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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO E AUTOMAÇÃOUNIVERSIDADE DO RIO GRANDE DO NORTEFEDERAL

Redes de Sensores sem Fio aplicadas emAmbientes Industriais de Petróleo e Gás

Ivanovitch Medeiros Dantas da Silva

Orientador: Prof. Dr. Jair Cavalcanti Leite

Monografia apresentada ao Curso de Enge-nharia de Computação da UFRN como partedos requisitos para obtenção do título de En-genheiro de Computação.

Natal, RN, dezembro de 2006

Resumo

Uma das grandes áreas de atuação da computação móvel atualmente são as redes desensores sem fio. Tais redes são formadas por uma grande quantidade de nós com ca-pacidade de sensoriamento, controle e atuação, além de possuírem características físicasbastante reduzidas. Potenciais aplicações para redes de sensores estão distribuídos nasmais diversas áreas, variando desde ambientes militares, domésticos, hospitalares até am-bientes industriais. O referido trabalho procura enfatizar a inserção das redes de sensoresem aplicações industriais de petróleo e gás procurando focar seus benefícios quando com-parado com o uso de outras tecnologias.

Palavras-chave: Automação Industrial, Petróleo e Gás, Redes de Sensores.

Abstract

One of the great areas of performance of the mobile computation currently are Wire-less Sensor Network. Such network are formed by a great amount of nodes with sensingcapability, control and actuator, beyond possessing sufficiently reduced physical charac-teristics. Potential applications for wireless sensor network are distributed in the mostdiverse areas, varying since military, domestic, hospital environments until industrial en-vironments. The related work it look for to emphasize the insertion of the wireless sensornetwork in industrial applications of oil and gas being looked for aim its benefits whencomparative with the use of other technologies.

Keywords: Industrial Automation, Oil and Gas, Wireless Sensor Network.

Sumário

Sumário i

Lista de Figuras iii

Lista de Tabelas v

Lista de Símbolos e Abreviaturas vi

1 Introdução 11.1 Visão geral das Redes de Sensores sem Fio . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Histórico das pesquisas em Redes de Sensores sem Fio . . . . . . . . . . 31.3 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.4 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.5 Organização do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Redes de Sensores sem Fio 102.1 Características e fatores determinantes em RSSF . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.1 Tolerância à falhas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.2 Escalabilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.1.3 Custo de produção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.1.4 Ambiente de operação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.1.5 Topologia da rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1.6 Restrições de Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.7 Meio de transmissão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.1.8 Consumo de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.1.9 Técnicas de segurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2 Aplicações em RSSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2.1 Aplicações Militares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2.2 Aplicações de monitoramento ambiental . . . . . . . . . . . . . . 202.2.3 Aplicações médicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2.4 Monitoramento de uma planta nuclear . . . . . . . . . . . . . . . 23

3 Arquiteturas de software e hardware para RSSF 253.1 Sistemas Operacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1.1 TinyOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.1.2 Contiki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

i

3.1.3 MantisOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.1.4 SOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.1.5 Yatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2 Middleware para RSSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.3 Projetos de nós sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3.1 Família Motes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.3.2 Família µAMPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.3.3 Família Wins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.3.4 Família Sensor Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.3.5 Família BEAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4 Aplicações em ambientes industriais de P&G 364.1 Manutenção preventiva de equipamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.1.1 Formação da rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.1.2 Roteamento e reparos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.1.3 Mecanismos de transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.1.4 Modo de Operação sleep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.2 Monitoramento de equipamentos em uma refinaria . . . . . . . . . . . . 454.2.1 Overhead na formação da rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.2.2 Atraso na transferência dos dados . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.2.3 Desempenho do rádio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.2.4 Consumo de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.3 Monitoramento de máquinas em um navio tanque . . . . . . . . . . . . . 504.3.1 Características básicas do problema . . . . . . . . . . . . . . . . 534.3.2 Instalação da Rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.3.3 Desempenho da Rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.4 Monitoramento da estrutura de plataformas offshore . . . . . . . . . . . . 574.4.1 Visão Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.4.2 Características do hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.4.3 Confiabilidade dos dados transmitidos . . . . . . . . . . . . . . . 634.4.4 Compressão dos dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.4.5 Sincronização dos dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.5 Monitoramento de dados sísmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.5.1 Visão Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.5.2 Modelagem da aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.5.3 Arquitetura baseada em agentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5 Conclusões 745.1 Principais contribuições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.1.1 Arquiteturas e protocolos utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . 745.1.2 Contribuições das aplicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755.1.3 Trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Referências bibliográficas 77

Lista de Figuras

1.1 Rastreamento de aviões com sensores acústicos . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Gerações dos sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3 Aplicações em redes de sensores sem fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.4 Redes de Sensores aplicada na indústria de petróleo e gás . . . . . . . . . 8

2.1 Principais componentes de um nó sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2 Exemplo de aplicação militar usando RSSF . . . . . . . . . . . . . . . . 202.3 Nó sensor com designer de sâmara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.4 Monitoramento de aves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.5 Monitoramento de uma planta nuclear com RSSF . . . . . . . . . . . . . 24

3.1 Mica2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2 Mica2Dot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3 MicaZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.4 Spec Motes, nó sensor miniaturizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.5 Sensor Web 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.6 Sensor Web 2 e 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.7 Nó sensor BEAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.1 Medição manual de amostras de vibrações em máquinas . . . . . . . . . 414.2 Componentes da plataforma Intel Motes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.3 Dimensões da plataforma Intel Motes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.4 Gateway utilizado na ligação dos nós sensores com o nó root . . . . . . . 454.5 Mica2 - nó sensor usado para que se possa realizar comparações com o

Intel Motes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.6 Arquitetura para aplicação de monitoramento de máquinas em refinarias . 464.7 Overhead na formação das redes em aplicações de manutenção preditiva

localizada em refinarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.8 Influência do número de saltos no roteamento na retransmissão de pacotes 474.9 Clusters da aplicação que monitora equipamentos em refinarias . . . . . . 484.10 Desempenho do rádio para os diferentes nós sensores . . . . . . . . . . . 484.11 Influência da distância no tempo de transmissão . . . . . . . . . . . . . . 494.12 Bateria utilizada pelos nós sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.13 Relação do consumo de energia com o tempo de vida e de hibernação . . 524.14 Tanker Loch Rannoch - ambiente onde será desenvolvido à aplicação de

monitoramento remoto de máquinas com RSSF . . . . . . . . . . . . . . 534.15 Máquinas monitoradas no Tanker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

iii

4.16 Arquitetura da aplicação do monitoramento em Tankers . . . . . . . . . . 544.17 Esquema de como adquirir energia através do ambiente para nós sensores 554.18 Comparativo entre o tempo e o gasto de energia das principais operações

dos nós sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.19 Número total de amostras dos nós localizados no cluster 3 . . . . . . . . 574.20 Número total de amostras dos nós localizados nos clusters 1 e 2 . . . . . 574.21 Principais plataformas offshore - A) Plataforma Fixa, B) FPSO, C) Navio

Sonda, D) Plataformas Semi-submersíveis, E) Plataformas auto-eleváveis,F) TLP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.22 Amostra de vibração coletado pelo sistema Wisden . . . . . . . . . . . . 654.23 Princípio básico do processo de compressão dos dados . . . . . . . . . . 664.24 Sincronização dos dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.25 Aquisição sísmica terrestre e marinha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.26 Domínio das RSSF em exploração sísmica por reflexão . . . . . . . . . . 704.27 Arquitetura das RSSF em aplicações de exploração sísmica por reflexão . 714.28 Arquitetura baseada em agentes para RSSF . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Lista de Tabelas

1.1 Características básicas dos nós sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.1 Características básicas da família Motes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2 Características básicas do nó RF Motes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3 Características básicas do nó Laser Motes . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.4 Características básicas do nó CCR Motes . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.5 Características básicas do nó WeC Motes . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.6 Características básicas do nó µAMPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.7 Características básicas do nó Wins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.1 Características das redes em ambientes industriais . . . . . . . . . . . . . 374.2 Comparativo entre ZigBee e o Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.3 Consumo de energia dos nós sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.4 Características básicas relacionadas com a aplicação de Monitoramento

de equipamentos em uma refinaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.5 Características básicas relacionadas com a aplicação de Monitoramento

de máquinas em um navio tanque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.6 Características básicas relacionadas com a aplicação de Monitoramento

de plataformas offshore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.7 Características básicas relacionadas com a aplicação de monitoramento

de dados sísmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

v

Lista de Símbolos e Abreviaturas

802.11b: Protocolo padronizado pelo IEEE, alcança uma velocidade de 11 Mbps

Bluetooth: Tecnologia para interconexão de aparelhos e dispositivos móveis

CCR - Corner Cube Retroreflectors: Dispositivo que reflete raios de luz

DARPA: Defense Advanced Research Projects Agency

DSN: Distributed Sensor Networks

FFT: Fast Fourrier Transform - procedimento usado no processamento de sinais

FPSO: Floating, Production, Storage and Offloading

IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc.

ISM: Faixa de freqüência para aplicações industriais, científicas e médicas

MEMS: Sistemas micro-eletrônicos

NIST: National Institute for Standards and Technology

Offshore: termo usado para designar as aplicações localizadas em ambientes marítimos

Onshore: termo muito utilizado na área de petróleo e gás natural referente às aplicaçõeslocalizadas no continente

OOK - On-Off-keying: Técnica de modulação binária

QoS: Quality of Service

RSSF: Redes de Sensores Sem Fio

SHM: Structural Health Monitoring

SOSUS: Sistema de detecção de sons usado na Gerra Fria

SPLICE: Linguagem de processamento de sinais

Tanker: Navio destinado ao transporte aquaviário de granéis de líqüidos, tais como pe-tróleo e seus derivados

WSN: Wireless Sensor Network

Zigbee: Protocolo adotado pela RSSF

vi

Capítulo 1

Introdução

Neste capítulo, são introduzidas características básicas sobre redes de sensores semfio bem como as pesquisas científicas encontradas em tal tecnologia. Tais informaçõesservem de base para o entendimento deste trabalho. Os objetivos e a motivação peloqual levaram a construção do trabalho relacionando as redes de sensores sem fio comambientes industriais de petróleo e gás natural juntamente com sua organização estruturalsão os outros temas abordados no capítulo.

1.1 Visão geral das Redes de Sensores sem Fio

Redes de sensores sem fio (RSSF) são uma tecnologia emergente com amplas apli-cações de conectividade com o meio físico. Esta relação torna possível a extração deinformações vinculadas a um determinado ambiente de forma mais simples do que astécnicas de monitoramento e instrumentação tradicionais (exemplificado em Mainwaringet al. (2002)). Em contrapartida, uma série de novos desafios ainda deve ser superada poresta tecnologia principalmente no que se refere à segurança da informação.

As WSN (Wireless Sensor Network) possuem características bastante peculiares emrelação à estrutura física. É formada por uma grande quantidade de dispositivos que pos-suem a capacidade de sensoriamento, processamento, atuação, comunicação, além de pos-suírem custos e tamanho reduzidos. Tais dispositivos são chamados de nós sensores.Os nós da rede atuam de forma cooperativa disseminando uma determinada informaçãoentre os outros nós até que os dados coletados atinjam um ponto de saída e possam serprocessados pela aplicação cliente. A instalação física dos nós poderá ser feita de formaaleatória (como em Bu & Naghdy (2005)) na área onde determinada aplicação será insta-lada.

A limitação física dos nós sensores é um ponto de grande importância no contexto dasRSSF 1 . Memória, bateria, dispositivos de transmissão e processamento são os principaiscomponentes dos nós e são adaptados a tais limitações. Geralmente os nós sensores sãoespalhados por áreas de grandes dimensões e que possuem difícil acesso físico, ideal-mente devem operar sem intervenção humana por um longo intervalo de tempo. Para isto,o consumo de energia deve ser o mínimo possível, caso contrario o nó poderá esgotar sua

1RSSF - Redes de Sensores sem Fio

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 2

capacidade de funcionamento e será desligado da rede. A substituição dos nós diminuisensivelmente os benefícios trazidos pelas RSSF, e na maioria das aplicações este fatordever ser evitado. Portanto, o consumo da bateria do nó sensor deve ser o mais otimi-zado possível, evitando que a rede perca desempenho em caso de vários desligamentosem cascata de nós.

O fato das RSSF (Redes de Sensores sem Fio) possuírem uma grande densidade denós faz com que vários elementos realizem o sensoriamento de uma mesma variável deambiente, provocando redundâncias de informações na rede. Esta característica propor-ciona um nível de informação mais preciso para a aplicação. Entretanto é importanteobservar que o processo de transmissão nos nós sensores é a atividade que mais consomeenergia. Desta forma soluções para otimização do roteamento de dados deve ser imple-mentado para minimizar os gastos com o consumo de energia. Várias pesquisas nesta áreaatualmente estão sendo feitas, algumas direcionam-se a diminuir o tamanho das mensa-gens e o número de transmissões, outras buscam na maior densidade de nós um melhorajuste para o roteamento baseado na minimização do uso da bateria. A primeira vertentede pesquisa busca diminuir a energia gasta na transmissão baseada no ajuste do proces-samento interno dos nós sensores enquanto que a segunda onda de pesquisa adotada fazcom que os sensores se auto-desliguem em caso de ociosidade.

Vários protocolos de roteamento de dados são propostos para as RSSF, alguns destespodem ser melhor analisados por [Al-Karaki & Kamal 2004, Ye et al. 2002, Xu et al.2000, Xu et al. 2001]. Tais protocolos são baseados na técnica de multihops, onde umainformação é disseminada desde o nó sensor que a originou até um ponto de saída da rede.

Um outro fator importante nas RSSF é a topologia da rede. Sua estrutura topológicadinâmica necessita de mecanismos com um elevado grau de auto-configuração. Nós sen-sores podem ser retirados, desligados, inseridos na rede de forma totalmente aleatória,necessitando de mecanismos capazes de configurar esse novo ambiente sem a presençado usuário. Um exemplo desta técnica pode ser visto em Bu & Naghdy (2005). Todasas pesquisas citadas acima devem adaptar-se a este dinamismo evitando a configuraçãoestática no planejamento da rede.

Um último fator a ser levado em conta nesta pequena introdução sobre RSSF são suasaplicações. Uma variedade de nichos pode ser explorada, como aplicações de monito-ramento de objetos, prevenção de incêndios , detecção de movimento, sistemas de segu-rança, automação predial , aplicações domésticas , monitoramento ambiental, médicas, in-dustriais, exploração de petróleo, robótica, metereológicas, manutenção preventiva de má-quinas e várias outras aplicações. Vários trabalhos são encontrados sobre aplicações emRSSF, como podem ser vistos em [Ramanathan et al. 2006, Nachman et al. 2005, Krishna-murthy et al. 2005, Delicato et al. 2004, Howard et al. 2002, Liu et al. 2002, Mainwaringet al. 2002, Akyildiz et al. 2002, Cerpa et al. 2001, Estrin et al. 1999]. Percebe-se umsenso comum nessas aplicações; domínio distribuído, cooperação entre nós para que aobtenção de uma determinada informação, qualidade de serviço (QoS) (precisão dos da-dos, latência, jitter, transferência de dados) entre outros. A questão do QoS é fortementeligada ao tipo de aplicação utilizada, como por exemplo, um monitoramento em temporeal usando RSSF de um duto de gás em uma refinaria de petróleo necessita aspectos deQoS bem mais robustos do que uma aplicação que monitora as migrações de pássaros.


