em ı a a grupos (clusters) onde pelo menos um dos sensores deve ser capaz de detectar um evento na regi˜ o, a process´ -lo e tomar uma decis˜ o se deve fazer ou n˜ o uma difus˜ o (broadcast) do resultado para outros a a a a a ´ nodos. A vis˜ o e que RSSFs se tornem dispon´veis em todos os lugares executando as tarefas mais ı diferentes poss´veis. ı Figura 1: Redes de sensores sem fio devem se tornar cada vez mais dispon´veis nas mais diferentes ı ¸˜ aplicacoes As RSSFs podem ser vistas como um tipo especial de rede m´ vel ad hoc (MANET – Mobile o ¸˜ Ad hoc Network). Numa rede tradicional, a comunicacao entre os elementos computacionais e feita ´ ¸˜ ¸˜ atrav´ s de estacoes base de r´ dio, que constituem uma infra-estrutura de comunicacao, como ilustrado e a ´ na figura 2.a. Esse e o caso da Internet. Por outro lado, numa rede m´ vel ad hoc os elementos computa- o ¸˜ cionais trocam dados diretamente entre si, como ilustrado na figura 2.b. Do ponto de vista de organizacao, RSSFs e MANETs s˜ o idˆ nticas, j´ que possuem elementos computacionais que comunicam diretamente a e a ¸˜ ¸˜ a entre si atrav´ s de enlaces de comunicacao sem fio. No entanto, as MANETs tˆ m como funcao b´ sica e e ` ¸˜ prover um suporte a comunicacao entre esses elementos computacionais, que individualmente, podem ¸˜ estar executando tarefas distintas. Por outro lado, RSSFs tendem a executar uma funcao colaborativa onde os elementos (sensores) provˆ em dados, que s˜ o processados (ou consumidos) por nodos especiais e a chamados de sorvedouros (sink nodes). ¸˜ ´ ¸˜ O restante desta secao descreve as areas de aplicacao de RSSFs, apresenta alguns exemplos de
  3. 3. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 181ÍNDICE (a) Rede infra-estruturada (b) Rede n˜ o-estruturada a ¸˜ Figura 2: Tipos de rede sem fio de comunicacao de dados ¸˜ aplicacao e algumas tarefas t´picas. Conclui descrevendo caracter´sticas normalmente encontradas nessas ı ı redes. ¸˜ A secao 2 descreve os componentes de uma RSSF, apresentando as partes dos nodos sensores ¸˜ ¸˜ e os protocolos de comunicacao utilizados. A secao 3 discute um modelo funcional para as redes de ¸˜ ¸˜ sensores. A secao 4 discute a modelagem de energia e o problema da geracao do mapa de energia, que e ´ a ¸˜ ¸˜ crucial para v´ rias outras funcoes. A secao 5 discute a caracter´stica de fus˜ o de dados, uma alternativa ı a e ı ¸˜ para pr´ -processar dados de forma distribu´da, aproveitando a capacidade dos nodos sensores. A secao 6 ¸˜ ` ¸˜ apresenta a caracter´stica desej´ vel de adaptacao as alteracoes das redes de sensores, chamada de auto- ı a ¸˜ ´ ¸˜ ¸˜ organizacao. O gerenciamento de redes de sensores e descrito na secao 7. A secao 8 apresenta e discute alguns outros assuntos, tais como o projeto de software de sistemas reativos, que s˜ o t´picos das redes de a ı sensores, algumas quest˜ es de pesquisa relacionadas com RSSFs e as conclus˜ es deste texto. o o ´ ¸˜ 1.1 Areas de Aplicacao de Redes de Sensores Sem Fio ¸˜ e Diversas aplicacoes tˆ m sido desenvolvidas utilizando um ou mais tipos de nodos sensores. As RSSFs e e ¸˜ podem ser homogˆ neas ou heterogˆ neas em relacao aos tipos, dimens˜ es e funcionalidades dos nodos o ¸˜ ¸˜ sensores. Por exemplo, as aplicacoes de monitoracao de seguranca podem utilizar sensores de imagem e ¸ ac´ sticos, embutidos no mesmo nodo sensor ou em nodos diferentes. Neste caso, os tipos de dados co- u ı u ı ¸˜ letados pela rede de sensores s˜ o imagens, v´deos e sinais de a´ dio. Outra caracter´stica dessa aplicacao a ´ uˆ e o grande volume de dados e a freq¨ encia de coleta. Se os nodos sensores forem respons´ veis pelo a processamento das imagens coletadas, pode-se considerar que estes nodos ter˜ o dimens˜ es superiores a o e ¸ ¸˜ aos dos nodos micro-sensores, ou seja, em decorrˆ ncia do esforco exigido pela operacoes envolvidas com o processamento de imagens, os nodos sensores dever˜ o apresentar maior poder de processamento, a maior quantidade de mem´ ria e consequentemente maior consumo de energia. As dimens˜ es f´sicas o o ı ¸˜ ¸˜ ¸˜ dos sensores s˜ o dependentes do tipo de aplicacao, em funcao da atual tecnologia de fabricacao de seus a componentes. ¸˜ Existem aplicacoes em que todos nodos s˜ o homogˆ neos em suas dimens˜ es, possuindo as mes- a e o mas caracter´sticas f´sicas. Durante o tempo de vida da rede esses nodos podem alterar suas funcional- ı ı e ı ¸˜ idades e estados, por´ m suas caracter´sticas de fabricacao permanecem. Na maioria das vezes, existir´ a ¸˜ entre os nodos uma relacao de igualdade de capacidades e habilidades (peer-to-peer). ´ Redes de sensores tˆ m o potencial de serem empregadas em outras areas como descrito a seguir. e Controle. Para prover algum mecanismo de controle, seja em um ambiente industrial ou n˜ o. Por a exemplo, sensores sem fio podem ser embutidos em “pecas” numa linha de montagem para fazer testes ¸
