Rede de Sensores Sem Fio

Este tutorial apresenta um estudo da tecnologia de Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) baseadas nosprotocolos do IEEE (Institute of Electrical and Electronic’s Engineers), apresentando as características dofuncionamento das Redes de Sensores Sem Fio e seus principais protocolos e aplicações.

João Wilson Vieira Rocha É Engenheiro de Telecomunicações pelo Instituto de Estudos Superiores da Amazônia (IESAM). Temcertificação Cisco Certified Network Associate (CCNA) e Furukawa Certified Professional em CabeamentoMetálico e Óptico. Atualmenteo está cursando Mestrado em Engenharia Elétrica / Telecomunicações pelaUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Fez parte do Wireless Technology Laboratory (WissTek) coordenado pelos Professores Ph.D Michel DaoubYacoub e Ph.D Paulo Cardieri, participando da pesquisa de Redes Wireless, com ênfase em Redes Ad-Hoc eSensores Sem Fio, sob orientação do Professor Ph.D Paulo Cardieri. Atuou como Estagiário de Tecnologia da Informação da INFRAERO, executando atividades de suporte eminfra-estrutura de rede e de sistemas de TI, desenvolvendo projetos em sistemas de comunicações, emitindorelatórios de pesquisas de rede e auxiliando na atuação conjunta de engenheiros civis e eletrônicos naimplantação de sistemas de transmissão. Atuou na EMBRATEL, desempenhando atividades de configuração e ativação de modems digitais eroteadores Cisco, de testes de acessos (par Metalico, radio digital, satélites e fibra óptica), de configuração emanutenção de Rede E1 Newbridge, e de monitoramento de circuitos, através de analisadores de protocoloRad e WG. Atuou como Network Specialist na Stefanini IT Solutions, alocado na ThyssenKrupp Metalúrgica (CampoLimpo, SP), sendo responsável pela analise e administração da infra-estrutura de rede. Atualmente trabalha como Engenheiro de Projetos e Suporte IP na Global Crossing, sendo responsável pelodesenho e definição de soluções de redes de comunicação. Atua também como Especialista IP, definindo aconfigurações lógica de roteadores Cisco e Huawei em diversos ambientes, preparando a especificação deprodutos e serviços para comunicação, e realizando suporte de 3º nível a clientes, com utilização de BGP,MPLS, HSRP, GLBP, Frame-Relay, QoS e VoIP. Email: joaowvr@hotmail.com

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Categoria: Redes de Dados Wireless

Nível: Introdutório Enfoque: Técnico

Duração: 15 minutos Publicado em: 20/08/2007

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Rede de Sensores Sem Fio: Introdução

Graças às inovações tecnológicas nos ramos da comunicação sem fio, da eletrônica digital e dos sistemasmicro-eletro-mecânicos, o mundo vem assistindo a uma revolução no sensoriamento remoto. Muitos estudosforam e estão sendo concentrados para o desenvolvimento de redes de sensores sem fio. A ilha de GreatDuck, no Maine, EUA, por exemplo, é um grande laboratório pioneiro nesse ramo, fazendo parte de umprojeto suportado pela Intel. Mas, afinal, o que são redes de sensores sem fio? Uma rede de sensores sem fio (RSSF) pode sercaracterizada pelo uso de uma quantidade grande de nós-sensores com a capacidade de se comunicar. Essesnós podem ser colocados dentro do fenômeno a ser analisado ou próximo a ele, diferentemente das redes desensores tradicionais. As posições de cada nó não são predeterminadas ou pré-calculadas, são aleatórias,visto que a implantação de redes de sensores em locais de difícil acesso pode ocorrer pelo uso dehelicóptero, apenas "soltando" os nós sobre a região a ser analisada. Sendo assim, essas posições devem ser tratadas pelos protocolos de comunicação e gerenciamento da rede,tornando esses protocolos um campo vasto para pesquisa. A comunicação entre estes nós é feita através deuma rede ad-hoc sem fio, um nó transmitindo a outro nó próximo os valores do sensoriamento.Este próximonó deve se encarregar de passar os dados para o próximo nó, e assim por diante. A idéia é tirar proveito dedispositivos tão pequenos e (espera-se) baratos que possam ser usados em larga escala. Temos na imagemabaixo um exemplo de o quão pequenos são esses sensores, praticamente do tamanho de uma moeda.

Figura 1: Comparação do tamanho de um sensor Os sensores realizam, além do sensoriamento, processamento de dados e comunicação entre componentes.As RSSF apresentam melhorias em relação aos sensores tradicionais, que apresentam os seguintesproblemas:

Os sensores podem ser posicionados longe do evento a ser monitorado, levando a sensores grandes ecomplexos.Muitos sensores são colocados próximos ao evento a ser monitorado, apenas enviando os valores parauma central de processamento, o que exige um estudo bastante cuidadoso da topologia decomunicação e métodos próprios para cada aplicação devem ser desenvolvidos.

Algumas funções típicas de nós-sensores:

Determinar o valor de algum parâmetro em um determinado local;Detectar eventos e estimar valores parâmetros em função do evento detectado;Classificar um objeto detectado;Rastrear um objeto.