1.2 Histórico das pesquisas em Redes de Sensores semFio

O desenvolvimento das redes de sensores envolve tecnologias de três áreas de pesqui-sas distintas: sensoriamento, comunicação e computação (incluindo hardware, softwaree algoritmos). Portanto, os avanços combinados ou separados destas áreas influenciamdiretamente nas pesquisas em RSSF (Redes de Sensores sem Fio).

Como na maioria das tecnologias de monitoramento remoto, pesquisas direcionadascom aplicações de defesa militar foram inicialmente exploradas nas Redes de Senso-res sem Fio. Durante a Guerra Fria, sistemas de detecção de sons (SOSUS) já utiliza-vam os conceitos destas redes. Uma vasta quantidade de sensores acústicos (hidrofones)eram inseridos no fundo do oceano, localizados estrategicamente visando detectar sub-marinos soviéticos. Atualmente o SOSUS é usado pela National Oceanographic andAtmospheric Administration (NOAA) no monitoramento de eventos no oceano, taiscomo atividades sísmicas e de animais. Ainda durante a Gerra Fria, redes usando sen-sores foram utilizadas nos sistemas de defesa aeroespaciais desenvolvidos para proteçãodos USA e Canadá.

Pesquisas modernas sobre RSSF têm inicio por volta de 1980 quando o DARPA (De-fense Advanced Research Projects Agency) introduziu o projeto DSN (Distributed SensorNetworks). Neste período, a Arpanet (precede a internet) já estava em operação em uni-versidades e institutos de pesquisa. R. Kahn, o co-inventor do protocolo TCP/IP e quetambém contribuiu para o desenvolvimento da Internet, nesta época era diretor de um dosvários escritórios do DARPA. Vislumbrou que a comunicação do Arpanet poderia ser es-tendida para o conceito das redes de sensores. A rede foi imaginada de forma distribuídae esparsa, onde seus elementos teriam baixo custo e realizariam o roteamento de dadospara transmitir informações de uma melhor maneira possível. É importante lembrar quenesse tempo ainda não existia nem computadores pessoais nem estações de trabalho, todoprocessamento era feito em minicomputadores como o PDP-11 e em máquinas VAX ondeera usados o Unix e o VMS, os modens atingiam taxas de operação que variavam de 300a 9600 Bd.

A tecnologia para os componentes da DSN foram identificadas e inicialmente dis-cutidas pelos pesquisadores no Distributed Sensor Nets workshop no ano de 1978.Estes eram formados por sensores(acústicos), elementos de comunicação, técnicas de pro-cessamento e algoritmos (incluindo de auto localização dos sensores) e softwares distri-buídos. Como a maioria dos componentes ainda não estava disponível, o programa DSNteve que dirigir-se a computação distribuída, onde problemas de detecção acústica distri-buída foram demonstradas.

Pesquisadores do Carnegie Mellon University (CMU), focaram seus esforços de pes-quisa em fornecer uma operacionalidade da DSN de uma forma mais flexível, com acessotransparente para recursos distribuídos que necessitavam de tolerância a falhas. Váriostestes foram feitos com processamento de sinais juntamente com sensores acústicos, uti-lizando para isso computadores VAX conectados na Ethernet. Pesquisadores do Mas-sachusetts Institute of Technology (MIT) e de Cambridge, concentraram suas forças noprocessamento de sinais. Foi desenvolvido uma linguagem de processamento de sinais


e de Ambiente computacional interativo (SPLICE) para analise das informações obtidaspela DSN. Para demonstrar suas pesquisas, o MIT Lincoln Laboratory desenvolveu umaaplicação de rastreamento de aeronaves em baixas altitudes através de sinais acústicosque eram lidos por sensores, uma ilustração da aplicação pode ser vista na figura 1.1.

Figura 1.1: Rastreamento de aviões com sensores acústicos

Os pesquisadores tinham em mente uma rede de sensores formada por uma grandequantidade de pequenos sensores, o único problema é que a tecnologia para criação dessespequenos sensores não existia na época. Entretanto, projetistas de sistemas militares logoreconheceram os benefícios desta nova tecnologia em ambientes militares. Sensores eas armas podem atuar independentemente num ambiente de guerra informando a melhorposição das tropas e dos atiradores com tempos de resposta bastante rápidos.

O avanço tecnológico na computação e na área de comunicação esta tornando pos-sível o desenvolvimento original das redes de sensores sem fio. Pequeníssimos sensoresbaseados em sistemas micro-eletromecânicos (MEMS ), redes sem fio e processadoresembarcados de baixa potência estão tornando aplicações em redes de sensores sem fiomais precisas e realísticas. O DARPA tem iniciado programas de pesquisa em redes desensores abrangendo essas novas tecnologias. Concluído recentemente, o programa Sen-sIT (Sensor Information Technology) propõe duas novas linhas de pesquisas na RSSF.A primeira desenvolveu novos paradigmas em redes, como por exemplo, o conceito deredes ad hoc. Esse novo conceito propõe redes com infra-estruturas bastante dinâmicas,ideais para ambientes militares e industriais. Ao contrário das redes usadas para transmis-são de voz e dados, que necessitam de uma estrutura fixa. A segunda onda de pesquisarelaciona-se com o processamento da informação. Por exemplo, como extrair informa-ções dos sensores de forma otimizável e confiável num tempo aceitável são os desafiosdessa nova área de pesquisa. SensIT cria novas habilidades para as novas tecnologias desensores. Os atuais sistemas de segurança tática (TASS) usados pelo exército americanoé um exemplo de uso dessas novas habilidades. Tais sistemas adaptam-se facilmente aosconceitos introduzidos pelo SensIT, normalmente utilizam tecnologias baseadas apenasna transmissão dos nós com detecção de longo alcance. As redes baseadas em SensIT


tem novas capacidades, normalmente são redes interativas e compatíveis com tarefas earmazenamento dinâmicos. Os softwares e algoritmos usados nas SensIT exploram aproximidade dos dispositivos para tratar de forma mais precisa questões de transmissão edetecção de dados, os softwares também devem suportar baixa latência, operar de formaeficiente evitando gasto desnecessário de energia ao nó além de possuir um certo grau deauto-configuração em suas operações.

As atuais redes de sensores exploram tecnologias que não existiam há duas décadasatrás além de executarem funções que jamais foram imaginadas no passado. Sensores,processadores e dispositivos de comunicação estão cada vez menores e mais baratos. Aindústria vem acompanhando de perto tal evolução, empresas como Ember, Crossbow,Sensoria e a Intel atualmente desenvolvem pequenos nós sensores e seus sistemas, mos-trando o quão é competitivo o mercado de fabricação de tais dispositivos.

Tendo uma visão um pouco mais futurística, podemos vislumbrar que os avanços natecnologia MEMS farão com que os sensores sejam cada vez mais robustos e versáteis.Como exemplo, podemos citar a companhia Dust Inc., Berkeley, CA, entrou no projetoSmart Dust por volta dos anos 90 e atualmente fabrica sensores MEMS que tem a capa-cidade de detecção e comunicação além de possuírem tamanho físico bastante ínfimo. Atabela 1.1 e a figura 1.2[Chong & Kumar 2003] ilustram as gerações dos sensores bemcomo suas características básicas.

1980-1990 2000-2006 2010Empresas comerciais:

Fabricantes TRSS Croossbow, Sensoria Dust, Inc.Ember

Tamaho Caixa de Sapato Palito de fósforo ÍnfimoPeso kilogramas gramas insignificante

Arquitetura Sensoriamento Integração computaçãoprocessamento dos componentes quântica

e comunicação separadosDuração da bateria Baterias grandes Baterias AA Energia Solar

horas e dias meses, anos anos

Tabela 1.1: Características básicas dos nós sensores

Figura 1.2: Gerações dos sensores


1.3 Motivação

As pesquisas em redes de sensores sem fio foram motivadas inicialmente para aplica-ções militares, como por exemplo, na detecção de submarinos através de sensores acús-ticos. O avanço tecnológico propiciou a fabricação de sensores a baixo custo além dosavanços nas técnicas de transmissão de dados que tornaram as redes de sensores sem fiouma potencial ferramenta para várias aplicações, como por exemplo, em aplicações deambientes industriais. As várias áreas de atuação das aplicações que utilizam RSSF (Re-des de Sensores sem Fio) são ilustradas na figura 1.3 [Cook et al. 2004], também pode-seperceber o alto grau de conectividade e dinamismo de tal tecnologia.

Figura 1.3: Aplicações em redes de sensores sem fio

O dinamismo da tecnologia é um fator bastante atraente para sua utilização. Sensorespodem ser espalhados por uma vasta área onde determinado fenômeno será monitoradopor uma aplicação. As RSSF utilizam técnicas complexas para distinguir qual fenômenoserá sensoriado por quais sensores a fim de eliminar distorções e ruídos dos dados disse-minados pela rede.

O setor industrial há muito tempo tem demonstrado interesse pela redução de custos,melhoria no desempenho e por técnicas mais avançadas de manutenção em seus planteisde máquinas. O monitoramento da saúde (status) de uma máquina geralmente é deter-minado por técnicas que envolvem tecnologias bastante complexas, como por exemplo,análise por vibração ou por lubrificantes. O ambiente industrial apresenta muitas vezesriscos físicos aos seus trabalhadores, existindo áreas onde o índice de acidentes são bas-tante altos. Os dois fatos citados anteriormente são exemplos de potenciais áreas onde asredes de sensores sem fio podem ser aplicadas em ambientes industriais.

Há vários anos o Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc.(IEEE) e o National Institute for Standards and Technology (NIST ) lançaramo adendo 1451 que padroniza as interfaces de pequenos transdutores, tornando a constru-


ção de aplicações de sensores em redes industriais totalmente padronizadas. Atualmentevárias fábricas utilizam em suas linhas de produção automatizadas redes de detecção re-motas, implementadas com um sofisticado mecanismo de controle de qualidade e de testesque utilizam os mais variados tipos de sensores.

O sensoriamento espectral é um exemplo clássico de uso de sensores em ambientesindustriais. Dispositivos ópticos como optrodes e analisadores de pH são usados emanálises espectrais juntamente com pequenos espectrômetros. Sensores ópticos de baixocusto são uma nova solução para substituir tais equipamentos, sendo facilmente acopladosem nós das RSSF. Generalizando, o sensoriamento industrial tem como finalidade detec-tar através de multipontos centenas e milhares de dados que são lidos por sensores quealimentarão a base de dados de uma determinada aplicação, para isto, todas as operaçõesdevem ser realizadas em tempo real, requisito primordial em aplicações industriais.

Vários fatores são encontrados na literatura que motivam o uso de redes de sensoressem fio em aplicações, um último fator que citaremos é o fato de todas elas serem dis-tribuídas. Geralmente tais aplicações são difíceis de implementar, tornando seus projetosbastante criteriosos. Um fator importante é que os projetistas de aplicações industriaisdesconhecem os protocolos das redes de sensores. Portanto um mecanismo que crie umaabstração entre os protocolos e os desenvolvedores deve ser adotada. Um exemplo de talmecanismo é o conceito de middleware, muito usado em aplicações distribuídas. Traba-lhos mais aprofundados sobre middleware em RSSF podem ser encontrados em Delicatoet al. (2004).

As RSSF são desenvolvidas com uma elevada dependência entre as aplicações e osprotocolos de comunicação, gerando sistemas bastante rígidos. Normalmente tais méto-dos são adotados com a finalidade de economizar energia, dado as limitações físicas dosnós sensores. Num futuro próximo as redes de sensores sem fio devem atender mecanis-mos bem mais flexíveis em seus projetos, podendo adotar várias aplicações numa mesmarede física.

A capacidade de monitoramento remoto, flexibilidade de configuração e manutenção,robustez, vinculados com as características relacionadas anteriormente fazem da RSSFuma potencial ferramenta para as aplicações da indústria de petróleo e gás natural. Aausência de cabeamento físico presente nas redes de sensores torna esta tecnologia umagrande candidata para inserção em refinarias e plataformas de petróleo, onde os espaçosfísicos das aplicações devem ser otimizados usandos as técnicas mais flexíveis.

A indústria de petróleo e gás natural investe bilhões de dólares em novas tecnologias acada ano, principalmente nas áreas voltadas para o setor de exploração e produção de óleoe gás. Setor em que as RSSF apresentam maior potencial de aplicações. Pesquisa feitapor Hatler & Chi (2005) com grande parte das maiores companhias de petróleo e gás na-tural do mundo (British Petroleum, Buckeye LLP, Chesapeake Energy, ChevronTexaco,El Paso Corporation, Encana, ExxonMobil, Forest Oil, Great Lakes Gas Transmission,Gulfstream, Iroquois Gas Transmission, Kinder Morgan, Lyondell-Citgo, Noble Energy,Northern Border Partners, Royal Dutch Shell, Occidental Petroleum, Marathon AshlandPetroleum, Stone Energy Corporation, TEPPCO, Vaquero Energy Ltd, XTO Energy) re-velou que todas as companhias pesquisadas adotam tecnologia wireless acopladas emseus sistemas supervisórios e planejam a curto prazo investimento em tecnologia de mo-


nitoramento remoto para suas plantas industriais. Comprovando o grande potencial deaplicabilidade das RSSF neste setor.

1.4 Objetivos

O referido trabalho busca na tecnologia em redes de sensores sem fio adotar melhoriaspara as dezenas de aplicações que envolvem ambientes industriais, procurando enfatizaraqueles relacionados com o setor de petróleo e gás natural. A figura 1.4 ilustra algumasdas potenciais aplicações para as RSSF neste setor. Monitoramento de máquinas no quese refere à manutenção preventiva através de análises vibratórias, monitoramento de dutosrelacionados com vazamentos e detecção de corrosão, monitoramento da estrutura físicasde plataformas e a comunicação entre geofones são algumas dessas aplicações.

Algumas aplicações serão descritas de forma a poderem ser totalmente caracteriza-das(topologia, hardware, técnicas de segurança e softwares utilizados) com o uso dasRSSF. Para um melhor entendimento de certas aplicações, protocolos de roteamento dedados e otimização do gasto de energia dos nós sensores serão descritos com mais deta-lhes. Visando também transmitir a diversidade de aplicações em que as RSSF podem serinseridas, algumas aplicações que não se relacionam com o setor de petróleo e gás serãocitadas, porém com menor ênfase de detalhes do que as primeiras.

Figura 1.4: Redes de Sensores aplicada na indústria de petróleo e gás

1.5 Organização do trabalho

Este trabalho está organizado em 5 capítulos. O capítulo 2 descreve as principaiscaracterísticas das redes de sensores bem como suas aplicações nas mais diversas áreas.


No capítulo 3 encontramos uma listagem dos principais projetos relacionados com osdesenvolvimentos dos nós sensores e com as arquiteturas de software utilizadas nas RSSF.O capítulo 4 trata do tema principal deste trabalho, que são as aplicações das RSSF emambientes industriais voltados para o setor de petróleo e gás natural. Vários exemplossão minuciosamente demonstrados, mostrando a eficiência das RSSF em tais aplicações.Por fim, o capítulo 5 descreve as conclusões deste trabalho, bem como possíveis projetosfuturos.