  4. 4. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 182ÍNDICE no processo de manufatura. Ambiente. Para monitorar vari´ veis ambientais em locais internos como pr´ dios e residˆ ncias, e locais a e e externos como florestas, desertos, oceanos, vulc˜ es, etc. o Tr´ fego. Para monitorar tr´ fego de ve´culos em rodovias, malhas vi´ rias urbanas, etc. a a ı a Seguranca. Para prover seguranca em centros comerciais, estacionamentos, etc. ¸ ¸ ´ a ¸˜ Medicina/Biologia. Para monitorar o funcionamento de org˜ os como o coracao, detectar a presenca de ¸ substˆ ncias que indicam a presenca ou surgimento de um problema biol´ gico, seja no corpo humano ou a ¸ o animal, como ilustrado na figura 3. ¸˜ ı Figura 3: Sensores introduzidos no corpo humano para monitorar condicoes f´sicas Militar. Para detectar movimentos inimigos, explos˜ es, a presenca de material perigoso como g´ s ve- o ¸ a ¸˜ ¸˜ nenoso ou radiacao, etc. Neste tipo de aplicacao, os requisitos de seguranca s˜ o fundamentais. O alcance ¸ a o ´ das transmiss˜ es dos sensores e geralmente reduzido para evitar escutas clandestinas. Os dados s˜ o crip- a tografados e submetidos a processos de assinatura digital. As dimens˜ es s˜ o extremamente reduzidas e o a podem utilizar nodos sensores m´ veis como os transportados por robˆ s. o o e ¸ ¸˜ De forma gen´ rica, RSSFs podem ser usadas em seguranca e monitoramento, controle, atuacao ¸˜ e manutencao de sistemas complexos, e monitoramento de ambientes internos e externos. ¸˜ 1.2 Exemplos de Setores de Aplicacao de Redes de Sensores Sem Fio a a ¸˜ A seguir, s˜ o relacionados alguns setores onde ja´existem exemplos pr´ ticos de aplicacoes de RSSFs: ¸˜ Producao industrial . Monitoramento em ind´ strias petroqu´micas, f´ bricas, refinarias e sider´ rgicas u ı a u de parˆ metros como fluxo, press˜ o, temperatura, e n´vel, identificando problemas como vazamento e a a ı aquecimento (Veja a figura 4.a). ¸˜ ´ ¸˜ Distribuicao de energia, g´ s e agua . Monitoramento de linhas de distribuicao de energia e sistemas a
  5. 5. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 183ÍNDICE ¸˜ a ´ de distribuicao de g´ s e agua, de parˆ metros como fluxo, press˜ o, temperatura, e n´vel. a a ı ´ ´ Areas industriais. Monitoramento de dados em areas de dif´cil acesso ou perigosas (Veja a figura 4.b). ı ¸˜ Extracao de petr´ leo e g´ s. Na ind´ stria de petr´ leo e g´ s, principalmente em plataformas em alto- o a u o a ¸˜ a ´ ı mar, o monitoramento da extracao de petr´ leo e g´ s e cr´tico (Veja a figura 4.c). o ´ ¸˜ ¸˜ ´ Industria de aviacao. Na ind´ stria de aviacao, cada vez mais e utilizada a tecnologia de fly-by-wire, u ´ onde transdutores (sensores e atuadores) s˜ o largamente utilizados. O problema e a quantidade de ca- a bos necess´ rios a essa interconex˜ o como mostrado na figura 4.d. Nesse caso, sensores sem fio est˜ o a a a comecando a serem usados. ¸ ¸˜ (a) Producao industrial ´ (b) Area industrial ¸˜ (c) Extracao de petr´ leo e g´ s o a ¸˜ (d) Ind´ stria de aviacao u ¸˜ Figura 4: Exemplos de setores de utilizacao de redes de sensores sem fio ¸˜ Num estudo feito pela empresa Xsilogy [40], aproximadamente 50% das aplicacoes das RSSFs ¸˜ industriais usavam sensores com capacidade de comunicacao de at´ 1 milha (aproximadamente 1600 e ¸˜ metros), conforme ilustrado na figura 5.a. A maior parte dessas aplicacoes fazia uma coleta de dados a cada 6 horas (veja figura 5.b). 1.3 Tarefas T´picas numa Rede de Sensores Sem Fio ı Como foi mencionado acima, RSSFs tendem a executar tarefas colaborativas. Geralmente os objetivos ¸˜ de uma RSSF dependem da aplicacao, mas as seguintes atividades s˜ o comumente encontradas nesse a
  6. 6. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 184ÍNDICE ¸˜ (a) Alcance de comunicacao de sensores sem fio ¸˜ (b) Taxa de observacao ¸˜ ¸˜ Figura 5: Estat´sticas sobre alcance e frequˆ ncia de observacao em aplicacoes industriais (Fonte Xsilogy) ı e tipo de rede. ¸˜ Determinar o valor de algum parˆ metro num dado local. Por exemplo, numa aplicacao ambiental a ´ pode-se desejar saber qual e o valor da temperatura, press˜ o atmosf´ rica, quantidade de luz e umidade a e relativa em diferentes locais. e a ¸˜ Detectar a ocorrˆ ncia de eventos de interesse e estimar valores de parˆ metros em funcao do evento ¸˜ detectado. Por exemplo, numa aplicacao de tr´ fego pode-se desejar saber se h´ algum ve´culo trafe- a a ı ¸˜ gando num cruzamento e estimar a sua velocidade e direcao. ¸˜ Classificar um objeto detectado. Por exemplo, ainda na aplicacao de tr´ fego, pode-se saber se o a ´ ˆ ve´culo e uma moto, um carro, um onibus ou uma carreta. ı ¸˜ Rastrear um objeto. Por exemplo, numa aplicacao biol´ gica pode-se querer determinar a rota de o ¸˜ migracao de baleias. 1.4 Caracter´sticas das RSSFs ı ı ´ Redes de sensores sem fio apresentam caracter´sticas particulares conforme as areas em que s˜ o apli- a cadas. Isto faz com que quest˜ es espec´ficas tenham que ser resolvidas. Algumas dessas caracter´sticas o ı ı e quest˜ es s˜ o discutidas a seguir. o a ¸ ¸˜ Enderecamento dos sensores ou nodos. Dependendo da aplicacao, cada sensor pode ser enderecado ¸ unicamente ou n˜ o. Por exemplo, sensores embutidos em pecas numa linha de montagem ou colocados a ¸ no corpo humano devem ser enderecados unicamente se se deseja saber exatamente o local de onde o ¸ dado est´ sendo coletado. Por outro lado, sensores monitorando o ambiente numa dada regi˜ o externa a a a a ´ possivelmente n˜ o precisam ser identificados individualmente j´ que o ponto importante e saber o valor de uma determinada vari´ vel nessa regi˜ o. a a ¸˜ Agregacao dos dados. Indica a capacidade de uma RSSF de agregar ou sumarizar dados coletados pelos ´ sensores. Caso a rede tenha essa funcionalidade, e poss´vel reduzir o n´ mero de mensagens que precisam ı u a ´ ser transmitidas por ela. Este cen´ rio e ilustrado na figura 6. Os dados coletados s˜ o combinados e a ` ¸˜ sumarizados ainda na rede, antes de serem enviados a estacao base. ¸˜ Mobilidade dos sensores. Indica se os sensores podem se mover ou n˜ o em relacao ao sistema em a que est˜ o coletando dados. Por exemplo, sensores colocados numa floresta para coletar dados de umi- a dade e temperatura s˜ o tipicamente est´ ticos, enquanto sensores colocados na superf´cie de um oceano a a ı
