Redes de Sensores e Robôs: Um novo paradigma de Monitoramento e Atuação

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O advento da computação embarcada permitiu o surgimento de tecnologias inovadoras tais como as redes de sensores sem fio (rssf). Uma RSSF é composta por nodos de tamanho reduzido com capacidade de sensoriamento e comunicação sem fio. Uma segunda evolução desta tecnologia é a integração de RSSF com robôs móveis – as redes de sensores e robôs. Estes robôs (aéreos, terrestres ou aquáticos) são capazes de coletar dados de nodos sensores estacionários ou de interagirem com outros robôs móveis formando esquadrôes ou times de nodos sensores móveis. Nesta palestra serão apresentadas as tendências deste novo paradigma de computação móvel.

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Redes de Sensores e Robôs: Um novo paradigma de Monitoramento e Atuação

  1. 1. Redes de Sensores e Robôs: Um novo paradigma de Monitoramento e Atuação Alex Roschildt Pinto UNESP – São José do Rio Preto arpinto@ibilce.unesp.br Florianópolis, 21 de outubro de 2013 - SECCOM 2013
  2. 2. Agenda Introdução Redes de Sensores sem Fio Formas de Implantação Topologias Tipos de Robôs Trabalhos desenvolvidos na área de Robôs e Sensores Conclusões
  3. 3. Título • Redes de Sensores sem Fio (RSSF) são redes de computadores embarcadas compostas por nodos de tamanho diminuto; • Sensores, • Processador, • memória, • módulo sem fio e • bateria;
  4. 4. Título • Uma vez que os nodos de uma RSSF são baseados em componentes de baixo custo, a confiabilidade individual de cada nodo é baixa; • Porém, uma GRANDE quantidade de sensores pode aumentar a confiabilidade com um baixo custo!!!
  5. 5. Título Características RSSF Os nodos coletam grandezas escalares, processam e se comunicam entre si geralmente através de rádio freqüência. Os nodos podem ser homogêneos ou alguns podem ter características especiais. Estação base é necessária para coletar e processar os dados coletados.
  6. 6. Título Aplicações RSSF Sistemas de transporte inteligente Monitoramento e manutenção de plantas industriais Espaços inteligentes Rastreamento de containers Agricultura de precisão Monitoramento de áreas inóspitas Monitoramento de qualidade de águas Aplicações militares Monitoramento de Estruturas
  7. 7. Título Características RSSF • Alta Densidade de Nodos; • Restrições de Software e Hardware; • Nodos Sujeitos a Falhas e Topologia Dinâmica; • Centradas em Dados; • Restrições Temporais (Frescor dos Dados); • Comunicação Broadcast e Roteamento Multihop;
  8. 8. Vantagens das RSSF: • Baixo custo • Facilidade de implantação • Monitoramento não-intrusivo • Maior Área de Monitoramento
  9. 9. Desafios: • Mudança de Paradigma • Restrição de Recursos • Imprevisibilidade • Alta escala/densidade • Tempo Real • Segurança
  10. 10. Problema de RSSF: • Alcance antena limitado - > Roteamento necessário • Maioria das abordagens de RSSF -> Roteamento • Roteamento - > Custoso em implementação e energia • Problema dos nodos perto do Sink esgotam energia!!!
  11. 11. Área interesse Não recebi...
  12. 12. Problema de RSSF: • RSSF promete ser alternativa barata de sensoriamento... • 1 sensor aproximadamente R$ 300,00... • Como cobrir um área extensa com sensores tendo que realizar roteamento??? • Milhares de Sensores??? • Milhões??? • Quem pagará 3 Milhões por 10K sensores??
  13. 13. Problema de RSSF: • Como Implantar os sensores??? • Como dar manutenção??? • Como manter a conectividade??? • Como lidar com as severas restrições de hardware e software???
  14. 14. Título Implantação através de Operadores Humanos • Simples de ser executado • Necessidade de operadores humanos • Operadores correm riscos na operação • Pouca precisão na implantação dos nodos
  15. 15. Título Implantação através de Robôs Terrestres • Nodos colocados por um robô terrestre • Diminui o risco dos operadores humanos • Possibilidade de implantação precisa • Custo da Implementação do algoritmo do robô
  16. 16. Título • VANTS podem implantar uma grande quantidade de nodos sensores • Aplicações táticas facilitadas, já que não é necessário utilizar operadores em solo para implantar a RSSF • Necessidade de grande quantidade de nodos para driblar a perda de equipamento
  17. 17. Título Topologia Estrela • Comunicação 1 hop • Nodos escravos enviam mensagens para nodo Mestre • Facilidade de implantação • Diminuição de problemas de comunicação
  18. 18. Título Topologia Estrela • Comunicação dependente do alcance da antena do nodo mestre • Nodos que ficam fora do alcance da antena do nodo mestre não conseguem entregar a mensagem • Quantidade limitada de nodos que conseguem participar da RSSF • Alta taxa de mensagens que chegam a um nodo mestre
  19. 19. Título Topologia Cluster-Tree • Topologias Cluster-Tree são formadas por clusters, sendo que cada cluster é controlado por um cluster-head; • Diversos desafios são apresentados por esta topologia, o principal é a formação de clusters • Além disso, a escolha do cluster-head é um ponto crítico desta topologia • Listar as vantagens e desvantagens desta topologia!