Capítulo 2

Redes de Sensores sem Fio

Neste capítulo será abordado de forma genérica aplicações em redes de sensores semfio. As características básicas que devem ser levadas em consideração em suas modela-gens também serão descritas. As aplicações relacionadas com o setor de P&G (Petróleoe Gás) serão descritas no capítulo 4.

2.1 Características e fatores determinantes em RSSF

As Redes de sensores são uma tecnologia bastante abrangente e dinâmica. Suas áreasde atuação estão voltadas para as mais diversas aplicações e seus desenvolvimentos téc-nicos apresentam avanços consideráveis tanto na parte de hardware como de software.A flexibilidade de instalação e configuração dessas redes fazem com que sua utilizaçãoapresente resultados bastante significativos quando comparados com outras tecnologias.Este elevado nível de flexibilidade necessita de mecanismos com grande capacidade deadaptação.

Uma proposta de arquitetura capaz de sustentar estas características foi desenvolvidapor Bu & Naghdy (2005), onde o conceito de cluster foi implementado. Os clusters sãoideais para organizar grandes quantidades de elementos que estão localizados em umaárea extensa, proporcionando uma excelente flexibilidade de instalação. Nesta arquite-tura, as dezenas ou centenas de nós que compõe a rede de sensores são categorizados em3 tipos básicos:

� Nós escravos� Nós mestres� Nós sink

Os nós escravos são aqueles localizados dentro de um cluster genérico. Geralmenterealizam operações de sensoriamento e transmissão de dados, em determinados momentosapenas transmitem e em outros detectam informações. Após coletarem algum dado estesnós procuram transmitir a informação coletada para o seu respectivo nó mestre, localizadodentro de seu cluster. Técnicas mais aprofundadas sobre este tipo de roteamento pode sermelhor visualizado por Xu et al. (2000).

Os nós mestres controlam e monitoram todos os nós escravos de seus clusters além deguardarem em memória a identificação de todos nós escravos. Uma das principais fun-cionalidades do nó mestre está relacionada com a capacidade de realizar fusão de dados.

CAPÍTULO 2. REDES DE SENSORES SEM FIO 11

Um nó mestre pode controlar dezenas de nós escravos, estes nós podem enviar quanti-dades significativas de informação que facilmente provocam a queda no desempenho darede. Desta forma é bastante importante que a fusão de dados seja realizada para que odesempenho da rede possa ser otimizado. Técnicas mais aprofundadas, que levam emconsideração o deslocamento dos nós escravos para obtenção da melhor fusão dos dados,podem ser encontradas em Schoellhammer et al. (2006).

O último nó sensor que discutiremos será o sink. Esses nós são elementos de grandeimportância em redes de sensores sem fio. Fazem a interconexão da rede externa com aRSSF (Rede de Sensores sem Fio). As aplicações clientes estão localizadas nesta redeexterna. O nó sink é encarregado de pegar solicitações de serviços provenientes da apli-cação e realizar chamadas as redes de sensores para que o serviço possa ser executado.Em seguida a resposta do serviço pode ser entregue a aplicação solicitante. A importânciado nó sink é tamanha que se por acaso ele parar, toda rede estará incomunicável com umadeterminada aplicação e conseqüentemente provocará a deterioração da mesma. Técni-cas para prevenção de segurança devem ser adotadas nos nós sink para evitar este tipo desituação.

Após a caracterização dos tipos básicos de nós sensores, trataremos nos próximosparágrafos dos principais temas que devem ser levados em consideração na modelagemdas RSSF.

� Tolerância a falhas� Escalabilidade� Custo de produção� Ambiente de Operação� Topologia da rede� Restrições de hardware� Meios de transmissão� Consumo de energia� Técnicas de segurança

2.1.1 Tolerância à falhas

A tolerância à falhas nas RSSF está vinculada com a capacidade de funcionamento dosnós sensores. Alguns nós sensores podem falhar, serem bloqueados devido o baixo nívelda bateria, podem ser danificados fisicamente e ainda sofrerem interferência do ambienteem que estejam interagindo.

A falha nos nós sensores não deve atrapalhar a execução de uma tarefa na rede.Este requisito é necessário para que a rede de sensores seja considerada tolerante a fa-lhas. Perceba que os algoritmos de roteamento adotados devem levar em consideraçãorestrições quanto aos níveis de tolerância a falhas das redes de sensores. Se a regiãoonde os nós sensores estão localizados sofre pouca interferência externa, as restriçõespodem ser relaxadas. Estas restrições também estão relacionadas com o domínio deaplicação[Srisathapornphat et al. 2000]. Nós sensores espalhados no interior de uma casa,com a finalidade de captar temperatura e umidade necessitam de restrições relacionadas


com tolerância a falhas bem mais brandas do que nós sensores espalhados ao redor dedutos em um campo de petróleo.

2.1.2 Escalabilidade

O número de nós sensores no processo que realiza o sensoriamento de um determi-nado fenômeno pode estar na ordem de dezenas a centenas, dependendo em que contextoa aplicação esteja inserida. Para o caso do monitoramento de dados sísmicos na prospec-ção de hidrocarbonetos, a ordem de grandeza para a quantidade dos nós sensores poderáchegar às centenas.

Os esquemas adotados devem ser flexíveis o suficiente para serem capazes de suportargrandes e pequenas escalabilidades de nós sensores. Esta flexibilidade da escalabilidadeestá vinculada diretamente com a tolerância a falhas. A grande quantidade de nós defei-tuosos de uma aplicação poderá provocar a mudança das características de escalabilidadede uma região das RSSF (Redes de Sensores sem Fio). Está mudança deverá ser automa-ticamente reconfigurada pela rede.

Uma outra característica levada em consideração na escalabilidade das RSSF está vin-culada a redundância de informação disseminada pela rede. Algumas aplicações exigemmecanismos de segurança onde o tráfego de informações redundantes é necessário paraque a precisão da informação coletada seja melhorada. Esta redundância é conseguidaatravés do aumento na quantidade de nós sensores.

2.1.3 Custo de produção

Devido o elevado grau de escalabilidade das redes de sensores, o custo por nó sensoré um item bastante importante na modelagem de uma aplicação. Este investimento, paraque o mesmo seja viável economicamente, deve ser inferior ao valor de um sensor tra-dicional (deve-se levar em consideração também o custo na aquisição de dados para estesensor).

O Zigbee, protocolo que é implementado pelas RSSF, definido pelo adendo 802.15.4relaciona-se com dispositivos que apresentam capacidade física bastante reduzida e comoconseqüência preços também reduzidos. Atualmente os dispositivos que implementameste adendo cobram por licenças relacionadas com a utilização do protocolo. Idealmentenós sensores são vislumbrados num futuro próximo para quantias inferiores a $1, entre-tanto é preciso observar que este valor está relacionado com um nó sensor básico. Meca-nismos adicionais nos nós sensores podem encarecer demasiadamente o custo final do nósensor, sendo está característica de suma importância na modelagem de uma aplicação.

2.1.4 Ambiente de operação

RSSF são projetadas para atuar em áreas extensas e geralmente de difícil acesso, ondevários fenômenos físicos podem ser observados. Exemplos dessas áreas podem ser:

� Interior de máquinas� Dentro de um furacão


� Superfície oceânica� Áreas com contaminação biológica ou química� Campos de batalha� Casas ou prédios� Lojas� Animais� Veículos

Esta pequena lista dá uma idéia de quais circunstâncias os nós sensores devem suportarnesses ambientes. Alta pressão, frio, calor intenso, ruídos, vibrações e uma dezena deoutras peculiaridades são exemplos de intempéries que as RSSF (Redes de Sensores semFio) devem suportar.

2.1.5 Topologia da rede

Antes de começarmos a descrever as topologias nas RSSF precisamos enumerar al-gumas características importantes. Primeiro deve-se perceber que a instalação dos nóssensores na sua grande maioria está localizada em áreas inacessíveis que impedem visitasde técnicos para possíveis manutenções. O segundo ponto a ser levado em consideraçãorefere-se a ocorrência de falhas, que neste caso pode apresentar taxas significativas. Amodelagem da topologia nas RSSF deve atender esses requisitos.

Apartir dos requisitos relacionados anteriormente podemos dividir a topologia emRSSF em 3 fases distintas:

� Pré-desenvolvimento e desenvolvimento� Pós-desenvolvimento� Inserção de novos nós

Na fase de pré-desenvolvimento e desenvolvimento ocorre a instalação e acomodaçãodos nós sensores na rede. Essas tarefas podem ser feitas de várias formas: jogadas por umavião, espalhadas por um míssil, manualmente por humanos ou robôs, etc. Os esquemasde instalação devem atender há alguns requisitos básicos, como por exemplo: reduçãodo custo na instalação, eliminação da necessidade de um pré-planejamento, aumento naflexibilidade da rede e provimento de um mecanismo para uma auto-organização.

A fase de pós-desenvolvimento ocorre após a topologia inicial ser instalada. Mudan-ças na topologia podem ocorrer devido a uma série de fatores que são listados abaixo:

� Posição� Alcance (ruído, obstáculos, etc)� Energia disponível� Mal funcionamento� Requisitos das tarefas

Alguns nós sensores podem ser instalados em posições fixas, outros ainda tem capaci-dade de locomoção, todavia esta fase deve ser capaz de se adequar a tais funcionalidades.Por último, devido à destruição ou desligamento dos nós da rede, a inserção de novos


nós sensores pode ser necessário para que a rede mantenha um nível aceitável de fun-cionamento. O mecanismo dinâmico de inserção deve adaptar-se aos requisitos citadosanteriormente.

2.1.6 Restrições de Hardware

Nesta seção será dada uma visão geral das características básicas de um nó sensor.Podemos perceber de acordo com a figura 2.1 os principais componentes de um nó sensor.

� Unidade de sensoriamento� Unidade de processamento� Unidade de transmissão� Unidade de energia

Dependendo da aplicação componentes adicionais como um sistema de localização euma unidade de movimentação podem ser adicionados aos nós sensores.

Figura 2.1: Principais componentes de um nó sensor

A unidade de sensoriamento é formada por duas subunidades: transdutores/sensorese conversores analógico digitais. Sinais analógicos são gerados pelos sensores a partirde um determinado fenômeno ocorrido no ambiente e são convertidos para sinais digi-tais pelo conversor AD (Analógico Digital). Estes sinais são utilizados como entrada naunidade de processamento.

A unidade de processamento geralmente é associada como uma unidade de pequenacapacidade de processamento e armazenamento. Como exemplo, o hardware do smartdust mote possui um microcontrolador Atmel AVR855 com freqüência de 4 MHz, 8KB de instruções em memória flash, 512 bytes de RAM e 512 bytes de EEPROM. Estaunidade tem a responsabilidade de controlar os procedimentos necessários para que os nóssensores possam realizar o processamento das tarefas para o qual lhe foram atribuídas.


A unidade de transmissão e recepção conecta os nós na rede. Esta unidade é uma dasmais importantes para a execução das funcionalidades do nó sensor, realiza a comunica-ção deste com o ambiente externo através de um dispositivo de rádio freqüência (RF).Comunicação por RF apresenta vários requisitos: modulação, banda passante, filtragem,circuitos de multiplexação e demodulação. Para as RSSF (Redes de Sensores sem Fio)a banda passante licenciada que está relacionada com o adendo 802.15.4 possui as se-guintes variações: 868 MHz, 902-928 MHz, 2.4 GHz. Um outro fator a ser levado emconsideração em uma transmissão por RF diz respeito as perdas de sinal. Estas perdaspodem atingir elevados níveis que variam conforme a distância entre os nós sensores. Ascaracterísticas principais da comunicação por RF nas RSSF são: pequeno tamanho dospacotes de dados, baixas taxas de transmissão e pequeno alcance (100m a 400m).

A unidade de energia é responsável por alimentar todos os componentes do nó. Umdos principais requisitos nas RSSF é o gasto de energia, técnicas eficientes para o consumode energia são atualmente umas das grandes áreas de pesquisa em RSSF.

Algumas técnicas desenvolvidas para o roteamento de dados em RSSF necessitamcom relativa precisão a posição dos nós sensores para seu correto funcionamento. Destaforma, um sistema de localização pode ser acoplado no nó para atender este requisito. Aadoção de técnicas de GPS não é adequada as RSSF devido suas limitações físicas quantoao gasto de energia, todavia pesquisas[Li & Halpern 2001] mostram que a adoção demódulos GPS em apenas alguns nós sensores podem trazer grandes benefícios sem afetaro consumo de energia da rede. Um outro sistema que também pode ser adicionado ao nósensor é uma unidade móvel. Esta unidade pode ser utilizada caso o nó sensor necessitede deslocamento para realização de uma determinada tarefa.

2.1.7 Meio de transmissão

Os nós das redes de sensores realizam comunicação entre si através de 3 tipos de links:rádio, infravermelho e meios ópticos. Uma solução para os links de rádio é a utilização debandas não licenciadas (ISM), usadas largamente na indústria, ciência e medicina. Devidoa limitação física dos nós sensores restrições impedem o uso de bandas com freqüênciaselevadas.

Uma das grandes vantagens das bandas ISM relaciona-se com a não obrigatoriedadede seu licenciamento, fazendo com que sua utilização seja bastante difundida. Entretantoa grande quantidade de pessoas usando esta banda pode provoca distorções nas aplica-ções. Atualmente a maior parte das redes de sensores implementadas utilizam faixas defreqüência que se aproximam dos transmissores Bluetooth ou de outros tipos (2.4Ghz).

Um outro meio de comunicação entre os nós sensores é o infravermelho. É um meiode comunicação também não licenciado, apresenta robustez com relação às interferênciasde dispositivos elétricos e geralmente seus transceivers são baratos e fáceis de construir.Muitos laptops, PDA e telefones celulares possuem dispositivos embarcados com inter-faces para comunicação via infravermelho. O grande problema do infravermelho é anecessidade de uma visada direta entre o receptor e o transmissor para que se possa rece-ber ou transmitir informações, tal característica restringe bastante o uso de comunicaçãopor infravermelho em RSSF.


Por último, encontram-se as soluções ópticas para a transmissão de dados entre nóssensores. Nesse ambiente utilizam-se lasers com sistema de mira. Vários estudos temsido feitos em tal campo, podendo ser esta um solução bastante eficiente nos próximosanos.

Os meios de transmissão utilizados em redes de sensores devem antes de tudo atenderseus requisitos de restrições físicas. Dependendo da aplicação um meio pode ser esco-lhido a partir de suas características, sendo de fundamental importância seu conhecimentopara projetistas de redes de sensores.

2.1.8 Consumo de energia

As redes de sensores sem fio são formadas por dispositivos com baixo consumo deenergia. Um dos requisitos primordiais num projeto relacionado com redes de sensoresé o tempo de vida de um nó sensor, que está relacionado diretamente com o nível deenergia de sua bateria. Várias características estão ligadas a energia em RSSF (Redesde Sensores sem Fio) tais como protocolos de roteamento[Xu et al. 2001], topologia earquitetura[Delicato et al. 2004], configuração de serviços[Bu & Naghdy 2005] e algorit-mos de segurança[Wood et al. 2006].