  7. 7. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 185ÍNDICE ¸˜ Figura 6: Agregacao de dados coletados individualmente ı ¸˜ ´ para medir o n´vel de poluicao da agua s˜ o m´ veis. Sensores colocados no corpo de uma pessoa para a o monitorar o batimento card´aco durante o seu dia de trabalho s˜ o considerados est´ ticos. ı a a ¸˜ Restricoes dos dados coletados. Indica se os dados coletados pelos sensores tˆ m algum tipo de e ¸˜ ¸˜ restricao como um intervalo de tempo m´ ximo para disseminacao de seus valores para uma dada en- a tidade de supervis˜ o. a ¸˜ Quantidade de sensores. Redes contendo de 10 a 100 mil sensores s˜ o previstas para aplicacoes am- a ´ bientais como monitoramento em oceanos e florestas. Logo, escalabilidade e uma quest˜ o importante. a ¸˜ Possivelmente, para a maior parte das aplicacoes discutidas anteriormente, os sensores ser˜ o est´ ticos a a ¸˜ em relacao ao sistema de sensoriamento. ¸˜ ¸˜ ´ Limitacao da energia dispon´vel. Em muitas aplicacoes, os sensores ser˜ o colocados em areas remo- ı a a a ¸˜ tas, o que n˜ o permitir´ facilmente o acesso a esses elementos para manutencao. Neste cen´ rio, o tempo a ¸˜ de vida de um sensor depende da quantidade de energia dispon´vel. Aplicacoes, protocolos, e algoritmos ı para RSSFs n˜ o podem ser escolhidos considerando apenas sua “elegˆ ncia” e capacidade, mas definiti- a a ¸˜ vamente a quantidade de energia consumida. Assim, o projeto de qualquer solucao para esse tipo de rede ¸˜ deve levar em consideracao o consumo, o modelo de energia e o mapa de energia da rede. O modelo de energia representa os recursos f´sicos de um sensor, que consomem energia e inter- ı ¸˜ agem com um modelo de funcoes. O modelo pode ser visto como um provedor de energia para elementos consumidores, que depende de uma bateria que tem uma capacidade finita de energia armazenada. Os consumidores de energia s˜ o os modelos de r´ dio, processador e elementos que fazem o sensoriamento a a do ambiente (sensores). Cada entidade consumidora notifica o provedor seu consumo de energia que, por sua vez informa a quantidade de energia dispon´vel. Os elementos que comp˜ em o modelo de energia ı o s˜ o: a • Bateria: representa o armazenador de energia do nodo sensor, que tem uma capacidade finita e uma taxa de consumo. • R´ dio: representa todo o sistema de transmiss˜ o e recepcao, amplificador e antena. O consumo a a ¸˜ ¸˜ de energia depende da operacao efetuada. Tipicamente a transmiss˜ o de dados consome mais a ¸˜ ´ energia que a sua recepcao. Este modelo e utilizado pela pilha de protocolos da rede. • Processador: representa o elemento de processamento central do nodo sensor. O consumo de- uˆ pende da velocidade do rel´ gio (quanto menor a freq¨ encia menor o consumo) e do modo de o ¸˜ operacao. O consumo pode ser medido pelo n´ mero de ciclos de rel´ gio para diferentes tarefas u o ¸˜ ´ como o processamento de sinais, verificacao de c´ digo de erro, etc. Este modelo e usado em o ¸˜ todas as operacoes que fazem parte do modelo de sensor. • Sensores: representa os dispositivos de sensoriamento. O consumo depende do modo de ¸˜ operacao e do tipo de grandeza medida. ´ ¸˜ A partir do modelo de energia dos nodos, e poss´vel, atrav´ s de um processo de obtencao de ı e
  8. 8. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 186ÍNDICE ¸˜ informacoes individuais, fazer um levantamento do mapa de energia da rede. A figura 7 mostra um mapa de energia que, uma vez obtido, pode ser usado para tomar uma decis˜ o mais apropriada do que deve ou a pode ser feito na rede. ´ Figura 7: Mapa de energia de uma rede (Quanto mais escura a area, mais energia) ¸˜ Auto-organizacao da rede. Sensores numa RSSF podem ser perdidos por causa de sua destruicao ¸˜ f´sica ou falta de energia. Sensores tamb´ m podem ficar incomunic´ veis devido a problemas no canal de ı e a ¸˜ comunicacao sem fio ou por decis˜ o de um algoritmo de gerenciamento da rede. Neste caso, isso pode a acontecer por diversas raz˜ es como, por exemplo, para economizar energia ou por causa da presenca de o ¸ outro sensor na mesma regi˜ o que j´ coleta o dado desejado. a a ¸˜ A situacao contr´ ria tamb´ m pode acontecer: sensores inativos se tornarem ativos ou novos a e sensores passarem a fazer parte da rede. Em qualquer um dos casos, de sensores ficarem inoperantes ´ ¸˜ ou passarem a participar de sua estrutura, e necess´ rio haver mecanismos de auto-organizacao para que a ¸˜ ¸˜ a rede continue a executar a sua funcao. Essa configuracao deve ser autom´ tica e peri´ dica j´ que a a o a ¸˜ a ´ a configuracao manual n˜ o e vi´ vel devido a problemas de escalabilidade. ´ Tarefas colaborativas. O objetivo principal de uma RSSF e executar alguma tarefa colaborativa onde ´ ¸˜ e importante detectar e estimar eventos de interesse e n˜ o apenas prover mecanismos de comunicacao. a ` ¸˜ Devido as restricoes das RSSFs, normalmente os dados s˜ o “fundidos” ou sumarizados para melhorar o a ¸˜ ¸˜ ´ ¸˜ desempenho no processo de deteccao de eventos. O processo de sumarizacao e dependente da aplicacao que est´ sendo executada. a ¸˜ Capacidade de responder a consultas. Uma consulta sobre uma informacao coletada numa dada regi˜ o pode ser colocada para um nodo individual ou um grupo de nodos. Dependendo do grau de a ¸˜ sumarizacao executado, pode n˜ o ser vi´ vel transmitir os dados atrav´ s da rede at´ o nodo sorvedouro. a a e e a a a ´ Assim, pode ser necess´ rio definir v´ rios nodos sorvedouros que ir˜ o coletar os dados de uma dada area ¸˜ e responder˜ o consultas referentes aos nodos sob sua “jurisdicao”. a 2 Componentes, Padr˜ es e Tecnologias de Redes de Sensores o ¸˜ Esta secao descreve os principais elementos que formam uma RSSF, os principais protocolos padroniza- ¸˜ dos e tecnologias mais relevantes para o uso na construcao de tais redes. Os principais componentes das ¸˜ ¸˜ redes de sensores s˜ o nodos sensores, interfaces de comunicacao sem fio e nodos para comunicacao com a outras entidades (nodos gateway).