As RSSF levam óbvias vantagens sobre as redes com fio, pois eliminam altos custos com cabeamento e

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podem ser implantadas em locais de difícil acesso, podendo, como já dito, ser implantadas através de umhelicóptero, talvez, sobre a área a ser analisada. A Ember Corp, de Boston, é uma das empresas pioneirasdesse ramo. A evolução desta tecnologia vem sendo impulsionada pela procura, cada vez maior, por parte degrandes empresas do ramo industrial. O setor varejista, por exemplo, tem feito uso desta tecnologia com a conhecida “etiqueta de identificação derádio freqüência”, a “etiqueta inteligente” (RFID), que seria uma substituição da tecnologia de códigos debarra. Cada mercadoria com RFID identifica-se a si própria, formando um diretório atualizado doestabelecimento, que deve possuir um leitor de rádio. Uma etiqueta tem preço aproximado de US$ 0,20, comtendência de queda nos próximos anos, podendo chegar a menos da metade do preço atual. Sensores maissofisticados, que criam sua própria rede e realizam processamento de sinais custam em torno de US$ 50. Muitas grandes corporações já utilizam, ou testam, o RFID, como por exemplo: Benetton, Prada, Procter &Gamble, Gillete, Unilever e Wal-Mart. Traduzindo, muito dinheiro deve ser injetado nas pesquisas nessecampo. O Banco Central Europeu pensa em utilizar o RFID em notas de dinheiro. A York International,gigante do segmento de sistemas de ventilação, pretende instalar vários nós-sensores nos condicionadores dear vendidos a seus clientes, facilitando a monitoração das temperaturas, que deverão ser enviadas aosescritórios da York, aliviando o trabalho dos técnicos e aumentando a produtividade. A Intel já experimentasistemas baseados nesses sensores em centros de saúde para ajudar pacientes com problemas de lapsos dememória, lembrando-lhes a hora de comer ou de beber água. Na Universidade da Califórnia, em Berkley, está sendo desenvolvido, com o apoio da Intel, um sistemaoperacional em código aberto, chamado de TinyOs, que exige pouca memória (cerca de 8 Kb), importantepara sensores, que devem ser os menores possível. O TinyOs já é utilizado pela empresa Crossbow, pararastreamento de peças de carro.

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Rede de Sensores Sem Fio: Características

As RSSF têm características que as diferem bastante das redes mais comuns. Uma característica das RSSF éque são centradas em dados, diferente das redes tradicionais centradas em endereço. Assim, um nó difunde(ou pede) informações baseadas em atributos. Além disso, os nós-sensores devem atender a requisitos específicos da aplicação, muito comumente os nósfocam-se em apenas um atributo, ou um pequeno conjunto de atributos, necessitando então deprocessamento no interior da rede. As restrições impostas à rede de sensores sem fio implicam em uma sériede requisitos para os protocolos de comunicação nunca antes encontrados em tal escala. Como conseqüênciade suas características, os protocolos de comunicação e gerenciamento da rede devem ter capacidades deauto-organização. Vejamos as principais características das RSSF, que influem no projeto de um protocolo ou algoritmo para arede. Tolerância à falha Os nós-sensores devem ser de baixo custo e pequenos no tamanho, o que contribui para o fato deles serempouco confiáveis, fazendo com que a rede tenha que ser tolerante a falhas. As falhas podem ocorrer pordiversos motivos: falta de energia, falta de visibilidade para outro nó da rede ou algum dano físico, devendoa rede ser capaz de realizar suas tarefas mesmo com a perda de alguns nós. Os níveis de tolerância à falhavão determinar diferentes algoritmos de controle da rede. O nível de tolerância à falha vai depender doambiente e da aplicação, dependendo também desses mesmos fatores o algoritmo de controle da rede. Escalabilidade O fato dos nós terem como atributos básicos o baixo custo e o tamanho minimizado contribui para aformação de redes densas e de muito alta escala, necessitando de poucos cuidados e custos de instalação.Com redes densas, teremos certamente um alto grau de redundância e disponibilidade dos dados, o que podeser visto como um problema, mas do qual devemos tirar proveito. Temos então que a agregação de dadosnos nós-sensores toma grande importância para que haja economia de energia (através da redução dotráfego), coordenação de sensoriamento e direcionamento de interesses. Essa agregação é determinada porinterações localizadas entre nós que compartilham a mesma vizinhança. Custo de Produção Como as RSSF têm, em geral, um grande número de nós, é essencial que o preço de cada nó seja reduzido aomínimo possível, para que a instalação de uma RSSF seja viável e preferível, em comparação a uma rede desensores tradicionais. Estima-se que o preço de cada nó deva estar abaixo de US$ 1, o que ainda não épossível. Hardware Temos na figura abaixo uma ilustração do esquema de hardware de um nó-sensor. Os componentes comtraços pontilhados são opcionais. Esquema de hardware de um nó-sensor. Consumo de Energia