A análise do consumo de energia em redes de sensores sem fio segundo Akyildiz et al.(2002), pode ser categorizada em 3 domínios:

� Sensoriamento� Comunicação� Processamento de dados

O sensoriamento foi discutido na seção 2.1.6 principalmente no que refere-se a li-mitação física do hardware. O domínio de comunicação leva em consideração algunsfatores bastante importantes. O maior gasto de energia nos nós sensores está vinculado aoperação de transmissão e recepção de dados, sendo a primeira ainda mais custosa.

O consumo de energia no processamento dos dados também é bastante crítico. Ape-sar dos avanços em dispositivos MEMS (Micro Elétrico Mecânico) no que se refere aotamanho físico e capacidade de processamento, os nós sensores ainda apresentam grandedependência da capacidade de energia. Essas características fazem com que a modela-gem de um projeto com RSSF deva levar em consideração o consumo de energia comoum fator de extrema importância.

2.1.9 Técnicas de segurança

As RSSF é uma das tecnologias atuais com maior poder de aplicabilidade, suas áreasde atuação abrangem aplicações médicas, robóticas, detecção e rastreamento de obje-tos, indústria petroquímica, sistemas de segurança e mais uma centena de aplicações. Amaioria dessas aplicações manipula informações que necessitam um grau de segurançaconsiderável.

As RSSF são constituídas por um grande número de nós que são distribuídos em umaárea onde determinada aplicação será executada. Informações são coletadas e roteadas


em direção ao nó Sink. Um nó Sink é um gateway entre as redes de sensores e umarede externa, sendo de vital importância para a execução das aplicações. Medidas desegurança devem ser tomadas para o que nó Sink trabalhe de forma correta e confiável.Proteção contra DoS, spoofing, flooding e acessos não autorizados devem ser implemen-tadas. Entretanto, devido os recursos físicos limitados dos nós técnicas mais sofisticadasde criptografia são inviáveis de serem adotadas.

Alguém mal intencionado (atacante), ao ganhar o acesso ao nó Sink, poderá corrompertoda execução da rede. A arquitetura descrita nesta seção [Muhammad et al. 2005] visacombater estes acessos através de uma estrutura baseada em camadas.

Existem atualmente várias técnicas de segurança em redes sem fio, entretanto, devidoa limitação física dos nós, essas não são aplicadas nas RSSF (Redes de Sensores sem Fio).Alguns trabalhos tentam adaptar as técnicas existentes nas redes sem fio nas RSSF, compor exemplo, o µTesla [Perrig et al. 2002]. Enquanto que outros tentam minimizar o tama-nho da informação de autenticação em soluções simétricas. Partindo do mesmo princípio,foi criado [Muhammad et al. 2005] um novo protocolo (arquitetura de camadas) que es-tende as técnicas de segurança em redes sem fio encontradas atualmente, modelando-asnas RSSF.

A arquitetura é formada por duas camadas, uma interna e outra externa. A camadainterna é formada pelos nós que se localizam na vizinhança do nó Sink enquanto que acamada externa é formada pelos nós que se localizam na vizinhança dos nós da primeiracamada. O ingresso de um nó em uma camada é feito a partir de uma medida de confi-ança. Tal medida é calculada através de vários parâmetros, como a potência da bateria,freqüência, etc. O nó Sink monitora constantemente seus vizinhos, se necessário, atua-liza o nível de confiança de um determinado nó. É importante notar que o cálculo e oarmazenamento do log deve ser o mais simples possível para minimizar os recursos darede.

Uma restrição de comunicação é modelada pela arquitetura. O nó Sink só poderácomunicar-se com os nós da primeira camada, enquanto que os nós da primeira camadasó poderão se comunicar com os nós da segunda camada. Os nós da segunda camadapor sua vez, realizam a comunicação com os outros nós da rede. Um grande problemadessa restrição é o bloqueio da rede. A paralisação de uma camada compromete todofuncionamento, cortando a comunicação do nó Sink com os outros nós. Para contornareste problema, foi modelado um mecanismo de reajuste das camadas. Quando o nívelde confiabilidade ou um número relativamente grande de nós da camada for destruído,será disparado um alarme para camada interna adjacente, que solicitará um reajuste nacamada. Desta forma os nós destruídos ou que perderam a confiança poderão ser substi-tuídos adequadamente.

Um outro ponto bastante importante com relação a arquitetura em camadas é a escolhado número de camadas adotadas no projeto. Uma análise estatística realizada por Muham-mad et al. (2005) mostrou que a adoção de duas camadas apresenta resultados bastantefavoráveis para as aplicações. Certamente que um número grande de camadas aumentaráa segurança da rede, entretanto o gasto computacional para isso se tornará inviável devidoà limitação física dos nós sensores. O número de camada é escolhido conforme neces-sidades da aplicação. Uma aplicação com requisitos críticos de segurança necessita um


maior número de camadas do que uma aplicação que não possua tais requisitos.

2.2 Aplicações em RSSF

As redes de sensores são constituídas por vários tipos de sensores, como por exemplo:sísmicos, magnéticos, térmicos, infravermelho, movimentação, acústicos, umidade, entreoutros. A grande diversidade desses sensores proporciona a capacidade de monitorardiversos fenômenos físicos, como pode ser observado abaixo:

� Temperatura� Umidade� Movimento de pessoas ou objetos� Intensidade luminosa� Pressão� Composição química do solo� Presença de certos tipos de objeto� Velocidade, direção de objetos� Etc

Nós sensores podem ser usados para o sensoriamento contínuo, detecção de eventos,identificação de eventos, determinação de localizações, controle de atuadores, etc. Aunião da capacidade de sensoriamento por pequenos dispositivos com a comunicaçãosem fio torna as RSSF (Redes de Sensores sem Fio) uma das maiores potencialidades deaplicações nas mais diferentes áreas do conhecimento humano.

Segundo Delicato et al. (2004) as aplicações é o componente da arquitetura referenteàs RSSF responsável por emitir um conjunto de consultas ou queries que descrevem ascaracterísticas dos fenômenos físicos que o usuário deseja analisar. Os interesses dasaplicações devem indicar os tipos de dados desejados, a freqüência com que esses dadosdevam ser coletados, a necessidade ou não dos dados sofrerem algum tipo de agregação,os requisitos de QoS (valores de atraso máximo ou precisão mínima desejados), os li-miares a partir dos quais os dados devem ser transmitidos, ou ainda eventos que podemdisparar algum comportamento particular da rede como a ativação de sensores específicosou a alteração na taxa de sensoriamento.

Procuramos dividir as áreas de atuação das aplicações em RSSF para podermos exem-plificar de forma geral todas suas conexões. As aplicações foram divididas nas seguintesáreas: saúde, industrial, monitoramento ambiental e militar. Nos próximos parágrafosserão descritas aplicações em cada uma dessas áreas.

2.2.1 Aplicações Militares

Uma característica inerente às redes de sensores sem fio é sua escalabilidade. Namaioria de suas arquiteturas uma elevada densidade de nós sensores de baixo custo sãoutilizados. Está característica é bastante chamativa para operações militares que neces-sitam de uma tolerância a falhas bastante rigorosas, como por exemplo, em regiões decampo de batalha.


É importante lembrar que foi às aplicações militares que impulsionaram as pesqui-sas inicias em redes de sensores sem fio. Vários setores militares podem usufruir dascontribuições dessas redes. A rápida instalação e as características de auto-organizaçãoe tolerância a falhas nas RSSF fazem com que esta tecnologia seja uma ferramenta desensoriamento bastante promissora para integrar sistemas militares de:

� Monitoramento.

– Forças amigas.– Equipamentos e munição.– Ambientes noturnos.

� Vigilância.� Sistema de mira.� Assistência médica em batalha.� Reconhecimento de forças inimigas e do campo de batalha.� Contaminação nuclear, biológica e química.

O monitoramento das forças amigas e dos equipamentos com o uso das RSSF (Redesde Sensores sem Fio) podem ajudar aos comandantes e líderes da tropa a escolheremuma melhor estratégia durante o combate. Toda tropa, veículos, equipamentos e muniçãopoderão ser monitorados com o o auxílio das RSSF. Os dados são captados e fundidos atéserem disseminados pelos nós sink (nós de saída da rede) que têm a responsabilidade decomunicar a RSSF com um backbone externo.

O processo de vigilância durante uma batalha é algo bastante crítico e perigoso. Áreascríticas, rotas de aproximação e caminhos estreitos podem ser preenchidos com nós senso-res capazes de detectar a presença do inimigo. Vários estudos sobre vigilância em camposde batalha estão sendo pesquisados atualmente, como pode ser visto em Nemeroff et al.(2001).

Estudos sobre a tropa inimiga e o terreno de batalha podem ser feitos com o uso dasredes de sensores sem fio. Desta forma, ataques surpresa e métodos de defesa podem seraperfeiçoados melhorando o rendimento do ataque e diminuindo porcentagens de baixasna tropa.

Sistemas modernos de mira automática podem ser adicionados aos atuais equipamen-tos para obterem informação dos nós sensores, melhorando o rendimento no uso dos equi-pamentos e munição. Num futuro próximo, cada elemento da tropa levará consigo um nósensor capaz de medir com precisão seus elementos vitais (pressão cardíaca, temperaturacorporal, infecção, etc), onde assistências médicas poderão ocorrer de forma mais precisae rápida.

Um outro aspecto a ser levado em consideração são as contaminações nucleares, bioló-gicas e químicas. Nós sensores espalhados pelo campo de batalha poderão ser usados paradetectar sinais de agentes contaminadores emitindo alertas para tropa. Estas informaçõesserão bastante úteis para diminuir drasticamente o número de baixas por contaminação.

Para ilustrar esse domínio de aplicação é ilustrado na figura 2.2[Nemeroff et al. 2001]um mecanismo simbólico da representação do sistema de combate usando as RSSF. Osistema é formado por várias configurações, suportando uma densidade máxima de 100nós. Como pode ser visto na figura 2.2 existem 3 tipos de nós sensores:


� Nó C2� Nó de Localização e reconhecimento� Nó ponteiro

Os nós ponteiro são utilizados principalmente para detecção de alvos. Este nó sensoré constituído por sensores acústicos, sísmicos e magnéticos. Toda informação captada étransmitida aos nós de reconhecimento num link que pode variar da 100m a 400m. Os nósde reconhecimento e localização fazem a fusão dos dados (organizando-os de forma maiseficiente) e identificam as localizações de possíveis alvos. Toda informação coletada éenviada aos nós C2 num link que pode chegar a 7Km de distância. Os nós C2 funcionamcomo nós sink móveis.

Figura 2.2: Exemplo de aplicação militar usando RSSF

2.2.2 Aplicações de monitoramento ambiental

Uma das grandes potencialidades nas redes de sensores é a questão do monitoramentode determinados fenômenos físicos. Aplicações que envolvam monitoramento de ambien-tes são excelentes campos de atuação para as redes de sensores sem fio. O monitoramentoda migração de pássaros, movimentação de pequenos animais, insetos, condições queafetam a colheita, animais domésticos, irrigação, da Terra e dos planetas, entre outros sãoexemplos de alguns desses monitoramentos. Como se pode notar existem centenas de


aplicações relacionadas com o monitoramento ambiental que podem ser associadas às re-des de sensores sem fio. Nos próximos parágrafos relataremos alguns exemplos de formamais aprofundada.

Atualmente os incêndios florestais queimam por ano uma grande quantidade deflorestas, em sua grande maioria na época de verão, motivada pelas altas temperaturas ebaixa umidade do clima. Várias soluções tem sido adotadas para reduzir e acabar com adestruição de áreas florestais pelas queimadas. Dois métodos tradicionais de detecção deincêndio em florestas são bastante utilizados, vigilância aérea e local. O primeiro métodoutiliza helicópteros e aviões para detecção de incêndios enquanto que o segundo métodobaseia-se em pontos de observação situados em locais estratégicos, que normalmente sãolocalizados em cima de morros e colinas. Uma alternativa para tais métodos é encaixadaperfeitamente pelas redes de sensores sem fio. Flexibilidade de instalação em regiõesde difícil acesso, monitoramento remoto e detecção de eventos são armas poderosas dasRSSF (Redes de Sensores sem Fio). Uma dificuldade para esta aplicação está vinculadaprincipalmente ao acesso da região de monitoramento, que na maioria dos casos é em umamata fechada. A solução é utilizar aviões ou mesmo helicópteros para que os nós sensorespossam ser alojados na região. O problema é que os nós sensores devem ter resistênciafísica suficiente para resistirem ao impacto da queda. Para solucionar o problema, Góeset al. (2004) propõe um designer arrojado nos nós sensores, como ilustrado na figura 2.3.Outros trabalhos sobre monitoramento em queimadas utilizando redes de sensores semfio podem ser encontrados em Silva et al. (2005).

Figura 2.3: Nó sensor com designer de sâmara

Iremos descrever nas próximas linhas o monitoramento de habitats. O monitora-mento de habitats representa uma classe de aplicação das redes de sensores sem fio comenorme benefícios para comunidade científica e para a sociedade como um todo. Maisuma vez as características de escalabilidade e de dinamismo das RSSF contribuem paramecanismos mais eficientes no controle de fenômenos físicos do que as técnicas tradicio-nais.

Várias pesquisas tem sido feitas durante muitos anos sobre a interferência humanano monitoramento da fauna e flora de uma determinada região. Para algumas regiõesé impossível não existir contato físico entre pesquisadores e a fauna ou a flora, comopor exemplo, em uma pequena ilha onde várias espécies de animais isolam-se para seprocriarem.


Várias espécies de aves procuram lugares isolados para fazerem seus ninhos, quasesempre longe da presença de humanos. Pesquisas feitas por Mainwaring et al. (2002)mostram que a presença de humanos, por 15 minutos, próximos dos ninhos acarretamem 20% de mortalidade dos filhotes das aves. As RSSF (Redes de Sensores sem Fio)podem atuar em tal situação melhorando a processo de monitoração de várias espécies deanimais. Este domínio de aplicação foi explorado por Mainwaring et al. (2002) na ilhaGreat Duck, na costa do Maine (EUA). Uma rede de 150 nós sensores foram espalhadosna região com a finalidade de monitorar as temperaturas próximas e em alguns casosdentro dos ninhos das aves, tais estudos podem explicar doenças e hábitos em espéciesque estão ameaçadas de extinção. Todas as informações obtidas pelos nós sensores sãodissemidadas até a rede de acesso para que as mesmas possam ser interligadas à Internet.Os dados obtidos podem ser analisados por pesquisadores sem o contato físico com asaves. Um esquema simbólico desta aplicação pode ser ilustrado pela figura 2.4.

Figura 2.4: Monitoramento de aves

Uma última aplicação que envolva monitoramento ambiental com rede de sensoresserá mencionada, agricultura de precisão. Este conceito também conhecido como"site specific management"descreve um grupo de novas tecnologias aplicadas ao manejoda agricultura comercial em larga escala. Essa nova tecnologia de precisão inclui, porexemplo: computadores pessoais, sistema de localização por satélite, sistemas de infor-mações geográficas, controle automatizado de máquinas, dispositivos de sensoriamentoremoto e sistemas de comunicação. Geralmente esta tecnologia conecta sistemas de posi-cionamento global(GPS) com imagens das áreas de cultivo, permitindo que outros equi-pamentos ligados a este sistema possam ser configurados dinamicamente para controlaros níveis da irrigação e dos agrotóxicos.