  9. 9. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 187ÍNDICE 2.1 Nodos sensores Nodos sensores s˜ o dispositivos autˆ nomos equipados com capacidades de sensoriamento, processa- a o ¸˜ mento e comunicacao. Quando estes nodos s˜ o dispostos em rede em um modo ad hoc, formam as a redes de sensores. Os nodos coletam dados via sensores, processam localmente ou coordenadamente ¸˜ entre vizinhos podendo enviar a informacao para o usu´ rio ou, em geral para um data sink. Como visto, a um nodo na rede tem essencialmente tarefas diferentes: sensoriamento do ambiente, processamento ¸˜ da informacao e tarefas associadas com o tr´ fego em um esquema de retransmiss˜ o multi-hop, como a a ilustrado na figura 8. Figura 8: Transmiss˜ o multi-hop numa RSSF a A figura 9 apresenta alguns tipos de micro-sensores sem fio resultantes de pesquisas em diver- ¸˜ sas instituicoes, como o Smart Dust [33] da University of California, Berkeley, WINS [39] (Wireless Integrated Network Sensors) da University of California, Los Angeles e JPL Sensor Webs [17] do Jet Propulsion Lab da NASA. Os novos nodos sensores apresentam tamanho de alguns cent´metros. No en- ı tanto, nas RSSFs podem existir nodos de diferentes dimens˜ es, ou nodos micro-sensores (por exemplo, o ¸˜ smart dust) ou apenas nodos sensores maiores ou uma composicao envolvendo v´ rios tipos. a Figura 9: Projetos acadˆ micos de nodos sensores e A figura 10 apresenta os componentes b´ sicos de um nodo micro-sensor: transceptor, mem´ ria, a o ¸˜ uˆ ¸˜ processador, sensor e bateria. A reducao do tamanho do sensor tem como conseq¨ encia a reducao no ¸˜ tamanho e capacidade de seus componentes. Para se ter uma nocao dos valores envolvidos, os proces- a uˆ sadores s˜ o geralmente de 8 bits com freq¨ encia de 10 MHz, os transceptores tˆ m largura de banda de e
  10. 10. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 188ÍNDICE 1 kbit/s a 1 Mbit/s e a capacidade de mem´ ria pode ser de 128 Kbytes a 1 Mbyte. H´ uma grande o a ¸˜ diferenca entre as tecnologias de fabricacao de baterias e, consequentemente, do consumo de energia. A ¸ escolha da bateria a ser utilizada nos nodos sensores deve considerar outras caracter´sticas, como volume, ı ¸˜ condicoes de temperatura e capacidade inicial. Os tipos de bateria dos nodos sensores podem ser linear ı ı ´ simples, l´tio NR e l´tio Coin Cell. Um sensor e um dispositivo que produz uma resposta mensur´ vel para a ¸ ¸˜ ı uma mudanca na condicao f´sica. Al´ m do sensor o nodo da rede apresenta recursos de processamento, e ¸˜ armazenamento de informacoes, fonte de energia e interface de comunicacao. ¸˜ Figura 10: Hardware b´ sico de um nodo sensor a Dispositivos sensores geralmente tˆ m caracter´sticas f´sicas e te´ ricas diferentes. Assim, nu- e ı ı o merosos modelos de complexidade vari´ vel podem ser constru´dos baseado nas necessidades das a ı ¸˜ aplicacoes e caracter´sticas do dispositivo. Muitos modelos de dispositivos compartilham duas carac- ı ter´sticas: ı (i) Habilidade de sensoriamento diminui quando a distˆ ncia aumenta; a ¸˜ (ii) Devido aos efeitos decrescentes dos ru´dos (noise bursts) nas medicoes, a habilidade de sensori- ı ´ amento pode melhorar com o tempo de sensoriamento, isto e, tempo de exposicao. ¸˜ ¸˜ Em alguns casos, os nodos de uma RSSF desempenham a funcao de modificar valores do meio, a fim de corrigir falhas e controlar o objeto monitorado. Nesse caso, tem-se os atuadores. Quando um ¸˜ ´ nodo sensor possui as duas funcoes, o dispositivo que implementa as mesmas e chamado de transdutor. ´ As redes compostas de atuadores apresentam grande interesse em diferentes areas, como a m´ dica, onde e sistemas embutidos nos corpos de pacientes podem liberar medicamentos de acordo com as necessidades dos mesmos. 2.2 Nodos de Interface com Outras Redes ¸˜ A comunicacao da rede de sensores com outras redes ocorre atrav´ s de nodos chamados gateways. Men- e sagens percorrem a rede de sensores at´ chegar a um gateway que ir´ encaminha-las, por uma rede como e a e ¸˜ a Internet, at´ um computador onde roda a aplicacao. A figura 11.a ilustra um modelo gen´ rico de uma e RSSF conectada a uma rede fixa atrav´ s de um nodo gateway. A figura 11.b ilustra uma rede de sensores e que possui um nodo sorvedouro ou sink e um nodo gateway, mostrando que s˜ o componentes diversos. a 2.3 Interconx˜ o de Sensores e Atuadores a Transdutores, definidos aqui como sensores e atuadores, s˜ o empregados em diversos cen´ rios. Isso tem a a ¸˜ levado a construcao dos mais diferentes tipos de transdutores que s˜ o dif´ceis de serem interconectados a ı