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A energia é vista como o fator crucial em RSSF. Como as fontes de energia são limitadas, já que os sensoressão dispositivos microeletrônicos, os nós-sensores devem cooperar entre si de modo a transportar os dadosde uma forma eficiente quanto ao gasto de energia. A comunicação é o principal consumidor de energia,com a transmissão de dados consumindo ainda mais que a recepção. Assim, deve-se também exploraralgoritmos adaptativos locais, que não se baseiem em interação ou informação global, evitando o gasto deenergia com o tratamento de uma carga muito grande de informação. Os nós devem se adaptar automaticamente ao ambiente, podendo ficar “adormecidos”, quando não foremnecessários, para poupar energia, assim como podem tornar-se operacionais e podem precisar se reorganizarde forma automática, no caso de perda (ou destruição) de algum deles ou no caso de novos sensores seremadicionados à rede. Tudo isso deve ser gerenciado com extremo cuidado para que não se gaste energiadesnecessária. Algumas técnicas utilizadas para a redução do consumo de energia nos nós são: formação declusters de sensores, redução da carga computacional no sensor, protocolos eficientes, circuitos de baixoconsumo, adormecimento de nós inativos e produção local de energia (com transdutores piezoelétricos,células solares, campos magnéticos, etc). Na formação de clusters, os nós são distribuídos em clusters ou árvores de nós, que são formados de acordocom algum algoritmo de clusterização. Em cada cluster existe um cluster head, nó principal para o qual osoutros nós pertencentes ao cluster enviam seus dados. Estes nós principais são os únicos que enviam osdados para o destino final, que é chamado de estação base. Essa técnica permite a redução do uso daenergia, pois, os nós que transmitem o dado para o cluster head, gastam muito pouca energia devido àpequena distância entre estes nós. Já os cluster heads gastam muita energia. O que se costuma fazer é umarotação de cluster heads, de forma que os nós gastem, na média, a mesma quantidade de energia.

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Rede de Sensores Sem Fio: Aplicações

As redes de sensores sem fio possuem inúmeras aplicações possíveis, o que é um grande incentivo para queas pesquisas nesta área continuem sendo realizadas. A cada dia, a tendência é que as redes de sensores semfio sejam utilizadas nos mais variados lugares, surgindo cada vez mais aplicações para seu uso. Muitas dasaplicações atuais destas redes são no dia-a-dia. A aplicação mais comum de sensores é na medição decondições ambientais, como temperatura, pressão, umidade e condições do clima ou do solo, mas elestambém são bastante utilizados para monitorar movimentos, controlar velocidades e detectar materiaisperigosos. As principais áreas de aplicação das redes de sensores sem fio são: Aplicações domésticas As redes de sensores sem fio vêm sendo cada vez mais utilizadas nas casas, com funções diversas, sendo asprincipais apresentadas a seguir:

Automação de Tarefas Domésticas: Através da instalação de sensores em equipamentos utilizadosno dia-a-dia, é possível automatizar tarefas comuns, como iluminação e controle de equipamentoscomo geladeiras, fornos de microondas e aparelhos de ar condicionado.Segurança: Uma das aplicações domésticas mais procuradas é voltada para a área de segurança. Adistribuição de sensores de temperatura e de movimento pela casa permite a detecção de incêndios einvasões, além do controle de movimentos de crianças e idosos pela casa.Desenvolvimento de Ambientes Inteligentes: Um dos principais atrativos das redes de sensores semfio é no desenvolvimento de um ambiente doméstico inteligente. A rede permite a integração dosdiversos equipamentos nos quais são instalados sensores, podendo-se, inclusive, controlá-los por vozou por telefone. Esta rede permite a comunicação entre estes equipamentos. A integração de câmerasnesta rede permite que os moradores visualizem o que está acontecendo em um determinado local dacasa, assim que algum sensor detectar qualquer irregularidade. A integração da linha telefônicapermite que a polícia, os bombeiros ou um hospital sejam avisados automaticamente em caso deinvasões ou acidentes. Sensores de intensidade luminosa podem apagar as luzes durante o dia eacendê-las à noite.

Figura 2: A cama aquece 01:30 após a pessoa acordar, para matar ácaros Aplicações militares As aplicações militares de sensores são bastante comuns atualmente, principalmente pelo fato de não ser

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possível definir uma infra-estrutura de comunicação em meio a uma operação de guerra. Além de isto exigirtempo, a instalação de uma central tornaria a rede vulnerável (a destruição da central acabaria com a rede).As redes de sensores são utilizadas em programas C4ISRT (Command, Control, Communications,Computers, Intelligence, Surveillance, Reconnaissance, and Targeting - Comando, Controle,Comunicações, Computadores, Inteligência, Vigilância, Reconhecimento e Mira). As principais aplicações nesta área são apresentadas a seguir:

Localização de Soldados: Sensores instalados nos uniformes dos soldados permitem à centralmonitorar a posição e os movimentos de cada soldado. Este monitoramento pode até mesmo servisualizado por um comandante em campo de batalha, através de um visor.Controle de Equipamentos e Munição: A instalação de sensores nos equipamentos e armas que ossoldados carregam tornam possível o controle da munição ou outros equipamentos disponíveis.Reconhecimento de Inimigos: Através do espalhamento de sensores num campo de batalha, épossível monitorar e mapear os movimentos das tropas inimigas.Sistemas de Mira: Auxiliam os soldados no controle da mira, principalmente em casos de alvosmóveis ou em situações de pouca visibilidade, como ambientes escuros, nebulosos ou com obstáculosno meio.Detecção de Ataques Nucleares, Biológicos ou Químicos: O sensoriamento do solo permite adetecção destes tipos de ataques ou de minas instaladas na região.