A agricultura de precisão promete maior produção e menores custos de insumos aootimizar o manejo agrícola, reduzindo custos com perdas e com mão-de-obra. O uso dasRSSF (Redes de Sensores sem Fio) em tal situação é bastante motivador. Recentementepesquisas[Holler 2006] tem adotado um mecanismo de controle de temperatura em vi-nhedos com o uso das RSSF. Outra linha de pesquisa que adota as RSSF é encontrada em


Ramanathan et al. (2006), onde o monitoramento relacionado com a qualidade da águautilizada para irrigação da agricultura é pesquisada.

2.2.3 Aplicações médicas

Uma outra área de grande potencial para uso das redes de sensores sem fio é o se-tor médico. No futuro o avanço na tecnologia MEMS (Micro Elétrico Mecânico) farácom que os nós sensores sejam microscópicos, podendo ser inseridos em animais ou atémesmo em humanos. Permitindo a monitoração de vários aspectos vitais, como nível deoxigenação das células, insulina ou colesterol.

Projeto desenvolvido por Jafari et al. (2005) utiliza as RSSF para monitorar a pressãoe temperatura de pacientes. As informações coletadas de cada paciente são transmitidaspara dispositivos palmtop que enviam as informações via Internet para os médicos, quepodem diagnosticar precocemente algum estado de emergência.

Um outro projeto também muito parecido com o citado anteriormente foi desenvol-vido por Virone et al. (2006). A diferença está no fato que nesse projeto existe umainteração maior das RSSF (Redes de Sensores sem Fio) com sistemas já implementadosem um determinado ambiente, como por exemplo o sistema de automatização domiciliar.Uma série de outras aplicações médicas envolvendo RSSF pode ser desenvolvidas, comodescrito abaixo:

� Monitoramento de pacientes� Realização de diagnósticos� Administração de drogas em hospitais� Monitoramento de dados fisiológicos humanos

2.2.4 Monitoramento de uma planta nuclear

Tecnologia nuclear tem sido utilizada pela indústria há vários anos, principalmenteem plantas de usinas nucleares. Existem centenas de usinas nucleares espalhadas portodo mundo e em todas elas a questão da segurança no que se refere a vazamentos demateriais radioativos é sem dúvida uma questão de extrema importância.

Vários fatores são monitorados em tais usinas com a finalidade de manter a segurançada planta como um todo. O monitoramento da temperatura no reator nuclear, vibração doreator, ruído do ambiente, radiação e de outros componentes são realizados para que estasegurança torne-se possível. Em todas as usinas nucleares sistemas de monitoramentocontrolados por operadores são utilizados para automatizar o processo relacionado com asegurança da planta.

A característica do monitoramento remoto dos fatores citados no parágrafo anteriorfaz das RSSF uma tecnologia bastante promissora para este domínio de aplicação. Essasredes podem fornecer com grande eficiência o sensoriamento e monitoramento de servi-ços utilizados para gerência de segurança deste ambiente[Lin et al. 2004]. A figura 2.5ilustra uma arquitetura básica relacionando as RSSF com o monitoramento de plantasnucleares. Percebe-se nesta figura a grande contribuição desta tecnologia para monitorar


e disseminar informações por um determinado ambiente. Nós sensores podem ser es-palhados por toda planta para captar os mais diferentes tipos de fenômenos físicos. Noreator nuclear, por exemplo, nós sensores podem coletar dados de temperatura, vibraçãoe velocidade e em seguida transmitir estas informações pela rede. Um gateway pode in-terconectar a RSSF com uma rede externa, fazendo com que a informação coletada sejaenviada para o centro de controle da planta, onde os gerentes e os operadores realizamdiagnósticos e operam a planta nuclear da forma mais segura possível.

Figura 2.5: Monitoramento de uma planta nuclear com RSSF

Uma outra característica que não foi mencionada acima é a questão do envelheci-mento e desgaste dos equipamentos das plantas de usinas nucleares. Tais acontecimentostêm provocado sérios problemas na operação das usinas nucleares. Pequenos vazamentosradioativos tem sido detectados nos últimos anos principalmente por causa da deterio-rização dos equipamentos. A corrosão destes é motivada principalmente pelas intensasatividades que os equipamentos são expostos.

Um novo mecanismo que analisa a deteriorização de equipamentos em usinas nucle-ares tem sido proposto por Woods (2006), onde avaliações não destrutivas (NDE) sãorealizadas para criarem assinaturas em pontos de possíveis deteriorizações. As assina-turas podem ser coletadas por nós sensores e distribuídas por estações bases espalhadaspela planta nuclear. O desenvolvimento desta aplicação com o uso das redes de senso-res sem fio deve suportar um certo grau de precisão. A saber, os nós sensores devemser capazes de detectar mudanças nas estruturas físicas dos equipamentos provocadas pordeteriorização na ordem de 20mm.

Capítulo 3

Arquiteturas de software e hardwarepara RSSF

O desenvolvimento de projetos voltados para RSSF com relação às arquiteturas desoftware e hardware está propiciando avanços significativos para esta tecnologia. Nestecapítulo será dada uma abordagem sobre estas arquiteturas. Os sistemas operacionaisimplementados e o desenvolvimento de middlewares serão as arquiteturas de softwaredescritas enquanto que os principais projetos relacionados com nós sensores serão relaci-onados com a parte referente às arquiteturas de hardware.

3.1 Sistemas Operacionais

O desenvolvimento de sistemas operacionais para as RSSF (Redes de Sensores semFio) é motivado principalmente para configurações mais flexíveis nos nós sensores. Osrequisitos básicos para o desenvolvimento desses sistemas estão relacionados diretamentecom as restrições físicas dos nós sensores. A limitação de memória torna impossível o ar-mazenamento de todos os programas nesses nós, sendo desejável que o compartilhamentoda armazenagem dos aplicativos possam ser distribuídos por todos os nós da rede. Nestaseção procuraremos descrever as características básicas dos principais sistemas operacio-nais relacionados com as RSSF. A listagem abaixo enumera alguns desses sistemas:

� TinyOs [Culler et al. 2006]� Contiki [Dunkels et al. 2004]� MantisOs [Group 2006]� SOS [Barton-Sweeney et al. 2006]� Yatos [de Almeida et al. 2004]� Eyes [Dulman & Havinga 2002]� Nano-QPLUS [Park et al. 2006]� Bertha [Lifton et al. 2002]

3.1.1 TinyOs

O sistema operacional TinyOS foi desenvolvido por UC Berkeley com a finalidadede prover as RSSF a capacidade de concorrência através de escalonamentos dirigidos à

CAPÍTULO 3. ARQUITETURAS DE SOFTWARE E HARDWARE PARA RSSF 26

eventos. Atualmente é o sistema operacional mais utilizado por pesquisadores nas RSSF(Redes de Sensores sem Fio) face a grande quantidade de material e listas de discussõesencontradas vinculados a exemplos de códigos fontes e configurações.

O TinyOS encontra-se atualmente na versão 2.0 e sua instalação pode ser obtida gra-tuitamente por Culler et al. (2006). As aplicações são escritas no TinyOS com a utilizaçãoda linguagem NesC que é baseada em componentes. Com relação à compatibilidade dehardware com os nós sensores disponíveis no mercado, o TinyOS apresenta suporte paraas seguintes plataformas: eyesIFXv2, intelmote2, mica2, mica2dot, micaZ, telosb, tiny-node e btnode3.

A versão 2.0 implementa a capacidade de mudanças na política de escalonamento doSO (Sistema Operacional). Desta forma, programadores podem adotar suas próprias po-líticas de acordo com a aplicação desenvolvida. O escalonamento é bastante importantepara que a operação de concorrência seja implementada no sistema. Basicamente a con-corrência é obtida a partir de um escalonamento em dois níveis, tarefas e eventos. O nívelcom prioridade mais baixa é representado pelas tarefas enquanto que o mais alto peloseventos.

O sistema ainda apresenta implementações relacionadas com temporizadores, interfa-ces de comunicação, portabilidade com sensores e um mecanismo de depuração bastanteeficiente. Mais sem dúvida, uma característica bastante importante no TinyOS é a im-plementação do gerenciador de energia. Esta ferramenta é de grande importância para aotimização do tempo de vida útil para os nós sensores.

3.1.2 Contiki

O sistema operacional Contiki foi desenvolvido por pesquisadores do Instituto de Ci-ências da Computação da Suécia com o objeto de projetar um SO (Sistema Operacional)com grande portabilidade, baseado em multi-tarefas e com restrições de memória. Alémdessas características o Contiki apresenta um escalonamento baseado em eventos, geren-ciamento das aplicações de forma dinâmica, suporte à pilha TCP/IP através da bibliotecaµIP e compatibilidade com mais de 20 tipos de nós sensores. Todas essas implementaçõesforam feitas com a utilização da linguagem C.

Contiki é um sistema inteiramente baseado em eventos onde um processo é implemen-tado a partir de um manipulador de eventos (event handler). Um determinado bloco decódigo é executado dependendo da relação de seu handler com o evento ocorrido em umdeterminado instante. Ao contrario da maioria dos sistemas baseados em eventos, Contikisuporta multithreading através do método de escalonamento preemptivo. Esta funciona-lidade permite que uma série de aplicações se torne possíveis de serem implementadas,como por exemplo, um mecanismo de criptografia.

Um módulo de comunicação baseado em µIP é implementado pelo Contiki. Estemódulo é uma adaptação da arquitetura TCP/IP voltada para os requisitos das RSSF. O µIPutiliza um buffer com capacidade reduzida para gerenciar pacotes recebidos e transmitidosna rede. O gerenciador µIP é responsável por criar os cabeçalhos do pacote e por analisara integridade do mesmo.


3.1.3 MantisOS

O sistema operacional MantisOs foi desenvolvido por pesquisadores da Universidadedo Colorado com o objetivo de fornecer um SO (Sistema Operacional) baseado em multi-tarefas para as RSSF (Redes de Sensores sem Fio). O mecanismo de multithreadingpreemptivo fornece aos nós sensores a capacidade de processar diversas informações deforma mais eficiente.

Relacionando com as características físicas, o sistema utiliza 500 Bytes de memóriapara sua instalação, já inclusos o kernel, o escalonador e a pilha de comunicação. Procedi-mentos responsáveis pela otimização do gasto de energia também são implementados noSO (função sleep). Todo desenvolvimento do sistema operacional MantisOS foi baseadona linguagem C. Uma das características principais deste SO (Sistema Operacional) é afacilidade da programação e a portabilidade de vários nós sensores.

3.1.4 SOS

O sistema operacional SOS foi desenvolvido por pesquisadores da Universidade daCalifórnia. O sistema foi projetado com um kernel simples, com procedimentos de trocasde mensagens, memória dinâmica, módulos de carga e descarga de processos além devários outros serviços. A capacidade de reconfiguração dinâmica é a principal caracte-rística deste SO, sendo este um dos requisitos mais importantes para as RSSF. As outrasfuncionalidades do SOS estão enumeradas abaixo:

� Desenvolvimentos de sistemas heterogêneos� Facilidade de programação� Utilização da linguagem C� Escalonamento por prioridades� Suporte a depuração� Grande portabilidade

3.1.5 Yatos

O sistema operacional Yatos foi desenvolvido por pesquisadores da Universidade Fe-deral de Minas Gerais com o propósito de gerenciar o nó sensor BEAN. O sistema pos-sui as seguintes características básicas: ser dirigido por eventos, ocupar pouca memória,possuir um gerenciador de energia, escalonamento multi-tarefa baseado em prioridades,sistema modular e fácil de usar.

O funcionamento do Yatos é baseado em tarefas, que correspondem a blocos de có-digo executáveis. Para que várias tarefas executem é necessário que um mecanismo deescalonamento seja implementado. Neste caso, foi desenvolvido um escalonamento coo-perativo onde cada tarefa especifica o instante de sua preempção baseada em um determi-nado evento.

Quanto a questões inerentes ao seu desenvolvimento, o sistema operacional Yatos foidesenvolvido com a utilização da linguagem C. A quantidade de memória utilizada paraseu armazenamento é descrita abaixo:


� Memória de código - 3144 bytes� Memória de dados - 1984 bytes� Memória de constantes - 530 bytes

3.2 Middleware para RSSF

Esta seção descreverá brevemente o conceito de Middlewares aplicados em redes desensores sem fio. Um aspecto inicial a ser levado em consideração nesta análise é que aescolha de uma determinada arquitetura genérica para as RSSF (Redes de Sensores semFio) pode influenciar negativamente uma aplicação. Nas diversas aplicações desenvol-vidas com RSSF é observada uma escolha estática para suas arquiteturas. Este tipo deconfiguração motiva o desenvolvimento de métodos capazes de otimizar dinamicamentea escolha de uma arquitetura para uma determinada aplicação.

Um outro fator inerente das aplicações em RSSF é a escolha de quais protocolos serãousados na comunicação com uma determinada aplicação. Geralmente esta é uma escolhabastante difícil para os usuários. Na maioria dos casos os projetistas apresentam um totaldomínio sobre os requisitos da aplicação, conhece todas as variáveis, fenômenos físicosutilizados, etc. Entretanto não apresentam conhecimentos avançados sobre os pormenoresdos protocolos das RSSF, sendo esta uma grande barreira na adoção desta tecnologia emaplicações industriais.

Nesse sentido, aparece a figura dos projetistas das RSSF como o elemento respon-sável por abstrair e tornar transparentes os protocolos e mecanismos dessas redes paraos projetistas da aplicação. Estes requisitos motivam a adoção de mecanismos capazesde auto-configurar todos protocolos necessários para que uma aplicação possa rodar nasRSSF sem conhecimento prévio dessas técnicas e sem a intervenção dos projetistas dasaplicações. Middleware é um exemplo de mecanismo utilizado para atender estas neces-sidades.

Genericamente um middleware é visto com fornecedor de serviços. Uma RSSF queimplementa um middleware é vista como uma fornecedora de serviços para as aplicaçõesusuárias, onde as aplicações dinamicamente selecionam quais protocolos se adequam me-lhor aos seus requisitos.

Um esquema de middleware aplicado em redes de sensores sem fio foi proposto porDelicato (2005), onde o middleware desenvolvido tem a finalidade de fornecer uma re-presentação padrão, de alto nível, para os interesses da aplicação. Mensagens baseadasem XML são trocadas entre os nós sensores a fim de ajustar as características da rede àsnecessidades inerentes a cada aplicação.

3.3 Projetos de nós sensores

Esta seção tem como objetivo descrever de forma sucinta os principais projetos rela-cionados com o desenvolvimento de nós sensores. As características de cada nó sensorserão descritas bem como seus domínios de aplicação.


3.3.1 Família Motes

A família de nós sensores Motes foi inicialmente desenvolvida por projetos de pes-quisas na universidade de Berkeley (Califórnia - USA). O propósito deste projeto estavavinculado principalmente para o desenvolvimento de nós sensores com baixo consumo deenergia. O primeiro nó sensor Motes foi desenvolvido por Hollar (2001) cujo nome foidesignado de Cots Motes. Vários outros projetos de nós sensores foram propostos paraesta família, como por exemplo, o Rene Motes. As pesquisas atuais da nova geração denós sensores Motes estão voltados para as plataformas Mica Motes e Smart Dust [Kahan& J 2004]. As características básicas desta família de nós sensores é ilustrada na tabela3.1.