  11. 11. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 189ÍNDICE (a) Modelo gen´ rico de uma RSSF com um gateway. e (b) Modelo com um nodo sink. Figura 11: Modelos de rede com nodos gateway e sink a a ¸˜ de uma forma barata e eficiente. Na pr´ tica, existem v´ rias solucoes de interconex˜ o de sensores que a e ¸˜ tˆ m vantagens e desvantagens, dada uma classe de aplicacao espec´fica. ı ¸˜ ´ ¸˜ Uma poss´vel solucao e usar comunicacao digital entre os transdutores que devem possuir um ı microprocessador capaz de tratar dessa transmiss˜ o e, possivelmente, de outras tarefas. Isso pode ser a a ¸˜ feito de diversas formas j´ que existem diferentes protocolos de comunicacao para as camadas f´sica e de ı ´ ¸˜ enlace. Logo, e poss´vel projetar transdutores para trabalhar com diferentes protocolos de comunicacao. ı ´ ¸˜ ¸˜ Na pr´ tica essa e uma solucao invi´ vel devido a quantidade de combinacoes que podem haver. a a Como alternativa, foi proposto o padr˜ o IEEE 1451 [14] que define uma interface de a ¸˜ comunicacao para transdutores. A arquitetura do padr˜ o IEEE 1451 est´ mostrada na figura 12. O a a ´ objetivo desse projeto e facilitar o desenvolvimento de transdutores que podem ser conectados a uma ¸˜ e ´ rede, sistema ou instrumento usando protocolos de comunicacao dispon´veis no mercado. Essa id´ ia e ı ilustrada na figura 13. ¸˜ 2.4 Arquiteturas de Comunicacao para RSSFs ¸˜ Nas aplicacoes descritas acima, sensores devem ser conectados a outros sensores e/ou dispositivos de ¸˜ monitoramento, controle e aquisicao de dados. Conectar esses sensores atrav´ s de meios guiados, e ¸ ´ ´ como par trancado, cabo coaxial ou fibra optica, e uma tarefa que pode n˜ o ser vi´ vel devido ao a a ¸˜ ` tipo de aplicacao da rede, por exemplo, monitoramento numa floresta ou oceano, ou devido a quanti- dade de sensores que devem ser interconectados. Al´ m disso, uma caracter´stica da rede de sensores e ı ´ ¸˜ ¸˜ e a reconfiguracao. Isto significa que canais de comunicacao que existiam podem terminar devido a
  12. 12. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 190ÍNDICE Figura 12: Arquitetura do padr˜ o IEEE 1451 a Figura 13: Exemplo de interconex˜ o de transdutores (sensores e atuares usando o padr˜ o IEEE 1451 a a ¸˜ destruicao ou inatividade de sensores. O contr´ rio tamb´ m pode acontecer, ou seja, canais precisarem se a e tornar operacionais quando sensores presentes na rede ficarem ativos e novos sensores forem acrescen- tados. Logo, o custo para manter operacional uma rede de sensores usando meios guiados inclui o custo ¸˜ do pr´ prio cabo mais o custo de manutencao desse meio. o Na pr´ tica, os projetos e experimentos que tˆ m sido feitos com redes de sensores tˆ m usado pro- a e e ¸˜ tocolos de acesso ao meio (MAC – Medium Access Control) baseados na comunicacao sem fio. Alguns deles s˜ o descritos a seguir. a ¸˜ e ´ Padr˜ o de comunicacao para redes locais IEEE 802.11. Este padr˜ o tamb´ m e conhecido como Eth- a a ernet sem fio. Este protocolo foi proposto visando estabelecer um padr˜ o para redes locais sem fio [15], a ¸˜ para comunicacao de dados com taxas de trasferˆ ncia de at´ 2 Mbits/s. A primeira vers˜ o do padr˜ o foi e e a a uˆ publicada em 1997, prevendo a possibilidade de uso tanto de r´ dio freq¨ encia quando de infravermelho a ¸˜ para a comunicacao. Em 1999, o IEEE publicou duas extens˜ es ao padr˜ o, conhecidas por 802.11a e o a 802.11b HR, possibilitando taxas de transferˆ ncia de at´ 54 Mbits/s e 11 Mbits/s respectivamente. Estas e e
  13. 13. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 191ÍNDICE uˆ ´ ¸˜ novas vers˜ es usam exclusivamente r´ dio freq¨ encia. Esta tecnologia e direcionada para interligacao o a ¸˜ de diferentes tipos de dispositivos computacionais como sensores. Um esquema de ligacao nesta rede e ´ ilustrado na figura 14. ¸˜ Figura 14: Ligacao numa rede IEEE 802.11 Padr˜ o para redes residenciais HomeRF. J´ pensando no usu´ rio dom´ stico, o HomeRF Working a a a e Group [13] lancou, em 1998, um padr˜ o para redes residenciais sem fio, chamado HomeRF2 . Proposto ¸ a por empresas diversas como Compaq, HP, IBM, Intel e Microsoft, o padr˜ o visa interligar equipa- a mentos digitais dom´ sticos em uma rede local sem fio. Muito semelhante ao padr˜ o IEEE 802.11, e a inclusive incorporando algumas de suas caracter´sticas, o HomeRF adiciona tr´ fego de voz (baseado no ı a padr˜ o DECT) em seu protocolo. Atualmente, o padr˜ o 2.0 proporciona taxas de transferˆ ncias de at´ a a e e ¸˜ ´ 10 Mbits/s. A arquitetura de comunicacao HomeRF e ilustrada na figura 15.a. Padr˜ o para interconex˜ o de dispositivos Bluetooth. Em 1998, foi formado o grupo de interesse a a ¸˜ Bluetooth [2] para desenvolver uma tecnologia de comunicacao sem fio que fosse capaz de interligar aparelhos eletrˆ nicos pessoais a baixo custo e com baixo consumo de energia. Este padr˜ o deveria ser o a ¸˜ capaz de prover um canal de comunicacao sem fio seguro entre dispositivos m´ veis e que pudesse ser o utilizado globalmente. ´ O Bluetooth e uma tecnologia de baixo custo para conectividade sem fio de dispositivos ¸˜ ¸˜ eletrˆ nicos. Inicialmente pensado como um padr˜ o de substituicao de cabos para comunicacao entre o a dispositivos eletrˆ nicos, o padr˜ o Bluetooth se tornou um consenso na ind´ stria como uma forma de o a u interligar dispositivos como telefones celulares, notebooks, PDA’s, computadores de mesa, impressoras e transdutores. uˆ O padr˜ o Bluetooth 1.1 opera na faixa de freq¨ encia de 2.4 GHz, conhecida como ISM (Indus- a uˆ ´ trial, Scientific & Medical). Esta faixa de freq¨ encia e aberta para uso geral em um grande n´ mero de u pa´ses, o que significa que cada dispositivo operando nesta faixa n˜ o necessita ser licenciado individual- ı a ´ mente. V´ rios dispositivos Bluetooth podem se comunicar dentro de uma mesma area, a uma taxa de a ´ aproximadamente 1 Mbit/s. O alcance do sinal e de aproximadamente 10 metros, podendo chegar a 100 metros dependendo da classe do dispositivo. ¸˜ ´ A comunicacao entre dois dispositivos Bluetooth e da forma mestre-escravo, onde cada mestre pode se comunicar com at´ sete escravos ativos. Qualquer dispositivo pode ser mestre ou escravo, sendo e ´ que o papel e definido dinamicamente na conex˜ o. O dispositivo que estabelece a conex˜ o se torna o a a 2 ´ O nome do protocolo que implementa o HomeRF e SWAP (Shared Wireless Access Protocol)