Figura 3: Exemplo de aplicação militar para as RSSF Aplicações ambientais Na monitoração de condições ambientais, as redes de sensores sem fio também são bastante úteis, pois emdeterminados casos, condições de relevo irregulares e vegetação densa são desfavoráveis para a instalaçãode estruturas de monitoramento destes ambientes. Exemplos de aplicações nesta área são:

Detecção de Incêndios: A distribuição de sensores em uma floresta permite que incêndios sejamdetectados em pouco tempo e sejam localizados imediatamente e com precisão, o que permite ocontrole dos incêndios rapidamente, antes que se espalhem por uma área muito grande.Detecção de Enchentes: Utilizando o mesmo princípio descrito na detecção de incêndios, é possívelcontrolar enchentes, mesmo em locais de difícil acesso.

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Monitoração de Movimentos de Animais: Utilizado para caça e para controle de movimentos deanimais perigosos.Controle de Condições Ambientais: É possível monitorar diversos fatores ambientais, como o nívelde poluição no ar ou na água, a concentração de pesticidas na água e as condições de temperatura eumidade.Mapeamento da Biodiversidade do Ambiente: Uma rede de sensores espalhada em determinadoambiente torna possível a detecção de animais e plantas localizados na região.

Aplicações médicas Na área de saúde, as redes de sensores sem fio podem ser utilizadas para:

Monitoração de Pacientes: Sensores podem ser utilizados em hospitais para monitorar osmovimentos dos pacientes ou controlar determinadas funções do corpo, como os batimentos cardíacosou a pressão arterial.Administração de Medicamentos: Torna-se possível o controle da quantidade de medicamentosutilizados por cada paciente.Rastreamento de Médicos: Permite a localização precisa e imediata de médicos em um hospital, emcasos emergenciais.

Outras Aplicações Além das áreas apresentadas, existem diversas outras aplicações possíveis para as redes de sensores sem fio.Com as crescentes pesquisas na área, a tendência é que se descubram cada vez mais aplicações. Entre asdemais áreas de aplicação, temos:

Controle de tráfego: Uso de sensores em estradas para monitoração do movimento de veículos,controle de velocidade, localização de veículos em estacionamentos ou de veículos roubados, etc.Engenharia: Aplicação das redes de sensores sem fio em construções, monitoramento e modelagemde estruturas, controle de materiais, controle de qualidade de produtos, etc.Aviação: Controle de tráfego aéreo, monitoramento do avião (controle de combustível e altitude),rastreamento de rota, etc.Entretenimento: Desenvolvimento de brinquedos e outros equipamentos que interagem com oambiente.

Figura 4: Aplicação de sensores no controle de fabricação de automóveis

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Rede de Sensores Sem Fio: Arquitetura e Gerência

Arquitetura Uma rede de sensores sem fio pode ser classificada quanto a dois critérios. A rede pode ser classificadabasicamente como proativa ou reativa. Nas redes proativas, os sensores trocam informações periodicamente.Nas redes reativas, as trocas de informações só ocorrem quando determinados eventos são sensoriados.Quanto à arquitetura, uma rede pode ser classificada como plana ou hierárquica. Nas redes planas, todos ossensores são semelhantes, e nas redes hierárquicas, os sensores possuem características diferentes, como acapacidade de processamento, o que faz com que a arquitetura da rede leve estas diferenças em conta.Assim, um sensor com maior poder computacional pode ser mais utilizado que outros no sensoriamento e noroteamento. Uma rede de sensores sem fio não exige a definição de uma infra-estrutura. Assim, o posicionamento dos nósna rede pode ser aleatório, pois os próprios nós são capazes de se comunicar e se organizar. Os sensores sãocapazes de monitorar determinado tipo de dados e enviar as informações monitoradas por ele, ou recebidasde outro nó, para um dos nós vizinhos. Esta comunicação entre os nós é realizada até que o nó chamado desink ("sorvedouro") recebe as informações. Este nó é capaz de se comunicar com o gerenciador de tarefasatravés da Internet ou de uma conexão por satélite. Esta arquitetura baseada em múltiplos saltos é chamadade multihop. A arquitetura multihop permite a redução do consumo de energia na transmissão, pois evita quetodos os nós da rede precisem transmitir informações diretamente ao nó sink. Em vez disso, os nós sóprecisam realizar transmissões aos seus vizinhos.

Figura 5: Comunicação multihop dos sensores na rede

Os nós da rede, tanto os sensores quanto o sink, utilizam uma série de protocolos, que podem ser descritosem camadas. As camadas de protocolos utilizadas pelos nós, semelhantes aos modelos de referência OSI eTCP/IP, são: camada física, de enlace, de rede, de transporte e de aplicação. Além das camadas, sãodefinidos três planos: plano de gerenciamento de energia, de gerenciamento de mobilidade e degerenciamento de tarefas, que são independentes das camadas.