Características Descrição

Processador

Microcontrolador Atmel AT90LS8535 4MHz, 35 pinos (I/O), tensão máxima de

5.5V. Consome 19.2mW no modo ativo e3 mW no modo Sleep

ComunicaçãoRádio de 916.5 MHz com capacidade de

transmissão em média de 10Kbps(expansível)

Sistema Operacional TinyOS

Memória8KB de memória programável, 512 Bytesde memória SRAM e 32KB de EEPROM

Tabela 3.1: Características básicas da família Motes

A primeira geração de nós sensores Motes foi desenvolvida a partir de expansões noprojeto original desenvolvido por Hollar (2001). Basicamente os seguintes nós sensoresforam desenvolvidos: WeC Motes, RF Motes, Laser Motes, CCR Motes, Mini Motes,MALT Motes e IrDA Motes. As diferenças entre esses nós estão relacionadas aos tiposde sensores e o mecanismo de comunicação que os mesmos utilizam, conforme descriçãofeita por Pister & Hollar (2006). As tabelas 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 descrevem os principais nóssensores da primeira geração desta família.

A segunda geração dos nós sensores Motes é composta pelo nó Mica Motes, cujo di-reito de fabricação é concedido a Inc. (2006). A principal vantagem dessa nova geraçãoquando comparada com a anterior está no fato de melhorias na capacidade de comuni-cação e na otimização do gasto de energia. Esta plataforma é constituída de um micro-controlador Atmel Atmega 128L com processamento de 4MHz, 128Kbytes de memóriaflash, 4kbytes de SRAM e EEPROM, suporte para o sistema operacional TinyOS, link derádio(916 ou 433 MHz) com alcance de aproximadamente 45 metros e 2 baterias AA comcapacidade de alimentação para 1 ano (dependendo da aplicação).

A terceira geração desta família de nós sensores é constituída pelos nós: Mica2,Mica2Dot e MicaZ (figuras 3.1, 3.2 e 3.3 respectivamente). Essa geração apresenta van-tagens principalmente no que se refere ao alcance do rádio, na capacidade de armazena-mento e no suporte de vários tipos de sensores. Algumas dessas vantagens são enumera-das abaixo:


Características DescriçãoNome RF Motes

Rádio

916.5 MHz,modulação OOK, taxa

de transmissão de 5Kbps

Alcance 20 metros

Sensores

Magnetômetros,acelerômetros,

umidade, temperaturae pressão

BateriaLítio, tensão nominal

de 3V

Tabela 3.2: Características básicas do nó RF Motes

Características DescriçãoNome Laser MotesRádio Baseado em laser

AlcancePode atingir alguns

quilômetros, requer visadocom o transmissor

SensoresLuz, umidade, temperatura

e pressãoBateria 2 baterias AA

EspecialPossui um estado de baixoconsumo de energia (< 1

µW)

Tabela 3.3: Características básicas do nó Laser Motes

Características DescriçãoNome CCR Motes

Rádio

Comunicação passivaa Laser através de um

dispositivo MEMSCCR (divergente)

AlcanceFunção da intensidade

do laserSensores Temperatura

BateriaLítio, com tensão

nominal de 3V

Tabela 3.4: Características básicas do nó CCR Motes


Características DescriçãoNome WeC Motes

RádioAntena PCB

(implementada emfirmware)

AlcanceAlcance de 20m comuma taxa de 10Kbps

Sensores Temperatura e luz


nominal de 3V

Especial

Nó sensor maispoderoso da primeira

geração da famíliaMotes, pode serreprogramávelremotamente

Tabela 3.5: Características básicas do nó WeC Motes

� Mica2 - 512Kbyes de memória flash� MicaZ - Utiliza banda de 2.4 GHz com taxa de transmissão de aproximadamente

250Kbps e um alcance de 400 metros� Mica2Dot - Tamanho reduzido

Figura 3.1: Mica2 Figura 3.2: Mica2Dot Figura 3.3: MicaZ

A quarta geração desta família é caracterizada pelos nós Intel Motes e Spec Motes.O nó Intel Motes, cujo direito de fabricação está licenciado para a Intel Inc., apresentagrande avanço no poder de processamento dos nós sensores. Processamento digital desinais, aumento da confiabilidade na transmissão e otimização dos aspectos de segurançasão as outras contribuições propostas por este nó sensor. Os avanços nesta geração tam-bém propiciaram a miniaturização dos nós sensores, como pode ser visto pelo nó SpecMotes (figura 3.4). Este nó é resultado do projeto SmartDust [Kahan & J 2004] cujoprincipal objetivo era projetar nós sensores com dimensões ínfimas.


Figura 3.4: Spec Motes, nó sensor miniaturizado

3.3.2 Família µAMPS

A família de nós sensores µAMPS (µ - Adaptive Multi-domain Power Aware Senso-res) foi desenvolvida por pesquisadores do MIT [Calhoun et al. 2006] onde o objetivoprincipal estava voltado para a transmissão eficiente de pacotes de dados em pequenasdistâncias. Para realização desta otimização todas as camadas da arquitetura do nó sensortiveram mudanças com relação ao consumo eficiente de energia. Basicamente o nó sen-sor busca adaptar-se ao meio em que esteja inserido para procurar um melhor método detransmitir informações com o menor gasto de energia possível. A tabela 3.6 descreve asprincipais características desse nó sensor.

Características DescriçãoNome µAMPS

RádioLMX3162 (National),

com freqüência de2.45 GHz

Alcance10 a 100m, taxas de

transmissão por voltade 1 Mbps

Sensores Acústicos e sísmicos

BateriaLítio, com tensãonominal de 3.6V

Sistema Operacional µOS

MicroprocessadorARM SA-1110, 59

MHz

Tabela 3.6: Características básicas do nó µAMPS

3.3.3 Família Wins

A família de nós sensores Wins (Wireless Integrated Network Sensors) foi desenvol-vida a partir de um projeto conjunto entre a Rockwell Science Center e pesquisadores daUniversidade da Califórnia. Os principais aspectos levados em consideração no desen-volvimento deste nó sensor foram os seguintes: baixo custo, dimensões físicas reduzidas,


robustez e baixo consumo de energia. As aplicações relacionadas com monitoramento deambientes foram as motivações iniciais para o desenvolvimento do projeto Wins, comopor exemplo: monitoramento de pacientes e veículos. As características básicas deste nósensor são descritas na tabela 3.7.

Características DescriçãoNome Wins

RádioConexant RDSSS9M,

com freqüência de900 MHz

Alcance100m, taxas de

transmissão por voltade 100 Kbps

SensoresAcústicos, sísmicos,

magnetômetros eacelerômetros


nominal de 9VSistema Operacional OS II

MicroprocessadorIntel StrongARM1100 133 MHz

Tabela 3.7: Características básicas do nó Wins

3.3.4 Família Sensor Web

Esta categoria de nós sensores foi desenvolvido pelo projeto Sensor Web [Delin &Jackson 2001] que tem como parceiros o Instituto Tecnológico da Califórnia - JPL (JetPropulsion Laboratory) e a NASA. O objetivo do projeto foi o desenvolvimento de nóssensores com capacidade de comunicação multi-hop através de ambientes esparsos. Odesenvolvimento do nó sensor foi realizado em 3 fases distintas, onde em cada fase novascaracterísticas eram sendo adicionadas aos nós sensores.

A primeira fase de desenvolvimento, chamada de Sensor Web 1, foi caracterizada portestes em laboratório das funcionalidades do nó sensor desenvolvido. Basicamente o nósensor era dotado de sensores de temperatura e luminosidade, rádio com freqüência de916 MHz, taxa de transmissão de aproximadamente 20 Kbps, alcance de 40 metros etamanho reduzido (50g). A figura 3.5 ilustra o Sensor Web 1.

Os resultados expressivos do Sensor Web 1 motivaram a criação do Sensor Web 2.Este nó sensor foi implementado com uma eficiência na transmissão e uma capacidade dearmazenamento bem maiores que o Sensor Web 1. A saber, este novo nó sensor possuiuma taxa de transmissão em torno de 50 kbps com alcance de 150m. Uma aplicação demonitoramento remoto de uma estufa foi implementado com o Sensor Web 2. O desen-volvimento do terceiro nó sensor desta família apresenta características muito próximas


Figura 3.5: Sensor Web 1

do Sensor Web 2, a única diferença é que o Sensor Web 3 apresenta uma sensibilidademaior para temperaturas mais altas. A figura 3.6 ilustra os Sensor Web 2 e 3.

Figura 3.6: Sensor Web 2 e 3

3.3.5 Família BEAN

Esta família de nó sensor apresenta uma característica muito especial, é o primeiro eúnico projeto relacionado com o desenvolvimento de nós sensores no Brasil. O projetoé desenvolvido por pesquisadores da UFMG [Vieira 2004] cujo objetivo principal estárelacionado com a construção de um protótipo de nó sensor com um consumo de energia ecusto bastante reduzido. A plataforma foi chamada de BEAN (Brazilian Energy-EfficientArchitectural Node).

Uma das principais vantagens deste nó sensor está relacionado com a capacidadede medição de cada componente do nó sensor e da utilização de um microcontrolador(MSP430F169 da Texas Instruments) com baixíssimo consumo de energia. Além da ca-racterística de baixa potência este microcontrolador é constituído de um grupo bastantepoderoso de conversores analógico-digitais com a capacidade de interligação com vá-rios tipos de sensores. Memória flash externa e um relógio de tempo real também são


utilizados por este nó sensor. Por fim, o sistema operacional YATOS desenvolvido porde Almeida et al. (2004) foi utilizado pelo nó sensor BEAN. Este SO (Sistema Operacio-nal) é dedicado ao hardware deste nó sensor, implementa uma funcionalidade de detecçãode eventos bastante útil para o nó. A figura 3.7 ilustra a arquitetura implementada pelo nósensor BEAN.

Figura 3.7: Nó sensor BEAN

Capítulo 4

Aplicações em ambientes industriais deP&G

O título deste capítulo traduz explicitamente o interesse primordial do referido traba-lho. Os avanços tecnológicos em dispositivos MEMs (Sistemas Micro-Eletrônicos) têmprovocado mudanças em ambientes industriais de forma muita intensa, principalmente nosetor de petróleo e gás natural. A cada dia novos dispositivos de tamanho reduzidos e comelevada capacidade de atuação estão sendo encontrados no mercado. Novos protocolosde comunicação também têm trazido vários benefícios para as indústrias em geral.

Nos últimos anos percebe-se uma explosão no avanço das tecnologias wireless emambientes industriais, principalmente em setores onde a monitoração remota de variáveisdeve otimizar a utilização do espaço físico, como ocorre em aplicações do setor de pe-tróleo e gás natural. Os protocolos 802.11b (Wi-Fi), 802.15.1 (Bluetooth) e vários outrosque estendem desses estão sendo utilizados em tais ambientes. Alguns desses protocolostêm custos de implementação bastante alto além dos equipamentos que implementam taistecnologias apresentarem um consumo de energia sensivelmente elevado.

Uma solução para as características citadas acima foi sugerida no adendo 802.15.4(Zigbee), onde seus principais objetivos foram a adoção de uma padronização de comu-nicação wireless para dispositivos de baixo custo e complexidade, aliados a uma pequenacapacidade de consumo de energia. O protocolo 802.15.4 é aplicado nas redes de senso-res sem fio onde se mostra bastante convidativo para aplicações em ambientes industriais,como por exemplo, em refinarias e plataformas de exploração de petróleo.

Em geral, as redes em ambientes industriais que utilizam tais protocolos necessitamde uma série de fatores em seus desenvolvimentos, os mesmos são listados na tabela 4.1

A seguir descreveremos cada uma dessas peculiaridades. A primeira característicaque levaremos em consideração será o alcance destas redes. Um dos fatores que afe-tam o alcance está relacionado com as interferências existentes no meio em que essasredes estão instaladas. Essas interferências podem ser físicas (obstáculos) ou podem sergeradas por outros dispositivos, como ocorre com alguns motores que provocam ruídoeletromagnética no sinal.

A taxa de transmissão é uma outra característica de grande importância para es-sas redes, principalmente para os requisitos das aplicações. Geralmente estas aplicaçõessão caracterizadas por possuir baixas taxas de transmissão, com exceção daquelas quenecessitam de jitter bastante baixo. Assim como as taxas de transmissão, a latência

CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 37

Fatores PropriedadesAlcance Mediano

Taxa de Transmissão BaixaLatência Baixa

Consumo de energia BaixoSegurança Alto

Freqüência de operação 802.11, 802.15.1Complexidade do modelo Mediano

Topologia da rede EstrelaNúmero de dispositivos Alto

Flexibilidade AltaConfiabilidade AltaEscalabilidade Alta

Tabela 4.1: Características das redes em ambientes industriais

é um outro fator, inerente dessas redes, que depende diretamente dos requisitos de umadeterminada aplicação. Um fator que indiretamente influência na taxa de transmissão éa freqüência de operação das redes. Esta freqüência depende do protocolo adotado,como por exemplo, podemos citar o 802.15.4 que apresenta suporte para as seguintesfreqüências ISM : 868 MHz, 902-928 MHz, 2.4 GHz.

Idealmente todos dispositivos devem conter uma fonte de energia, neste caso umapequena bateria. O consumo de energia deve ser o mais otimizado possível para evitargastos desnecessários que possam provocar o desligamento prematuro de equipamentospor falta de energia. O aumento do tempo de vida dessas redes é um dos fatores quedevem ser priorizados pelos projetistas nos desenvolvimentos das aplicações. Quantomenos interferência física ocorrerem em tais redes, melhores serão os seus benefícios.

Mecanismos de segurança são um ponto de extrema importância na análise destasredes. Na maioria das aplicações em ambientes industriais informações sigilosas estãosendo trocadas o tempo todo por máquinas e usuários, modificações nessas informaçõespodem provocar danos catastróficos. Para ilustrar esta característica tomaremos comobase um poço de petróleo. Geralmente nesses poços existe um monitoramento remoto dealarmes para eventuais operações de riscos na utilização de algumas variáveis, como porexemplo, o fechamento de válvulas. Caso a informação da pressão de um determinadoduto seja alterado por algum intruso no sistema (seja esta invasão de forma física ou pormeio de software) alarmes falsos podem ser disparados provocando o fechamento errôneode válvulas, provocando sérios acidentes na linha de produção. Sendo de suma importân-cia que as informações trocadas apresentem técnicas de criptografia bastante robustas,sempre levando em consideração a otimização no uso da bateria.

A complexidade do modelo da rede deve ser abstraída pelo usuário final e ideal-mente pelo desenvolvedor da aplicação, é responsabilidade do projetista da rede tornarisso possível.

Uma série de topologias é suportada por esses protocolos, sendo de responsabili-dade do projetista da rede associar determinada topologia com uma determinada aplica-


ção.A aplicação utilizada influência diretamento na quantidade de dispositivos utilizados

por essas redes. É importante notar que na maioria dos casos uma grande quantidade dedispositivos fará com que uma aplicação adquira informações mais precisas, todavia esteaumento tornará o custo da rede sensivelmente maior. Aplicações em ambientes indus-triais são caracterizadas principalmente por seu dinamismo, portanto, tais redes devempossuir mecanismos escaláveis e flexíveis para suportar tal robustez.