  14. 14. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 192ÍNDICE mestre. No entanto, os pap´ is podem ser trocados posteriormente. e ¸˜ ´ Um canal de comunicacao compartilhado pelo mestre e pelos escravos e chamado de piconet. ¸˜ Dentro de uma piconet, a comunicacao se d´ apenas entre o mestre e os escravos, n˜ o sendo permitida a a ¸˜ ´ a comunicacao entre escravos. V´ rias piconets dentro de uma mesma area de cobertura de sinal formam a uma scatternet. O Bluetooth foi projetado de forma a permitir que v´ rias piconets possam coexistir na a ´ mesma area minimizando a interferˆ ncia entre as redes como mostrado na figura 16. e ¸˜ ´ A arquitetura de comunicacao Bluetooth e definida em diversas camadas, conforme mostrado na figura 15.b. A camada RF define os aspectos f´sicos da transmiss˜ o do sinal, como potˆ ncia de ı a e ¸˜ ¸˜ uˆ transmiss˜ o, modulacao, tolerˆ ncia da variacao de freq¨ encia e n´vel de sensibilidade do receptor. A a a ı a a uˆ camada Baseband j´ trata da transmiss˜ o de bits, especificando a forma de salto de freq¨ encia (FHSS), os slots de tempo, o formato dos pacotes, o endereco dos dispositivos, os tipos de pacotes e os tipos de ¸ conex˜ o. O LMP (Link Management Protocol) gerencia o estabelecimento e controle de enlaces, bem a ¸˜ como a gerˆ ncia de consumo de energia, o estado do dispositivo na piconet e o controle de autenticacao e a ı ´ e criptografia. Para a transmiss˜ o de dados ass´ncronos, e utilizado o L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol). O L2CAP fornece servicos de dados orientados a conex˜ o e sem conex˜ o ¸ a a ¸˜ ¸˜ para as camadas superiores, fornecendo multiplexacao do canal, segmentacao e remontagem de pacotes, a ¸ ¸˜ parˆ metros de qualidade de servico e abstracao de grupos. (a) HomeRF (b) Bluetooh Figura 15: Arquiteturas HomeRF e Bluetooth Figura 16: Exemplo de piconets formando uma scatternet A arquitetura do Bluetooth foi projetada tendo como objetivo a economia de energia. No modo idle (n˜ o conectado a uma piconet), um dispositivo fica com o r´ dio ligado apenas a cada 10 ms a cada a a ciclo de tempo, que pode variar de 1,28 a 3,84 segundos. E´ importante lembrar que o m´ dulo de r´ dio, o a mesmo quando est´ apenas recebendo ou escutando o meio, gasta uma grande quantidade de energia. a Portando, manter o r´ dio desligado na maior parte do tempo representa uma grande economia de energia. a
  15. 15. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 193ÍNDICE Mesmo quando conectado a uma piconet, existem modos de economia de energia para os dis- ¸˜ positivos. Durante a permanˆ ncia em uma piconet, estacoes escravas podem entrar em estados onde e ¸˜ elas diminuem a participacao na piconet, permitindo economia de energia. S˜ o definidos trˆ s modos de a e economia de energia: sniff, hold e park. Nos dois primeiros, o dispositivo continua sendo um membro ativo da piconet, enquanto que no modo park o dispositivo apenas se mant´ m sincronizado com o mestre. e Atualmente, o Bluetooth SIG j´ est´ trabalhando na vers˜ o 2.0, que dever´ ter taxas de trans- a a a a ferˆ ncia de 2 a 10 Mbits/s, suporte para roaming e melhor coexistˆ ncia com outras tecnologias operando e e uˆ na faixa de freq¨ encia de 2.4 GHz, notadamente o padr˜ o IEEE 802.11b. a O uso dos padr˜ es em redes de sensores. Tanto o padr˜ o IEEE 802.11 quanto o HomeRF podem ser o a ¸˜ usados para estabelecer uma rede local sem fio, permitindo a interligacao de sensores. A figura 17 mostra os aspectos mais importantes de cada um dos trˆ s padr˜ es discutidos acima. e o ¸˜ Figura 17: Comparacao entre os padr˜ es Bluetooth, HomeRF e IEEE 802.11 o ¸˜ ¸˜ Por outro lado, a figura 18 ilustra exemplos de tecnologia de comunicacao sem fio em funcao da ¸˜ ¸˜ ¸˜ distˆ ncia de observacao. Note que para aplicacoes onde a comunicacao sem fio se d´ na faixa de algumas a a ´ dezenas de metros, o padr˜ o dominante e o Bluetooth. a o a a ¸˜ Outros padr˜ es que est˜ o sendo propostos pelo IEEE s˜ o o 802.15 e 802.16 para comunicacao sem fio. 3 Modelo Funcional para as Redes de Sensores As principais funcionalidades das redes de sensores podem ser separadas em cinco grupos de atividades, ¸˜ como proposto em [29] e mostrado na figura 19: estabelecimento da rede, manutencao, sensoriamento, ¸˜ processamento e comunicacao. Estas fases s˜ o simultˆ neas em suas ocorrˆ ncias e podem estar ativas em a a e diferentes momentos do tempo de vida das redes de sensores. 3.1 Estabelecimento de uma RSSF ¸˜ Seja qual for a aplicacao envolvida, o estabelecimento de uma rede de sensores envolve atividades de ¸˜ ¸˜ disposicao dos nodos e formacao da rede. A figura 20 mostra o estabelecimento de uma rede de sensores. a ¸ ´ Os nodos sensores s˜ o geralmente lancados sobre a area monitorada, caem de forma aleat´ ria e despertam o ¸˜ para a formacao da rede. Antes de iniciarem as atividades de sensoriamento, os nodos podem realizar ¸˜ ¸˜ atividades de descoberta de localizacao e/ou formacao de clusters.