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Figura 6: Camadas e planos da arquitetura de uma RSSF Planos de Gerenciamento Os planos de gerenciamento foram definidos para permitir que os sensores trabalhem de maneira maiseficiente, consumindo o mínimo possível de energia, gerenciando a movimentação dos sensores na rede damaneira mais eficiente possível e compartilhando recursos na rede. São os planos de gerenciamento quepermitem que os sensores trabalhem realmente como uma rede. Sem eles, haveria simplesmente um conjuntode sensores trabalhando individualmente. Plano de Gerenciamento de Energia O plano de gerenciamento de energia é responsável pelo controle de uso de energia por cada sensor. Comojá descrito, a energia é um dos fatores primordiais em uma rede de sensores. Por isso, este plano foi definido.Quando o nível de energia está baixo, um sensor pode enviar uma mensagem em broadcast para informareste fato aos demais sensores, pois, devido à arquitetura multihop, algum outro sensor poderia utilizá-lo paraencaminhar informações ao nó sink. Desta forma, ao receber esta mensagem, os demais sensores irão buscarum caminho alternativo até o nó sink, sem passar pelo sensor que está com pouca energia. Este, por sua vez,continuará apenas realizando o sensoriamento, e só enviará mensagens em caso de detectar algum evento.Outro método para economia de energia que um sensor pode utilizar é desligar o receptor após orecebimento de uma mensagem. Desta maneira, ele evita o recebimento desta mesma mensagem por outrosensor e reduz o consumo de energia. Plano de Gerenciamento de Mobilidade Como já foi visto, as redes de sensores sem fio não exigem infra-estrutura. Porém, os sensores precisamsaber quem são seus vizinhos, e precisam conhecer uma rota que permita alcançar o nó sink. Isso éresponsabilidade do plano de gerenciamento de mobilidade. Como os sensores são móveis, cada sensor devesempre manter atualizada uma lista com os sensores vizinhos. Assim, é possível balancear o consumo deenergia e as tarefas realizadas. Plano de Gerenciamento de Tarefas Nem todos os sensores precisam realizar o sensoriamento simultaneamente. Por isso, o plano degerenciamento de tarefas é responsável por escalonar estas tarefas em regiões determinadas. Em geral, ossensores que possuem mais energia são escolhidos para realizar estas tarefas mais vezes do que aqueles comnível de energia mais baixo.

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Rede de Sensores Sem Fio: Camadas

As camadas foram definidas com o objetivo de permitir o isolamento de tarefas. Assim, como exemplopode-se dizer que determinada aplicação de um sensor pode ser definida independentemente do meio detransmissão utilizado. Camada Física A tarefa da camada física é a transmissão de mensagens entre sensores. Esta camada é responsável porselecionar as freqüências que serão utilizadas, gerar a portadora, detectar, modular e codificar o sinal. Comoa minimização do consumo de energia é uma das principais preocupações numa rede de sensores sem fio, acamada física deve tratar de problemas que são comuns em qualquer transmissão sem fio, como a reflexãodo sinal. Em geral, a energia mínima necessária para uma transmissão sem fio é:

Onde d é a distância entre o transmissor e o receptor. Quando a antena está mais próxima do solo, caso maisprovável nas redes de sensores sem fio, n se aproxima de 4. Uma decisão que deve ser tomada no projeto da camada física é a escolha do tipo de modulação, binária ouM-ária. Na modulação binária, cada símbolo é representado por apenas um bit, ou seja, são representadosapenas dois níveis. Já na modulação M-ária, utiliza-se M bits para representar 2M níveis. Quanto maior ovalor de M, mais complexos e precisos devem ser os circuitos para modulação e detecção, e maior oconsumo de energia. Estudos mostram que a modulação binária é mais eficiente, por consumir menosenergia. O projeto da camada física também deve levar em conta o meio de transmissão. A comunicação entre ossensores da rede pode utilizar sinais ópticos, sinais infravermelhos ou sinais de rádio-freqüência (RF). Acomunicação óptica tem como principal vantagem o consumo de energia, menor que nas outras tecnologias.Porém, esta comunicação exige uma linha de visada do sinal, ou seja, o transmissor e o receptor devem estaralinhados, além de ser sensível às condições atmosféricas. A comunicação através de sinais infravermelhos também exige uma linha de visada do sinal entre otransmissor e o receptor. Por esta limitação, as redes com comunicação por infravermelho são bastante raras. A comunicação através de sinais de RF é a mais comum. A principal vantagem é que, ao contrário do queocorre nas comunicações ópticas e por infravermelho, neste tipo de rede o transmissor e o receptor nãoprecisam estar alinhados. O receptor só precisa estar suficientemente próximo do transmissor, para ser capazde receber os sinais de rádio com um nível de potência que seja suficiente para decodificar os sinaiscorretamente, podendo haver, inclusive, obstáculos sólidos entre os dois. Como desvantagens, acomunicação por rádio é extremamente sensível a ruídos provocados por aparelhos operando na mesmafaixa de freqüência, e muitas faixas de freqüência já são utilizadas por diversos serviços, o que limitabastante a disponibilidade de uso das redes que utilizam RF. Camada de Enlace