Um último ponto nesta análise corresponde a confiabilidade, mecanismos tole-ráveis a falhas devem ser implementados por tais redes visando uma maior robustez daaplicação. Para exemplificar tais características, ilustramos na tabela 4.2 um comparativoentre o ZigBee e o Bluetooth, duas tecnologias que implementam tais protocolos, deacordo com os fatores categorizados acima.

Características ZigBee BluetoothAlcance 10-100m 10mkit - especial 400m 100mTaxa de Transmissão 20-250Kbps 1 MbpsLatência 15-30ms 2-20msBateria meses-anos diasFreqüência 868 , 902-928 MHz 2.4 ISM

2.4 GHz ISMComplexidade Simples AltaTopologia Adhoc, estrela Adhoc piconets

malha, híbridaDispositivos 2 a 65000 8Escalabilidade Muito alta BaixaFlexibilidade Muito alta Depende do perfilConfiabilidade Muito alta Média

Tabela 4.2: Comparativo entre ZigBee e o Bluetooth

As indústrias em geral controlam em suas linhas e plantas de execução centenas devariáveis físicas, sendo de vital importância para seu funcionamento uma escalabilidade econtrole de todos os processos monitorados. Os sistemas de monitoramento devem ser ro-bustos suficientes para atender o fluxo de informação e possuir mecanismos de tolerânciaem caso de falhas. Na maioria dos casos, tais sistemas são desenvolvidos para situaçõesespecíficas não podendo ser aproveitados em outras situações. Tais requisitos necessitamde uma constante troca de informações, fazendo com que sistemas extremamente robustosde comunicação sejam adotados pelas indústrias.

Atualmente o mecanismo de sensoriamento utilizado para alimentar os sistemas demonitoração é feito através de sinais elétricos ou por redes digitais cabeadas. Uma des-vantagem do segundo método esta no fato de ocuparem grande espaço físico, que emalgumas situações é um requisito crítico para aplicações em ambientes industriais, princi-palmente para o setor de petróleo e gás natural, onde o espaço físico deve ser otimizadopara melhorar a execução das atividades. Algumas soluções wireless mostradas nos pa-


rágrafos anteriores vem sendo adotadas como uma forma de eliminar espaços físicos noambiente industrial que por sua vez já se encontra carregado de enormes máquinas queocupam espaços muito grandes.

As redes de sensores sem fio possuem características que se adaptam perfeitamentenas exigências que os ambientes industriais exigem. Seus principais desafios em taisregiões são: interação com o ambiente, alta densidade de nós, elevada capacidade de auto-configuração, QoS (Qualidade de serviço), baixa latência (algumas aplicações exigemforte dependência de tempo real), centralização de dados, simplicidade, segurança.

Uma série de aplicações em ambientes industriais são campos férteis para o uso dasRSSF (Redes de Sensores sem Fio). A automação de construções e a automação in-dustrial são fortes candidatos de usufruir as qualidades de tais redes. Gerenciamento deenergia, controles HVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado), monitoramento deconstruções, controle de processos, monitoramento remoto, manutenção preventiva, ins-trumentação de precisão, controle de fluxos e níveis, e uma dezena de outras aplicaçõessão exemplos de campos onde as RSSF podem atuar em tais ambientes. Nas próximasseções apresentaremos algumas dessas aplicações de forma mais detalhada. Procuramosenfocar as aplicações do setor industrial de petróleo e gás natural, como por exemplo:manutenção preventiva de motores, monitoramento de dutos, análise da estrutura físicade plataformas e o monitoramento de geofones.

4.1 Manutenção preventiva de equipamentos

O avanço tecnológico tem trazido recentemente várias discussões sobre a manutençãoe o diagnóstico do status que os equipamentos industriais apresentam. Tais avanços têmtrazido melhorias nas técnicas de diagnósticos cada vez mais precisos. Os procedimentospodem variar desde o monitoramento por uma análise de vibração até por uma análisede imagens infravermelho. A manutenção preditiva é considerada pelo setor industrialuma técnica bastante robusta e com bons resultados no gerenciamento da manutenção domaquinário industrial. Vários outros conceitos de manutenção e diagnósticos de equipa-mentos tem surgido atualmente, termos como RCM (manutenção centrada na confiabili-dade), TPM (Manutenção produtiva total), manutenção produtiva total e JIT (manutençãoJust-in-Time, que é esperado substituir as técnicas de manutenção preditiva nos próxi-mos anos).

A maioria das fábricas utiliza equipamentos mecânicos em suas linhas de produção,sendo bastante viável a adoção de técnicas por meio de vibração para a manutenção e osdiagnósticos destes equipamentos. A complexidade de uma planta industrial é tamanhaque apenas uma técnica não é suficiente para realizar uma manutenção eficiente em seusmaquinários. Outras técnicas baseadas em ultra-som, ferrografia, tribologia, monitora-mento de processos, inspeção visual e mais umas dezenas de outras são utilizadas.

Uma das principais fatias no custo operacional em plantas industriais é garantida aosprocessos de manutenção e diagnósticos. Dependendo da área de atuação em que umaindústria esteja, tais cifras podem varias de 15% a 30% dos custos totais produzidos. Emindústrias de alimento, os custos médios da manutenção em equipamentos podem chegara 15% do total de custos produzidos, enquanto que em indústrias siderúrgicas, papel e


celulose e em outras indústrias mais pesadas como é o caso do setor de petróleo e gásnatural, tais proporções podem chegar a 30% do custo de produção. Alguns países che-gam a gastar 200 bilhões de dólares todos os anos com manutenções nos maquináriosdas indústrias. Basicamente, na maioria das plantas industriais são utilizados 3 tipos demanutenção: corretiva, preventiva e a preditiva. Sendo a terceira muito utilizada atual-mente, proporcionando resultados mais eficazes do que suas concorrentes. Nos próximosparágrafos falaremos de cada uma dessas técnicas.

A manutenção corretiva é sem dúvida a mais simples e direta. A manutenção só éfeita quando uma máquina quebra ou deixa de realizar suas funções principais. A maioriadas empresas não adota este tipo de reatividade em seus processos de manutenção, osprincipais problemas na adoção de tal método são: altos custos de estoques de peçassobressalentes e de trabalho extra, elevado tempo na paralisação da máquina, e baixadisponibilidade de produção. Esta técnica é inviável para o setor de petróleo e gás, faceas paralisações na linha de produção que podem ocorrer com a adoção dessa técnica.

A manutenção preventiva ao contrário do método anterior, utiliza conceitos deprevenção em sua manutenção. Geralmente utiliza-se a variável tempo para que manu-tenções sejam feitas. Gráficos são traçados com os perfis das máquinas onde através dedados probabilísticos pode-se determinar possíveis manutenções. O problema é que taisgráficos dependem de como a máquina é usada. Imagine que determinada bomba de suc-ção possua um tempo de 10 meses para que uma manutenção seja feita, dependendo decomo ela é usada, por exemplo, utilizada com água ou com minérios pesados, tal tempopode diminuir ou aumentar, fazendo com que possíveis manutenções reativas aconteçamou então materiais sejam desperdiçados. Os custos de uma manutenção preventiva é apro-ximadamente 3 vezes menores do que os custos na manutenção corretiva.

A manutenção preditiva é basicamente uma extensão da manutenção preventiva,adotando métodos mais eficazes do que o tempo. Análise vibratória, infravermelho, ter-mografia são utilizados. Seu princípio básico é o monitoramento regular das condiçõesmecânicas reais, rendimento operacional, e outros indicadores da condição operativa dasmáquinas enquanto que sistemas de processo fornecerão os dados necessários para asse-gurar o intervalo máximo entre os reparos.

Como podemos constatar, a manutenção preditiva é bastante robusta para métodos dediagnósticos de equipamentos. A monitoração do status de um equipamento a partir dedados coletados por sensores de vibração são campos ideais para as redes de sensores semfio. Os principais benefícios do uso das RSSF (Redes de Sensores sem Fio) no monitora-mento de equipamentos em ambientes industriais são: eliminar coletas de dados manuaiseliminando erros humanos na manipulação dos dados (figura 4.1), e a significativa melhorrelação custo x benefício em tal aplicação do que as soluções cabeadas.

Baseado em tais características foram analisadas algumas aplicações relacionadas como setor de petróleo e gás natural onde o uso das redes de sensores podessem ser aplicadas.O monitoramento de equipamentos em refinarias e o monitoramento da sala de máquinasde um navio tanque transportador de óleo serão descritos a seguir. Essas aplicações foramdescritas a partir de Krishnamurthy et al. (2005).

As referidas aplicações utilizam o processo de manutenção preditiva baseada na aná-lise vibratória. Uma característica peculiar desse tipo de abordagem é o grande número


Figura 4.1: Medição manual de amostras de vibrações em máquinas

de amostras coletadas em determinado instante de tempo. Os nós sensores terão que sercapazes de detectar fenômenos de vibração, sendo dotados de sensores de vibração.

Figura 4.2: Componentes da plataforma Intel Motes

Segundo Krishnamurthy et al. (2005) a plataforma adotada nesta aplicação foi o IntelMotes [Nachman et al. 2005]. Uma grande vantagem desta plataforma é seu excelentedesempenho, uso eficaz da bateria, suporte a bluetooth scatternet1 (utilizado para cons-trução de redes com topologia em malha) e suporte para funcionamento em modo sleep,onde uma pequena quantidade de bateria é utilizada. O Intel Motes é construído numaplaca de tamanho 3x3cm, com vários dispositivos embarcados: módulo Zeevo, antena 2.4GHz, opções de entrada e saída via conectores stackable e múltiplos leds de status. Oponto central em tal plataforma é o módulo Zeevo. É formado por uma CPU 12MHz,transmissor bluetooth, 64kB SRAM, 512KB Flash. O alcance do rádio é de 30m, porém

1Um grupo de piconets independentes e não-sincronizadas, que compartilham ao menos um dispositivoBluetooth comum.


pode chegar a 100m com a utilização de uma antena unidirecional externa. O sistemaoperacional que será utilizado por esta plataforma é o TinyOS [Hill et al. 2000]. O motivode tal escolha, segundo Krishnamurthy et al. (2005) está no fato deste sistema apresentarboa estabilidade, fornecer funcionalidades básicas e além de possuir várias comunidadesde usuários, facilitando bastante na construção e depuração das aplicações. A plataformaIntel Mote é ilustrada na figuras 4.2 e 4.3.

Figura 4.3: Dimensões da plataforma Intel Motes

Uma característica não só dessa aplicação mais também das redes de sensores sem fioé a questão da auto-organização. Após a instalação física dos nós sensores a rede estápronta para ser inicializada, nesse momento uma descoberta distribuída de serviços [Bu& Naghdy 2005] e de procedimentos de conexão são realizadas. Concluída a fase inicialde auto-organização, os nós sensores estão aptos a trocar informação entre si. Mecanismode reparos em caso de falhas nos nós sensores ou em links e a adoção de um modo de ope-ração em baixa latência (sleep) são implementados. Nos próximos parágrafos falaremosum pouco sobre os requisitos básicos das redes, como por exemplo: formação da rede,roteamento e reparos, mecanismos de transporte e modo de operação sleep.

4.1.1 Formação da rede

A formação da rede é baseada em um scatternet utilizando uma extensão do algoritmoproposto por Tan & Guttag (2000). Neste algoritmo, uma topologia em árvore é criadapara rede, onde o nó root dessa árvore é determinado de forma estática. Inicialmentecada nó fica chaveando entre os modos de investigação e escaneamento. O primeiromodo procura achar nós vizinhos enquanto que o segundo busca analisar dados de tais nósvizinhos. Um nó sensor ao se conectar com outro nó, passa a trocar informações. Umadessas informações corresponde a um flag que indica se o outro nó possui um caminhoaté o nó root. Se o caminho não existir, a conexão é desfeita e os nós passarão ao modo dechaveamento inicial. Se o caminho existir, o nó se junta ao outro com status de escravo.Um nó pode ligar-se diretamente ao nó root, sendo considerado um nó mestre de uma


possível piconet que poderá a ser formada. Nós que ainda não estão localizados na árvoresão classificados de nós livres.

4.1.2 Roteamento e reparos

No item anterior foi discutida uma topologia em árvore, um algoritmo foi utilizadopara manter um caminho de um nó escravo até um nó mestre. O nó root, periodicamenteenvia pacotes de sinalização, chamados de beacon [Nachman et al. 2005], para seus nósescravos. Este envio é recursivo até que as mensagens cheguem nos nós folhas da árvore.Tal sinalização tem a finalidade principal de atualizar a tabela de rotas dos nós mestrese do root. Na camada inferior da tecnologia Bluetooth, está definido mensagens de ma-nutenção dos links. Quando tais mensagens não são recebidas por um certo intervalo detempo, a conexão é cortada. Nesse momento, sinais de alerta são recebidos pelo algo-ritmo de formação da scatternet informando que conexões foram rompidas. As seguintessituações envolvendo cancelamento de conexões podem ocorrer:

� Nó mestre perdeu conexão com nó escravo� Nó escravo perdeu conexão com nó mestre

No primeiro caso, o nó mestre atualiza sua tabela de rota indicando que o nó escravo eseus descendentes não são mais atingíveis pelo link. Enquanto que no segundo caso, o nóescravo assume que não pode alcançar mais o nó root e passa para classificação de nó livre.Sendo um nó livre, o mesmo passará por todos os procedimentos até conseguir se ligar naárvore novamente, inclusive por um link diferente ao que estava conectado. O problemadeste segundo caso é que a desconexão é propagada por todos os nós descendentes do nóescravo, sendo de vital importância que o mecanismo de formação da rede apresente umagrande eficiência.

4.1.3 Mecanismos de transporte

Foi definido um mecanismo de transporte confiável fim a fim, por Krishnamurthy et al.(2005), com a finalidade de transmitir grandes pacotes de informação. Tal mecanismo foicriado devido as características da aplicação. A análise de diagnósticos com métodos devibração necessitam de grandes amostragens em cada medição. Neste ambiente transmis-sões confiáveis de 6KB são requisitadas. Visando reduzir o overhead da comunicação eos requisitos de hardware, é realizada fragmentação destes pacotes.

A informação coletada é fragmentada em várias partes e transmitidas, na maioria dasvezes, por vários nós sensores, até que a informação consiga chegar no destino. Percebaque no meio do caminho a informação pode ser alterada ou mesmo não conseguir chegarno nó destino. Sendo de vital importância a criação de um mecanismo de confiabilidadeentre o emissor e o receptor. Para que a informação fragmentada possa utilizar várioslinks, é necessária uma negociação no momento que a conexão é criada. Neste momentoo receptor terá o conhecimento do tamanho total da informação a ser transmitida, comotambém o tamanho dos pacotes fragmentados. Periodicamente, o receptor poderá enviarmensagens (NACK) ao emissor, informando-lhe que determinado pacote está faltando


ou contém erro. Um emissor só realiza uma retransmissão em caso de recebimentos demensagens NACK. Como pode-se notar, tal protocolo é dividido em 3 fases distintas: fasede conexão, transferência de dados e fase de reconhecimento.