  16. 16. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 194ÍNDICE ¸˜ Figura 18: Caracter´sticas de tecnologias de comunicacao sem fio (Fonte: Xsilogy) ı Figura 19: Ciclo de vida da rede de sensores As RSSFs s˜ o sistemas auto-organizados (self-organizing) formados por nodos sensores que a podem espontaneamente criar uma rede n˜ o premeditada, agrupando-se e adaptando-se dinamicamente a ¸˜ quando ocorrem falhas ou degradacao do dispositivo, gerenciando o movimento dos nodos e reagindo as ` trocas de tarefas e requisitos da rede. Os nodos podem tamb´ m se organizar para explorar a redundˆ ncia e a resultante da alta densidade, assim como prolongar o tempo de vida do sistema. ¸˜ ´ A localizacao e outro aspecto importante das RSSFs. Em geral, as redes de sensores fazem a ¸˜ ´ nomeacao dos dados ao inv´ s de nomear os nodos, como e usual numa rede como a Internet. Desta e forma, nas redes de sensores podem ser usadas coordenadas espaciais para nomear dados que s˜ o intrin- a secamente associados com o contexto f´sico do fenˆ meno que est´ sendo monitorado. ı o a ¸˜ ´ ¸˜ O sistema de localizacao e um exemplo de uma RSSFs, envolvendo um colecao de nodos da rede colaborando para alcancar uma tarefa de alto n´vel. Uma rede de sensores pode ser organizada ¸ ı ¸˜ como uma arquitetura em camada de nodos, talvez com uma combinacao de pequenos nodos tipo PC
  17. 17. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 195ÍNDICE (a) Regi˜ o de interesse a (b) Lancamento dos sensores ¸ (c) Despertar dos sensores ¸˜ (d) Organizacao dos sensores (e) Troca de dados entre os sensores Figura 20: Estabelecimento da rede de sensores e nodos menores tais como UCB Motes [5]. Pela mistura de tamanhos de nodos, muitos nodos small- form-factor podem ser organizados densamente e fisicamente co-localizados com os alvos, enquanto nodos maiores e mais capazes podem ficar dispon´veis quando necess´ rio. Com esta abordagem nota-se ı a que os nodos individuais tˆ m capacidades diferentes. e ¸˜ Existem passos relacionados com a descoberta da localizacao [22]: • Medida: as formas de medida e os algoritmos de descoberta de localizacao tˆ m sido extensiva- ¸˜ e ¸˜ ¸˜ mente tratados. Durante as medicoes uma ou mais caracter´sticas do sinal da comunicacao sem ı ´ fio e medido para estabelecer a distˆ ncia entre o transmissor e o receptor. Algumas t´ cnicas que a e podem ser usadas s˜ o RSSI (Received signal strength indicator), ToA (Time-of-arrival), TdoA a (Time-difference-of-arrival) e AoA Angle-of-arrival). • Algoritmos de descoberta de localizacao: os procedimentos para descoberta de localizacao ¸˜ ¸˜ podem ser classificados em dois grandes grupos: aqueles que usam sistemas sem fio infra- ¸˜ a estruturados (AVL, Loran, GPS, sistemas usados pelas estacoes r´ dio base para rastrear o usu´ rio a m´ vel, Cricket system, active badge systems) e os que usam sistemas ad hoc. o A rede de sensores pode executar a fus˜ o de dados agregando dados dos sensores de acordo com a ¸˜ ´ uma m´ trica de qualidade especificada pelo usu´ rio final. A agregacao de dados e um exemplo do uso e a da id´ ia de cluster. Um nodo seria o cabeca do cluster (cluster-head) e poderia sumarizar os objetos e ¸ localizados em seu cluster para prover uma vis˜ o menos detalhada para nodos distantes. A informacao a ¸˜ sum´ ria disseminada pode ent˜ o ser usada para localizar objetos. a a ı ´ Em muitos sistemas distribu´dos assume-se que cada nodo tem um unico endereco de rede. Estes ¸ enderecos aparecem em todos os pacotes para identificar a fonte e o destino. Os enderecos nos sistemas ¸ ¸
  18. 18. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 196ÍNDICE ¸˜ ¸˜ tradicionais podem ser usados como identificacao para especificar uma comunicacao com outro ponto e ¸˜ da rede e tamb´ m para fornecer informacao topol´ gica que pode ser usada no roteamento. Como visto, o ´ ¸˜ ´ uma proposta para as RSSFs e a nomeacao dos dados no lugar de se nomear os nodos como e usual na ¸˜ internet. Uma das propostas de nomeacao utiliza coordenadas espaciais para nomear dados, isto porque os dados dos sensores s˜ o intrinsecamente associados com o contexto f´sico onde o fenˆ meno ocorre [5]. a ı o Se os sensores n˜ o podem ser cuidadosamentes posicionados relativos um ao outro e ao ambi- a a e ´ ente, ent˜ o uma estrat´ gia para encontrar a “cobertura” e ter uma redundˆ ncia de sensores gerando uma a ¸˜ maior densidade de elementos. Mesmo uma distribuicao homogˆ nea de sensores pode n˜ o ser adequada e a ¸˜ a ı ¸˜ devidos a condicoes ambientais como obst´ culos e fontes de ru´do. Outra aplicacao de redundˆ ncia est´ a a ´ ´ relacionada ao fato de que o custo de se ter um nodo sensor quando a rede e criada e, em muitos casos, ¸˜ ¸˜ inferior ao custo de renovacao de recursos dos nodos por causa de falhas ou destruicao. Neste caso, pode-se explorar redundˆ ncia para aumentar o tempo de vida ajustando o uso dos nodos sensores em a ¸˜ funcao da densidade e demanda. a e ¸˜ A redundˆ ncia tamb´ m pode ser tratada por processos de software. As informacoes comuns coletadas por nodos sensores diferentes podem ser correlacionadas. Desta forma, reduz-se a redundˆ ncia a ¸˜ de informacao transportada pela rede. ¸˜ 3.2 Manutencao ¸˜ ´ O objetivo da manutencao e prolongar o tempo de vida da rede, reduzir a imprevisibilidade e atender ¸˜ aos requisitos da aplicacao. Ao longo do tempo alguns nodos atingem n´veis de energia que podem ı ¸˜ restringir de forma parcial ou total sua capacidade. A manutencao desta rede pode ser reativa, preventiva, corretiva ou adaptativa a este tipo de evento, ou a outros que venham a ocorrer [29]. A manutencao e¸˜ ´ ¸˜ funcional durante todo tempo de vida da rede. Suas funcoes s˜ o utilizadas pelas demais fases, a saber: a estabelecimento, sensoriamento, processamento e comunicacao. ¸˜ ¸˜ a a As atividades de estabelecimento da rede, sensoriamento, processamento