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

Alex Roschildt Pinto

UNESP – São José do Rio Pretoarpinto@ibilce.unesp.br

Florianópolis, 21 de outubro de 2013 - SECCOM 2013

Agenda

� Introdução Redes de Sensores sem Fio

� Formas de Implantação

� Topologias

� Tipos de Robôs

� Trabalhos desenvolvidos na área de Robôs e Sensores

� Conclusões

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;

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!!!

Título

� 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.

Características RSSF

Título

� 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

Aplicações RSSF

Título

• 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;

Características RSSF

Vantagens das RSSF:

• Baixo custo

• Facilidade de implantação

• Monitoramento não-intrusivo

• Maior Área de Monitoramento

Desafios:

• Mudança de Paradigma

• Restrição de Recursos

• Imprevisibilidade

• Alta escala/densidade

• Tempo Real

• Segurança

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!!!

Área interesse

Não recebi...

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??

Problema de RSSF:

• Como Implantar os sensores???

• Como dar manutenção???

• Como manter a conectividade???

• Como lidar com as severas restrições de hardware e software???

Título

• Simples de ser executado

• Necessidade de operadores humanos

• Operadores correm riscos na operação

• Pouca precisão na implantação dos nodos

Implantação através de Operadores Humanos

Título

• Nodos colocados por um robô terrestre

• Diminui o risco dos operadores humanos

• Possibilidade de implantação precisa

• Custo da Implementação do algoritmo do robô

Implantação através de Robôs Terrestres

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

Título

Topologia Estrela

• Comunicação 1 hop

• Nodos escravos enviam mensagens para nodo Mestre

• Facilidade de implantação

• Diminuição de problemas de comunicação

Título

• 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

Topologia Estrela

Título

• 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!

Topologia Cluster-Tree

TítuloTopologia Cluster-Tree

• Problemas de Overlap de cluster-heads

• Como determinar os melhores cluster-heads??? (localização, energia...)

• Como posicionar os nodos de forma a atingir a maior cobertura possível?

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

Título

Como usar RSSF em grandes áreas???

Título

• 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

Redes de Sensores sem Fio Móveis

Título

Robôs

O que é um robô?

- Sensores- Inteligência (Processamento)- Atuação (Mobilidade)

TítuloVeículos 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!!!

TítuloVeículos 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

TítuloVocês estão sempre brincando de aviõezinhos...

Caças F-16 em desuso são transformados em drones“Boeing adaptou caças para operar sem tripulação; no vos 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

Título

• 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

Asa Rotativa: AR Drone 2.0

Título

• 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.

Projetos INCT -SEC - CARINA

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

TítuloRobô 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

TítuloPrevisão de Conexão de Robôs

An Evolutionary Approach to Improve Connectivity Pr ediction in Mobile Wireless Sensor Networks

Título

•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

RSSF para Pulverização de Precisão

Título

•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.

Pulverização de Precisão

Título

� 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?

Comunicação e Mobilidade

Título

� 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

Modelo de Estudo

• Escolhe aleatoriamente direção e velocidade

• Gatilho por tempo ou percurso

• Reflete nas bordas

Modelo de Mobilidade – Random Walk

Imagem extraída de [Camp et al. 2002]

Modelo de Mobilidade – Random Waypoint

• Nodo pode ficar parado por um tempo

• Escolhe uma posição aleatória como alvo

• Escolhe uma velocidadeImagem extraída de [Camp et al. 2002]

• Movimento se altera quando o nodo atinge a borda

• Escolhe uma direção

entre 0º e 180º

• Escolhe uma velocidade

Modelo de Mobilidade – Random Direction

Imagem extraída de [Camp et al. 2002]

Modelo de Mobilidade – Manhattan Grid

Imagem extraída de [ETSI (UMTS 30.03 version 3.2.0)]

• Mobilidade em forma de grade

• Chance 1-P de continuar

em frente e P/2 de virar

• Altera velocidade a

cada n metros

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

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

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 recebidosNúmero de frames enviados

Resultados

• Número de backoff crescentes

• Aumento da dificuldade de envio

Resultados

• Número de envio crescentes

• Meio de comunicação não saturado

Resultados

• Número de recebimentos limitados superiormente

• Saturação da capacidade de recepção

após 3,67x104 nodos/m²

Resultados

• Aumento de envios e limite de recepção afetam diretamente a EC

• Decrescente com o aumento da densidade

Resultados

• Número de backoff cresce em taxas menores

• Aumento da dificuldade de envio crescendo em taxas menores

Resultados

• Número de envio crescendo em taxas menores

• Limitado pelo número de nodos fixo

Resultados

• Número de recebimentos limitado superiormente

• Saturação da capacidade de recepção de dados

Resultados

• EC decai com o aumento da densidade

• EC decai menos do que com a variação de número de nodos

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

Título

Data Mules

• Permitem que nodos móveis coletem dados de uma RSSF fixa

• Rede pode ser desconexa

• Problema: Latência...

• Menor número de nodos ....

Título

Conclusões

• Redes de Sensores sem Fio tem vários problemas aind a não solucionados.

• Áreas extensas apresentam problemas de cobertura

• Grande quantidade de nodos são necessários para gar antir conectivdade da rede

• Robôs Móveis podem ser utilizados para recoher os da dos no modo 1-hop

• Soluções ainda não consolidadas totalmente

• Quais os tipos de robôs utilizar em cada caso? (aére o, terrestre ou aquático)???

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???

Título

Questões????