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Como as redes de sensores sem fio não exigem a definição prévia de uma infra-estrutura, os sensores devempossuir algum mecanismo que permita a identificação dos demais sensores na rede. Esta tarefa é realizadapela camada de enlace. Além do controle de acesso ao meio (MAC), esta camada realiza as tarefas decontrole de erros, detecção de quadros e multiplexação do fluxo de dados. Como os sensores têm liberdade para deslocarem-se na rede, o controle de acesso ao meio é responsávelpelo estabelecimento da comunicação multihop, como forma de organizar a rede e estabelecer rotas. Outrafunção do MAC é a distribuição dos meios de transmissão entre os sensores que fazem parte da rede. Paraisso, existem diversos protocolos, como o CSMA/CA, o EAR, o SMACS e um híbrido TDMA/FDMA. Omais comum é o CSMA, também utilizado no padrão Ethernet, com um mecanismo que evita colisões. Nocaso do Ethernet, é comum utilizar-se o padrão CSMA/CD, que evita colisões escutando o meio antes edurante a transmissão. Porém, como isto não é possível nas redes sem fio, utiliza-se o CSMA/CA. O controle de erros também é uma tarefa muito importante da camada de enlace, pois permite aretransmissão de dados que não foram recebidos corretamente, geralmente em função de erros detransmissão, o que é mais comum em redes sem fio. Os principais protocolos de controle de erro utilizadosnas redes de sensores sem fio são o ARQ (Automatic Repeat Request) e o FEC (Forward ErrorCorrection). No ARQ, o receptor envia mensagens de reconhecimento do tipo ACK quando recebe umpacote corretamente e NAK quando detecta a perda de um pacote. Desta forma, o transmissor é informado dos erros que ocorrem na transmissão, e pode reenviar os pacotesnos quais houve erros. O protocolo FEC utiliza códigos corretores de erro e transmite dados redundantes.Assim, reduz-se a probabilidade de ocorrerem erros, e, quando estes ocorrerem, é possível corrigi-los.Porém, o tamanho dos pacotes é bastante aumentado, em função dos códigos corretores inseridos nocabeçalho e dos dados redundantes transmitidos. Camada de Rede A camada de rede é responsável pelo roteamento de dados entre os sensores. Os protocolos de roteamentoutilizados devem suportar a comunicação multihop, e devem buscar sempre o uso mais eficiente possível daenergia do sensor. A seleção da rota mais eficiente entre um sensor que deseja transmitir uma mensagem e o nó sink pode levarem conta diversos critérios. Tomando a rede da figura abaixo como exemplo, se o sensor A detectou umevento e deseja enviar esta informação até o nó sink, este sensor pode utilizar diversas rotas.

Figura 7: Seleção de rotas numa RSSF

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Na figura acima, PA representa a potência disponível em cada sensor, e an é a energia necessária para atransmissão de um pacote passando por aquela rota. As possíveis rotas entre A e sink são:

Rota 1: A-B-Sink, PAtotal = 3, atotal = 4.Rota 2: A-C-D-Sink, PAtotal = 5, atotal = 6.Rota 3: A-E-F-Sink, PAtotal = 4, atotal = 3.Rota 4: A-G-E-F-Sink, PAtotal = 6, atotal = 6.

A escolha da rota que será utilizada para transmissão neste exemplo pode utilizar um dos seguintes critérios:

Maior energia disponível: escolhe-se a rota cuja energia total disponível, ou seja, a soma da energiadisponível em todos os sensores da rota, seja a maior possível. Seguindo este critério, a rota escolhidano exemplo acima seria a rota 4. Porém, observa-se que esta rota inclui todos os sensores da rota 3 emais um, ou seja, esta não é a rota mais eficiente. Por isso, não deve-se considerar rotas que sejamextensões de outras rotas. Neste caso, eliminando-se a rota 4, a rota 2 será a escolhida.Menor consumo de energia: Segundo este critério, a melhor rota é aquela na qual o consumo deenergia na transmissão de pacotes entre sensores é a menor. Assim, a rota escolhida é a que tem omenor valor na soma da energia consumida em cada trecho até o nó sink. No exemplo acima, a rota 3seria escolhida.Menor número de saltos: A escolha da rota é de acordo com o número de sensores pelo qual opacote tem que passar até chegar ao nó sink. A rota com o menor número de sensores é escolhida.Assim, a rota 1 seria escolhida no exemplo acima.Maior PA mínima: Este critério considera o PA mínimo de cada rota, ou seja, o sensor que temmenos energia em cada uma das rotas. A rota que tiver o maior valor dentre estes é escolhida. Noexemplo acima, o menor PA da rota 1 é 3 (sensor B); o da rota 2 é 1 (sensor D); o da rota 3 é 2(sensores E e F); e o da rota 4 é 2 (sensores E, F e G). Assim, a rota escolhida é a rota 1. Este critériotem como objetivo evitar utilizar na transmissão dos pacotes os sensores com menos energia.

Camada de Aplicação As aplicações de uma rede de sensores sem fio variam para cada caso. Assim, diversas aplicações podem serdefinidas nesta camada, o que motiva os estudos nesta área, visando a aplicação de novos serviços. Entre osprotocolos atualmente definidos para a camada de aplicação, destacam-se: Sensor Management Protocol (SMP) Este protocolo foi desenvolvido para gerenciar as aplicações de uma rede de sensores sem fio, isolando-asdas camadas inferiores. As principais tarefas realizadas por este protocolo são: agrupamento de sensores;gerenciamento de sensores movendo-se, ligando ou desligando; reconfiguração da rede após mudanças noestado dos sensores; realização de tarefas relacionadas à segurança. Task Assignment and Data Advertisement Protocol (TADAP) A função deste protocolo é distribuir os interesses dos usuários entre os sensores. Os usuários podem desejarserem informados da ocorrência de determinados eventos, ou do estado dos sensores a um determinadointervalo de tempo, ou apenas de um conjunto específico de sensores. Este protocolo também informa aousuário a disponibilidade de novos dados em algum sensor da rede. Sensor Query and Data Dissemination Protocol (SQDDP)

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A interface para o usuário realizar consultas nos sensores da rede é fornecida por este protocolo. Asconsultas, em geral, não limitam-se a um sensor específico, mas a um conjunto de sensores em uma regiãoque se deseja monitorar. As consultas também podem referir-se a um evento específico. Uma aplicação queutiliza este protocolo é o SQTL (Sensor Query and Task Language), que define três eventos para aaplicação: receive, utilizado quando um sensor detecta a ocorrência de um determinado evento; every, quedefine eventos periódicos, informando o estado do sensor a intervalos regulares de tempo; e expire, quecorresponde a eventos que ocorrem após a expiração de um timer.