e comunicacao n˜ o s˜ o u a a ¸˜ seq¨ enciais. Isto fica claro quando falhas, que n˜ o s˜ o excecoes, ocorrem. Isto resulta em uma topologia a a a ¸˜ dinˆ mica em RSSF mesmo quando os nodos s˜ o estacion´ rios. Mecanismos de manutencao destas redes ¸˜ devem ser propostos de forma a prolongar seu tempo de vida. Esta manutencao pode exigir uma nova ¸˜ ¸˜ distribuicao de nodos e uma nova organizacao da rede. 3.3 Sensoriamento ¸˜ As atividades de sensoriamento est˜ o relacionadas com a percepcao do ambiente e a coleta de dados. a ¸˜ De acordo com o tipo da aplicacao e os tipos de sensores envolvidos, esta fase inclui a determinacao ¸˜ a ı ¸˜ de distˆ ncia do alvo, ru´dos do ambiente, tipo do dado coletado, volume de informacao envolvida e uˆ ´ ¸˜ ´ ¸˜ freq¨ encia de amostragem. De igual importˆ ncia e a determinacao de areas de sobreposicao dos nodos a ´ ¸˜ sensores. A descoberta destas areas pode resultar na alteracao do estado de um nodo sensor. Por exemplo, ´ ¸˜ ¸˜ ¸˜ se a area de percepcao de dois sensores possui uma interseccao, isto pode resultar em uma correlacao de informaco ¸ ˜ es antes da transmiss˜ o ou na alteracao do estado de um destes sensores de forma que apenas a ¸ ˜ um permaneca ativo ou transmita seus dados pela rede. ¸ ¸˜ Sabendo-se que um nodo sensor falha em decorrˆ ncia da falta de energia, destruicao ou in- e ´ ´ ` ¸˜ operˆ ncia tempor´ ria, e importante avaliar se o n´ mero de sensores ativos e adequado a execucao da a a u tarefa e prover mecanismos de tolerˆ ncia a falhas. a ´ ¸˜ Coleta de Dados. O objetivo de uma rede de sensores e coletar informacoes de uma regi˜ o de a ¸˜ ¸˜ ` observacao espec´fica, processar a informacao e transmit´-la para um ou mais pontos de acesso a rede, ı ı ¸˜ ´ neste texto chamados de nodo sink e ou estacoes base. A atividade de coleta envolve o c´ lculo da area a ¸˜ de cobertura dos sensores e a exposicao dos sensores sobre aos alvos.
  19. 19. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores 197ÍNDICE ¸˜ A exposicao pode ser informalmente especificada como uma habilidade comum de observar um ¸˜ alvo no campo do sensor. Formalmente, a exposicao pode ser definida como a integral de uma funcao ¸˜ de sensoriamento que depende da distˆ ncia dos sensores sobre um caminho de um ponto inicial ps a um a ¸˜ ponto final pf. Os parˆ metros da funcao de sensoriamento dependem da natureza do dispositivo sensor. a ¸˜ A exposicao est´ diretamente relacionada com a cobertura. a ´ A cobertura de conectividade e mais importante nos casos de RSSFs ad hoc j´ que as conex˜ es a o s˜ o peer-to-peer. A cobertura deve, em geral, responder a quest˜ es sobre a qualidade de servico (super- a o ¸ ´ vis˜ o) que pode ser provida por uma particular rede de sensor. Um ponto inicial e definir o problema da a cobertura de v´ rios pontos de vista incluindo determin´sticos, estat´sticos, melhor e pior caso e apresen- a ı ı tando exemplos em cada dom´nio. ı ı ı ´ Sensoriamento Distribu´do. As RSSFs realizam o monitoramento distribu´do de uma area. Outra possibilidade e´ usar um sistema sensor centralizado, como imagem de sat´ lite ou radar. No entanto, a e ¸˜ solucao distribu´da tem vantagens, dentre elas podemos citar: ı • Permitir maior tolerˆ ncia a falha atrav´ s de redundˆ ncia [29]. a e a • ´ Prover cobertura de uma grande area atrav´ s da uni˜ o de v´ rios pequenos sensores. e a a • ¸˜ Ajustar o sistema para a aplicacao determinando o n´ mero apropriado de sensores. u • ´ Estender a area de cobertura e densidade, reconfigurando o sistema quando um nodo sensor falha. • ¸˜ ¸˜ Garantir a qualidade do sensoriamento pela combinacao de informacao de diferentes perspecti- vas espaciais. • Melhorar o desempenho do sensoriamento com diferentes tipos de sensores. • Monitorar um fenˆ meno cont´nuo. o ı • Localizar um fenˆ meno discreto por interm´ dio de um nodo individual e habilidade para com- o e ¸˜ binar informacao com outros nodos. • Usar diferentes tecnologias como um sensor de pequena distˆ ncia capaz de sensoriar o fenˆ meno a o somente para distˆ ncias pr´ ximas. a o • Superar os efeitos ambientais colocando os sensores pr´ ximos aos objetos de interesse. o 3.4 Processamento O processamento na rede de sensores pode ser dividido em duas categorias: • Processamento de suporte: diz respeito a todo processamento funcional dos sensores, ou seja, o ¸˜ ¸˜ processamento envolvido com o gerenciamento, comunicacao e manutencao da rede, como, por exemplo, as atividades envolvidas com os protocolos. • Processamento da informacao: os dados coletados pelo nodo sensor podem ser processados em ¸˜ ¸˜ ¸˜ ¸˜ ¸˜ funcao da aplicacao e/ou do envolvimento do nodo sensor em relacoes de colaboracao. Os dados a a ¸˜ poder˜ o estar sujeitos a compress˜ o, correlacao, critptografia, assinatura digital, etc. Um outro processamento importante diz respeito aos gatilhos que definem os est´mulos para a coleta dos ı dados. Por exemplo, os nodos sensores de temperatura podem ter seu processamento estimulado ¸˜ ¸˜ em funcao de uma variacao ou rompimento dos limites estabelecidos. ¸˜ 3.5 Comunicacao As RSSFs representam uma conex˜ o que faltava entre a Internet e o mundo f´sico. Estas redes diferem a ı de outros tipos de redes sem fio, como ad hoc e infra-estruturada. Nas redes infra-estruturadas toda a ¸˜ o o ´ e ¸˜ ¸˜ comunicacao entre os n´ s m´ veis e realizada atrav´ s da utilizacao de estacoes de suporte a mobilidade ¸˜ (estacoes r´ dio base). Neste caso, os nodos m´ veis, mesmo pr´ ximos uns dos outros, est˜ o impos- a o o a ¸˜ sibilitados de efetuar qualquer tipo de comunicacao direta. Na rede ad hoc, os n´ s m´ veis realizem o o ¸˜ ¸˜ ` comunicacao diretamente entre si, n˜ o existindo estacoes de suporte a mobilidade. Os n´ s de uma rede a o ad hoc podem se mover arbitrariamente fazendo com que a topologia da rede mude freq¨ entemente. Ao u

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