  20. 20. Título Topologia Cluster-Tree • Problemas de Overlap de cluster-heads • Como determinar os melhores clusterheads??? (localização, energia...) • Como posicionar os nodos de forma a atingir a maior cobertura possível?
  21. 21. Título RSSF Mesh • Não existe um nodo central que coordene a rede • Diversos caminhos podem ser tomados • Alta Tolerância a Faltas • Dificuldade de Atingir roteamento ótimo • Listar Vantagens e Desvantagens de uma RSSF Mesh
  22. 22. Título Como usar RSSF em grandes áreas???
  23. 23. Título Redes de Sensores sem Fio Móveis • Nodos podem apresentar mobilidade • Maior cobertura do que nodos estacionários • Dificuldade na implementação dos algoritmos de mobilidade • Nodos podem formar topologia de acordo com a necessidade
  24. 24. Título Robôs O que é um robô? - Sensores - Inteligência (Processamento) - Atuação (Mobilidade)
  25. 25. Título Veículos Aéreos Não Tripulados • Aeronaves não-tripuladas • Podem ser totalmente autônomas ou Controladas a partir do solo • Utilizadas em operações Perigosas e Entediantes... • Menor Custo de Manutenção!!!
  26. 26. Título Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTS) • Necessário Estação Base para controle ou para telemetria • Vants possuem sensores e GPS • Podem utilizar câmeras para monitoramento • Asa Fixa ou Rotatória
  27. 27. Título Vocês estão sempre brincando de aviõezinhos... Caças F-16 em desuso são transformados em drones “Boeing adaptou caças para operar sem tripulação; novos aviões serão usados em treinamento de artilharia da Força Aérea americana” Fonte: terra.com.br (26/09/2013) A aeronave decolou de uma base aérea na Flórida e sobrevoou o Golfo do México. O novo drone atingiu velocidade 1,8 mil km/h e fez manobras arriscadas, usadas em situações de combate. 52 Milhões Euros (usado)... Negócio entre Portugal e Romênia
  28. 28. Título Asa Rotativa: AR Drone 2.0 • Controlado por IOS ou Android (smartphone ou tablet) • Possui 2 cameras (Frontal e no casco) • Ótimo Algoritmo de Controle • Possibilidade de utilizar GPS para programar ROTA • Rota pode ser modificada durante vôo • Problema: baixo tempo de vôo (15 min) • Indoor e outdoor
  29. 29. Título Projetos INCT-SEC - CARINA • Carro Robótico Inteligente para Navegação Autônoma • módulos operacionais • identificação de vias navegáveis, utilizando visão computacional; • identificação de obstáculos, oriunda da visão estérea e sensores laser, • navegação autônoma, propiciada pelo uso de pontos de GPS como referência.
  30. 30. Título Projetos INCT-SEC - Tiriba • Vant pequeno porte com payload de até 4kgs http://www.agx.com.br/n2/pages/?opt=video_in_action_1
  31. 31. Título Robô Detector de Incêndio (LATW 2013) • • • • • Sensores de Luminosidade, temperatura e chama de baixo custo! Servo Motor e base robótica Controlado por Arduino (Free Hardware) Idéia: Robótica Descartável... Filtro de Média Móvel para detectar incêndio
  32. 32. Título Previsão de Conexão de Robôs An Evolutionary Approach to Improve Connectivity Prediction in Mobile Wireless Sensor Networks
  33. 33. Título RSSF para Pulverização de Precisão •Agricultura de Precisão demanda informação detalhada sobre a região de cultivo •Redes de Sensores sem Fio (RSSF) permitir a obtenção dessas informações [Lee et al. 2010] •Exemplos de aplicação: Coleta de dados micrometeorológicos e automação de aplicação de insumos
  34. 34. Título Pulverização de Precisão •Data Mule (DM) consiste em um nodo móvel capaz de coletar dados dos nodos fixos. [Shah et al 2003] •Desvantagens: – Elevada latência – exige movimentação fisica – rede dependente dos nodos móveis. •Vantagens: – Economia de energia no roteamento – menor infraestrutura – tolerância a falhas – módulo de transporte multiproposito.