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Rede de Sensores Sem Fio: Protocolos

Numa rede de sensores, o protocolo é o responsável por gerenciar a comunicação em geral, tanto entre osnós sensores, como entre a rede e o mundo exterior (através do nó de sorvedouro). E a eficiência desseprotocolo de comunicação varia de acordo com a topologia da rede e sua aplicação. O protocolo éfundamental, pois um simples acréscimo de nós na rede pode prejudicar todo o sistema, precisando que oprotocolo gerencie inteligentemente a comunicação, para evitar e corrigir congestionamento, devendobalancear a carga de informação gerada, de modo a, ainda assim, atender aos requisitos do que se quermedir. Esse gerenciamento pode ocorrer de diversas formas, desde a redução da emissão de relatórios porcada nó à desativação de nós, incluindo a agregação de informações. Podemos classificar os protocolos de acordo com a arquitetura da rede, conforme apresentado a seguir:

Protocolos de roteamento para redes planas, tais como:Directed Diffusion

SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation)

SAR (Sequential Assignment Routing)

Adaptive Local Routing Cooperative Signal Processing: Noncoherent Processing e CoherentProcessing

Protocolos de roteamento para redes hierárquicas, tais como:LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)

CBRP (Cluster Based Routing Protocol)

TEEN (Threshold-sensitive Energy Efficient Network)

APTEEN (Adaptive Periodic Threshold-sensitive Energy Efficient Network)

PEGASIS (Power Efficient Gathering in Sensor Information System)

Temos também a classificação em roteamento de rede cooperativa e multihop. Os protocolos multihop,utilizados em redes ad hoc, não são bons para redes de sensores, embora possam ser utilizados por algunsmotivos, dentre eles: baixas carga de bateria e disponibilidade de memória, o tamanho da tabela deroteamento pode ficar grande, dependendo de o quanto cresce a rede, não suportam disseminaçãocooperativa, não suportando fusão nem agregação de dados. Uma antiga técnica de roteamento usada em redes de sensores é o flooding (inundação), baseada embroadcast. A idéia é que os nós-sensores propagam sua informação para todos seus vizinhos, em broadcast,e esses vizinhos fazem a mesma coisa com a informação até que esta atinja o sorvedouro. A técnicamostra-se imune a mudanças na topologia da rede, mas pode causar um alto overhead. Temos também doisproblemas bastante comuns da utilização do flooding: a implosão e a superposição. Na implosão, ilustrada abaixo, um nó recebe a mesma mensagem, por dois vizinhos diferentes.

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Figura 8: Técnica de roteamento usando Implosão Já na superposição, dois nós, que atuam num mesmo campo de observação, acabam detectando uma mesmasituação e gerando uma mesma mensagem e propagando, ambos, para um vizinho em comum. Temos abaixoa ilustração desse caso.

Figura 9: Técnica de roteamento usando Superposição Além desses problemas, no flooding não há considerações quanto à disponibilidade de energia para um dadonó. Os sensores podem, ao invés de usar broadcast, se comunicar diretamente com o sorvedouro (através deroteamento multihop) ou com um cluster-head, usando mensagem unicast. Para reduzir o overhead, pode-seutilizar agregação de dados. Já o gossiping (algo como “fofoca”) é uma derivação do flooding, em que, ao invés de fazer broadcast damensagem, o nó a transmite para um nó vizinho escolhido aleatoriamente, e assim por diante, até chegar nosorvedouro. Essa técnica evita a implosão, mas é, obviamente, uma técnica em que se leva muito tempo paraque a informação percorra a rede. Veremos agora, com mais detalhes, alguns do mais utilizados protocolos de roteamento para redes desensores sem fio. Directed Diffusion Na difusão direcionada, o nó que deve transmitir nomeia os dados usando atributos, um par deles, quedescrevem a tarefa a ser desempenhada. A estação base (sink), propaga seus interesses, ou seja, quaisatributos quer receber. Os nós vizinhos propagam essa informação, que, ao passar pelos nós, preenchem umcampo de gradiente, ou seja, a distância percorrida, e, ao chegar em um nó que contenha o atributo deinteresse, este o envia através do caminho do gradiente até a estação base, não havendo identificação préviados nós na rede. Temos abaixo o esquema da difusão direta.

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Figura 10: Esquema da Difusão Direcionada SAR O SAR realiza roteamento multihop, utilizando tabelas, pelas quais faz uma seleção de múltiplos caminhos,evitando overhead em caso de falha. Ele cria diversas árvores, sendo que a raiz de cada uma delas é vizinhada estação base. O SAR baseia a escolha do caminho a ser utilizado de acordo com os recursos de energia disponíveis, QoS ea prioridade do pacote a ser enviado, através de uma métrica ponderada entre esses fatores. As árvores, queformam os múltiplos caminhos, evitam os nós problemáticos, podendo (e fatalmente acontece) um nópertencer a várias árvores distintas, podendo enviar suas mensagens por uma entre várias árvoresdisponíveis. SPIN O SPIN é, na verdade, uma família de protocolos adaptativos para redes de sensores. Nos protocolos SPIN,os nós utilizam descritores, chamados de meta-dados, para nomear seus dados. Ao invés de difundirem osdados pela rede, difundem os meta-dados, que são de tamanho menor que os dados em si, atendendo aoproblema de escassez de energia, em comparação ao flooding. Possuem ainda um gerenciamento derecursos, que permite tomar decisões de forma a não gastar uma quantidade de energia que possa levar aodesligamento do nó. Os SPIN funcionam com três tipos de mensagens:

ADV – Advertisement, mensagem que o sensor espalha contendo o meta-dado.REQ – Mensagem que um nó vizinho envia para o sensor que espalhou a mensagem ADV, quando ometa-dado contido nessa ADV o interessa.DATA – A mensagem em si, que o nó, que enviou a ADV, envia para o nó que o retornou amensagem REQ.

Temos os protocolos SPIN-PP e SPIN-EC, otimizados para redes ponto-a-ponto e SPIN-BC e SPIN-RL,para redes broadcast. No SPIN-PP considera-se que a energia é ilimitada, sem, portanto, o gerenciamentodesse recurso, ao contrário do SPIN-EC. Os protocolos assumem que pacotes não são perdidos no caminho.No SPIN-BC, cada nó na rede broadcast só envia um REQ após a espera de um tempo randômico, sendoque aqueles nós que não tiveram seu tempo de espera expirado cancelam o REQ quando escutarem queoutro nó da rede já pediu o REQ. No SPIN-RL, o nó requer o dado novamente se não tiver recebido-o numintervalo de tempo definido. Sempre que um nó enviar um dado, ele espera um tempo definido até atender aoutro pedido referente ao mesmo dado.

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LEACH O Leach é um protocolo eficiente em energia para redes sem mobilidade. O Leach usa uma arquiteturabaseada em clusters, onde os nós que fazem parte de um cluster enviam seus dados apenas para o nó raizdesse cluster, o cluster-head. Nesse cluster-head há a agregação dos dados de cada sensor do cluster,havendo o tratamento de informações redundantes, e o envio desses dados para a estação base. Pararesolver o problema da falta de energia, há uma rotação dos cluster-heads, ou seja, a atribuição no tempo dediferentes nós como cluster-heads de um dado cluster, havendo um gasto de energia mais uniforme entre osnós e evitando também que a perda de um cluster-head leve à inutilização da rede. A comunicação entre osnós e o cluster-head é feita através de TDMA.

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Rede de Sensores Sem Fio: Considerações Finais

A área de redes de sensores sem fio vem atraindo bastante atenção, pelos desafios e pela grande variedadede aplicações possíveis. Assim, as pesquisas e investimentos na área crescem constantemente, permitindo aevolução das tecnologias envolvidas. A busca por sensores cada vez menores e mais leves atrai os estudos para a busca de tecnologias eprotocolos que permitam que os sensores comuniquem-se de maneira cada vez mais eficiente, consumindocada vez menos energia e exigindo uma capacidade de processamento cada vez menor. Tudo isto tendo emvista o barateamento dos sensores, o que tornaria o uso das redes de sensores sem fio cada vez mais comuns. No futuro, certamente as redes de sensores sem fio terão se tornado parte de nossas vidas, com aplicaçõesainda mais variadas do que temos hoje. Referências http://www.businessweek.com/magazine/content/03_34/b3846622.htm http://www.research.rutgers.edu/~mini/sensornetworks.html I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci, Wireless sensor networks: a survey, Broadbandand Wireless Network Laboratory, School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute ofTechnology, Atlanta, EUA. F. L. Lewis, Wireless Sensor Networks, Automation and Robotic Research Institute, University of Texas,Arlington, EUA. L. B. Ruiz, L. H . A. Correia, L. F. M. Vieira, D. F. Macedo, E. F. Nakamura, C. M. S. Figueiredo, M. A. M.Vieira, E. H. Bachelane, D. Camara, A. A. F. Loureiro, J. M. S. Nogueira, D. C. S. Jr., A. O. Fernandes,Arquiteturas para Redes de Sensores Sem Fio, SBRC - 2004.

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Rede de Sensores Sem Fio: Teste seu Entendimento

1. Qual das alternativas abaixo representa uma das funções típicas de nós-sensores?

Determinar o valor de algum parâmetro em um determinado local

Classificar um objeto detectado

Detectar eventos e estimar valores parâmetros em função do evento detectado

Todas as anteriores 2. Qual das alternativas abaixo não representa uma das características que diferencia as RSSF dasredes comuns?

Os nós-sensores são de baixo custo e pequenos no tamanho

Formação de redes e de muito alto escala

O preço de cada nó é reduzido ao mínimo possível

A energia é vista como o fator menos importante em RSSF 3. Qual das alternativas abaixo não representa uma das principais aplicações de RSSF?

Aplicações Domésticas

Aplicações em Telefonia

Aplicações Industriais

Aplicações Ambientais

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