  35. 35. Título Comunicação e Mobilidade RSSF pode ser utilizada para controlar a qualidade da aplicação. Comunicação é influenciada pela mobilidade [Costa et al. 2012] Qual o modelo de mobilidade proporciona melhor comunicação?
  36. 36. Título Modelo de Estudo VANT: – Se comporta como um DM – Coleta dados dos sensores – Tem mobilidade Nodos Sensores: – Fixos – Distribuídos aleatoriamente ou em grade – Não roteiam informações entre si
  37. 37. Modelo de Mobilidade – Random Walk • Escolhe aleatoriamente direção e velocidade • Gatilho por tempo ou percurso • Reflete nas bordas Imagem extraída de [Camp et al. 2002]
  38. 38. Modelo de Mobilidade – Random Waypoint • Nodo pode ficar parado por um tempo • Escolhe uma posição aleatória como alvo • Escolhe uma velocidade Imagem extraída de [Camp et al. 2002]
  39. 39. Modelo de Mobilidade – Random Direction • Movimento se altera quando o nodo atinge a borda • Escolhe uma direção entre 0º e 180º • Escolhe uma velocidade Imagem extraída de [Camp et al. 2002]
  40. 40. Modelo de Mobilidade – Manhattan Grid • Mobilidade em forma de grade • Chance 1-P de continuar em frente e P/2 de virar • Altera velocidade a cada n metros Imagem extraída de [ETSI (UMTS 30.03 version 3.2.0)]
  41. 41. Simulação e Parâmetros • Omnet++ com MiXiM e BonnMotion 2.0 • Modelos parametrizado a fim de realizarem movimentos semelhantes • Tempos de parada definidos em zero • Velocidade fixa em 30 m/s
  42. 42. Experimentos Realizados dois experimento: 1) Variando número de nodos – Cenário fixo em 180x10³ metros quadrados – Número de nodos variável entre 28, 45, 66, 91 e 120 nodos 2) Variando área do cenário – Cenário variável entre 424x10³, 263x10³, 180x10³, 131x10³, 99x10³ metros quadrados – Número de nodos fixo em 66 nodos
  43. 43. Métricas Foram tomados como métricas – Número de backoffs – Número de frames enviados pelos nodos sensores – Número de frames recebidos pelo VANT – Eficiência de Comunicação (EC), calculada por: EC = Número de frames recebidos Número de frames enviados
  44. 44. Resultados • Número de backoff crescentes • Aumento da dificuldade de envio
  45. 45. Resultados • Número de envio crescentes • Meio de comunicação não saturado
  46. 46. Resultados • Número de recebimentos limitados superiormente • Saturação da capacidade de recepção após 3,67x104 nodos/m²
  47. 47. Resultados • Aumento de envios e limite de recepção afetam diretamente a EC • Decrescente com o aumento da densidade
  48. 48. Resultados • Número de backoff cresce em taxas menores • Aumento da dificuldade de envio crescendo em taxas menores
  49. 49. Resultados • Número de envio crescendo em taxas menores • Limitado pelo número de nodos fixo
  50. 50. Resultados • Número de recebimentos limitado superiormente • Saturação da capacidade de recepção de dados
  51. 51. Resultados • EC decai com o aumento da densidade • EC decai menos do que com a variação de número de nodos
  52. 52. Conclusões Mobilidade Não controlada... Modelo de mobilidade com melhor desempenho para o caso: Manhattan Grid – Alto desempenho de EC – Mobilidade em grade oferece maior controle Distribuição de nodos mais efetiva: em grade – Média de EC variando entre 0,3% e 3,57% a mais
  53. 53. Título Data Mules • Permitem que nodos móveis coletem dados de uma RSSF fixa • Rede pode ser desconexa • Problema: Latência... • Menor número de nodos ....
  54. 54. Título Conclusões • Redes de Sensores sem Fio tem vários problemas ainda não solucionados. • Áreas extensas apresentam problemas de cobertura • Grande quantidade de nodos são necessários para garantir conectivdade da rede • Robôs Móveis podem ser utilizados para recoher os dados no modo 1-hop • Soluções ainda não consolidadas totalmente • Quais os tipos de robôs utilizar em cada caso? (aéreo, terrestre ou aquático)???
  55. 55. Título Direções Futuras • Como manter a mobilidade dos robôs? • Como implantar os sensores? • Utilização em que tipo de aplicações? • Como manter a comunicação de nodos móveis???
  56. 56. Título Questões????

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