4.1.4 Modo de Operação sleep

Foi implementado, por Krishnamurthy et al. (2005), um protocolo que visa o menorgasto de energia possível, para manter a rede em estado de latência. Tal estado é bas-tante interessante de acontecer logo após um ciclo de coleção de dados, geralmente sãoimplementados quando o tempo de resposta da rede ultrapassa alguns minutos. O modode operação sleep sempre é iniciado por um nó root. O nó root envia o comando sleeppara todos seus escravos, estes enviam para todos seus descendentes até que cheguem nosnós folhas da árvore que representa a rede. Quando um nó folha recebe um comando desleep, este envia um ACK para seu mestre. No momento que um nó mestre recebe ACKsde todos seus descendentes, este põe seus links em estado de hibernação por um períodoT, que geralmente é de 20s. Mensagens ACK são passadas para cima, caminhando pelahierarquia da árvore, até que um ACK chegue ao root. Caso o tempo T expire em algumnó, este verificará se seu flag de hibernação foi setado, caso contrario um outro tempoT é deflagrado novamente. Quando o nó root resolve acordar a rede, o mesmo envia ocomando wake para todos seus descendentes. Fazendo uma analise sobre o tempo dehibernação, notamos que o tempo total para acordar a rede é aproximadamente igual aaltura da arvore * T.

Nos parágrafos anteriores foram discutidas a plataforma usada nos nós sensores daaplicação bem como possíveis configurações adotadas no seu manuseio. Passaremos adiscutir os conceitos inerentemente voltados a implementação da rede e os testes realiza-dos segundo Tan & Guttag (2000).

Nesta aplicação as redes de sensores estão sendo usadas para o monitoramento deequipamentos em ambientes industriais voltados para o setor de petróleo e gás natural.Purificadores de água, compressores, reguladores, motores e uma dezena de outros equi-pamentos são monitorados por técnicas de vibração visando uma melhor manutençãopreditiva desses equipamentos.

Para facilitar o gerenciamento da rede e reduzir o número de saltos dos protocolos deroteamento de dados, a rede de sensores foi dividida em clusters. Cada clusters possuí umnó líder, que é responsável por realizar o esquema de comunicação e gerenciamento deenergia dentro do cluster, tais líderes se comunicam com gateways [Xbow 2006](stargate)de forma serial. Os gateways estão conectados ao nó root por uma rede 802.11b. Osgateways possuem um equipamento bem mais robusto do que os nós sensores, algunsdos seus componentes são: I/O universais, 802.11, USB, ethernet, serial, conectores deligação para os nós sensores, bateria ou linhas de força, processamento local. A figura 4.4ilustra tal equipamento. Por fim, o nó root se comunica com a intranet responsável porconduzir os dados até os servidores da aplicação, onde as análises dos dados coletadosserão processadas.

A descrição desta aplicação, segundo Krishnamurthy et al. (2005), busca comprovar autilidade das redes de sensores sem fio em ambientes industriais relacionados com o setor


Figura 4.4: Gateway utilizado na ligação dos nós sensores com o nó root

de petróleo e gás natural. A motivação desta aplicação em tal setor foi exarcebada apartirde Tan & Guttag (2000). As simulações e os resultados que serão mostrados nas próximasseções são extensões desta análise.

Para podermos comparar o nó sensor adotado, utilizaremos o nó sensor MICA2 [Inc.2006] como forma de comparação dos resultados. Este nó sensor está ilustrado na figura4.5. A análise feita da aplicação foi dividida nos seguintes passos: descrição da experi-ência, overhead na formação da rede, atraso na transferência dos dados, desempenho dorádio e o consumo de energia. Nos próximos parágrafos descreveremos os referidos itens.

Figura 4.5: Mica2 - nó sensor usado para que se possa realizar comparações com o IntelMotes

4.2 Monitoramento de equipamentos em uma refinaria

A primeira aplicação que discutiremos será o monitoramento de equipamentos daplanta de uma refinaria petrolífera, cuja descrição foi realizada por Krishnamurthy et al.(2005). O maquinário deste setor pode produzir água pura, gases e processos que envol-vam elementos com um alto grau de temperatura. As máquinas podem estar localizadasdentre e fora de determinados galpões.

Nesta aplicação será adotado o uso de 3 clusters. Como também queremos comparara eficiência dos nós sensores, a construção dos clusters foram feitas com os dois tipos denós sugeridos. Cada cluster abrange determinada região da fábrica e são constituídos por10 nós sensores, onde cada nó é formado por 5 sensores de vibração. A representaçãodesta arquitetura é ilustrada na figura 4.6.


Figura 4.6: Arquitetura para aplicação de monitoramento de máquinas em refinarias

A rede foi exaustivamente testada por 7 dias seguidos, de acordo descrição feita porKrishnamurthy et al. (2005), gerando significantes valores estatísticos. Nós sensores fo-ram programados para hibernarem por 1 hora logo após realizarem coletas de dados.Cada coleção de dados corresponde a uma amostra de 3000 exemplos, fazendo com queum buffer de 6KB seja necessário para sua transmissão. Devido suas limitações físicas,memória RAM extra e um segundo processador foram adicionados ao MICA2 para que omesmo suportasse tal aplicação.

4.2.1 Overhead na formação da rede

A formação da rede é inicializada quando os nós líderes dos clusters são inicializados,é claro que o nó root também deve estar funcionando. Como as conexões são mantidasna fase de hibernação da rede, novas formações da rede não são requisitadas após estaoperação. Esta fase é encerrada no momento que todos os nós sensores se ligam a árvoreda topologia ou quando um valor de timeout é expirado. Nesta aplicação foi utilizado umtimeout de 2 minutos.

Durante os 7 dias em que a rede foi testada, segundo Krishnamurthy et al. (2005), 163ciclos de coletas de dados foram realizadas onde 13 operações de formação da rede ocor-reram. Algumas dessas formações são decorrentes do mecanismo de watchdog, que buscaotimizar a rede principalmente em casos de loops. Os resultados mostraram que a médiados atrasos na formação da rede, para um cluster formado em média de 7 nós sensores,foi de 67s. Se pegarmos a média de todos os ciclos de coletas de dados chegaremos a umamédia de 5.3s de atraso por coleção. Os resultado podem ser vistos na figura 4.7[Tan &Guttag 2000].

4.2.2 Atraso na transferência dos dados

A cada ciclo de coleta de dados, 3000 exemplos são captados por cada sensor, o quecorresponde a aproximadamente 6KB de informação. Levando-se em consideração que


Figura 4.7: Overhead na formação das redes em aplicações de manutenção preditiva lo-calizada em refinarias

cada nó é constituído por 5 sensores de vibração, temos um total de dados equivalentea 30KB por nó sensor. No geral os nós Intel Mote demonstraram melhores médias natransmissão do que os MICA2, médias de 88s foram encontradas para transferir 30KB deinformação.

O número de fragmentações necessárias para transmitir 30KB de dados é de 320 (comfragmentos de 94B), entretanto, foi percebida uma média de 430 fragmentos por coleção,o que nos dá 34% de pacotes retransmitidos. Como esperado, foi percebido que esteresultado é diretamente proporcional ao número de saltos necessário para que um pacotesaia do emissor e chegue no receptor conforme ilustrado na figura 4.8. Os motivos detais retransmissões estão vinculados à falta de sincronismo de mensagens NACK e deoverflow nos buffers.

Figura 4.8: Influência do número de saltos no roteamento na retransmissão de pacotes


4.2.3 Desempenho do rádio

Para esta aplicação específica, alguns clusters apresentam nós localizados dentro efora dos galpões. De acordo com a figura 4.9 é observado que o cluster 1 apresenta algunsnós sensores localizados na parte externa do galpão. Apesar da existência de barreirasentre nós sensores de alguns clusters os desempenhos apresentados foram bastante próxi-mos.

Figura 4.9: Clusters da aplicação que monitora equipamentos em refinarias

Figura 4.10: Desempenho do rádio para os diferentes nós sensores

Quando comparado o desempenho do nós Intel Mote com os MICA2 foi percebidoque os primeiros apresentaram resultados mais consistentes para os vários tipos de coletas


de dados. A distribuição cumulativa dos Intel Motes apresentou uma variância bem menordo que os MICA2. A figura 4.10 ilustra tal comparação.

A análise dos efeitos da distância física na confiabilidade da transmissão foi realizadaatravés de vários experimentos [Tan & Guttag 2000]. Dois nós foram conectados dire-tamente, um representando o escravo e o outro o mestre. O nó escravo envia 3KB dedados para o nó mestre utilizando os protocolos citados anteriormente. Suas distânciassão incrementadas de 3m e em cada localização 8 transmissões são realizadas. A figura4.11 mostra os valores médios, máximos e mínimos do tempo de transmissão dos pacotescomo função da distância entre o emissor e o receptor medidas durantes estas transmis-sões. Através da figura 4.11 pode-se observar que a média no tempo de uma determinadatransmissão em que a distância entre os dispositivos é inferior a 30m é de aproximada-mente 1.2s. Se o emissor estiver configurado para transmitir 100 bytes de pacotes a cada40ms, 1.2s é o tempo mínimo para transmitir o arquivo de 3KB. Distâncias acima de 30msão esperados tempos relativamente maiores e com um maior gasto de energia. Os testesde desempenho do rádio foram realizados em ambientes internos, onde existiam grandesfluxo de pessoas e presença de redes 802.11b.

Figura 4.11: Influência da distância no tempo de transmissão


4.2.4 Consumo de energia

A análise do consumo de energia será descrita nas diferentes fases de operação darede (modo sleep, transmissão e leitura de dados). A tabela 4.3 mostra um comparativodo consumo de corrente em cada tipo de operação. Apartir dos requisitos da aplicação foiconfigurado um tempo de hibernação para os nós sensores bastante significativo. Destaforma o gasto de energia tem sua contribuição vinculada principalmente ao tempo dehibernação. Durante o tempo de hibernação o nó sensor consome muita pouca energia,todavia quando este tempo é grande o consumo de energia passa a ser significativo.

Modo I(mA) tciclo(s) Média(mA)Sleep 3.0 3600.0 2.53Imote + rádio 20.7 591.0 2.87Imote + Sensor 54.6 75.5 0.97Imote + Sensor + AD 58.8 1.5 0.02Total - 4268.0 6.39

Tabela 4.3: Consumo de energia dos nós sensores

Foi adotado, segundo Krishnamurthy et al. (2005), nesta aplicação o uso de 4 bateriasrecarregáveis com capacidade de aproximadamente 9100mAh com fornecimento nominalde 6V. Para esta configuração o tempo de vida da rede é de aproximadamente 2 meses. Afigura 4.12 ilustra o acoplamento do nó sensor bem como a instalação e localização dasbaterias no ambiente da aplicação.

Várias melhorias podem ser feitas visando prolongar o tempo de vida da rede nestaaplicação. Uma delas corresponde a retirar ciclos de máquinas desnecessárias do pro-cessador onde o mesmo realiza algumas operações envolvendo timers. Neste método oconsumo de energia no modo de operação sleep pode cair para 1.5mA, fazendo com queo tempo de vida da rede aumente para 6 meses. Uma outra solução é fazer com que oslinks da rede sejam rompidos após um ciclo de coleta de dados. Tal solução reduz o con-sumo de energia na operação sleep para 700µA, entretanto o cálculo do overhead deve serlevado em consideração para formações da rede. A figura 4.13 ilustra todos as soluçõesanteriores para o consumo eficaz da bateria, onde é mostrado a relação do tempo de vidae o tempo de hibernação com o consume de corrente.

Melhorias na economia de energia é proposto por Lymberopoulos et al. (2005) ondeum clock de tempo real externo é utilizado para praticamente desligar o nós sensores.Nesta técnica o nó sensor consome uma corrente na ordem de 10µA. Fazendo com que otempo de vida da rede aumente para significantes 4 anos e meio. A tabela 4.4 descreveum resumo das principais características desta aplicação.

4.3 Monitoramento de máquinas em um navio tanque

O monitoramento remoto de equipamentos em navios tanque é uma aplicação degrande interesse para o setor de petróleo e gás natural. As falhas em alguns equipamentospodem causar acidentes e atrasos no transporte dos produtos extraídos das plataformas e


Figura 4.12: Bateria utilizada pelos nós sensores

Fatores PropriedadesTopologia Baseada em ClusterNó Sensor Mica2 e Intel MotesSensores Vibração

Tamanho dos dados GrandeFormação da Rede 1-3 minutos

Tempo de Vida 1-4 MesesSegurança Ausente

Tabela 4.4: Características básicas relacionadas com a aplicação de Monitoramento deequipamentos em uma refinaria


Figura 4.13: Relação do consumo de energia com o tempo de vida e de hibernação

poços. Procuramos descrever o monitoramento de motores e bombas presentes na sala demáquinas nos Tankers2 como forma de otimização para análises de manutenções preven-tivas.

O desenvolvimento de aplicações para o monitoramento de equipamentos em naviostanque foi inicialmente motivado por Krishnamurthy et al. (2005). Trabalhos envolvendoos desafios e consumo de energia dos nós sensores em tal aplicação podem ser encontra-dos respectivamente em Kevan (2006) e Discenzo & Chung (2006).

O monitoramento de máquinas em navios tanque utilizando as RSSF apresentam umasérie de desafios. A localização em que os nós sensores serão instalados apresentam pro-blemas vinculados principalmente a interferências sofridas pelo rádio devido a quantidadede metal presente na sala de máquinas do navio tanque. Elevadas temperaturas e ruídosprovocados pelas máquinas existentes no local são as outras interferências em que os nóssensores devem suportar.

O monitoramento realizado por Krishnamurthy et al. (2005) no navio tanque LochRannoch, cuja propriedade é vinculada à British Petroleum, será a base dos resultadosdescritos nos próximos parágrafos. O Loch Rannoch é um Tanker de 304 metros decomprimento que um peso estimado de 132k toneladas. O navio apresenta uma série decompartimentos onde a comunicação entre os mesmos é feita através de portas lacradasatravés de escotilhas. Esta característica é um fator que deve ser levado em consideraçãona modelagem das RSSF para a aplicação do monitoramento das máquinas. Levando-se em consideração que esses compartimentos estão lacrados fisicamente a comunicaçãodos nós sensores localizados em compartimentos diferentes só podem ocorrer quando asescotilhas de um determinado compartimento estiverem aberta. A figura 4.14 ilustra oTanker Loch Rannoch bem como as instalações onde os nós sensores serão localizados.

Esta aplicação tem o objetivo de otimizar o processo manual para medição de amostrasvibratórias em equipamentos. O procedimento atual realizado nos navios tanque é reali-zado manualmente em intervalos de aproximadamente 500 horas. A medição realizadapara uma amostra de vibração é feita com a utilização de dispositivos handheld conforme

2Para o setor de petróleo e gás natural o termo navio tanque é mais conhecido pela termologia Tanker


Figura 4.14: Tanker Loch Rannoch - ambiente onde será desenvolvido à aplicação demonitoramento remoto de máquinas com RSSF

ilustrado na figura 4.1. Este processo pode gerar sensíveis erros durante a leitura dasamostras além de um tempo relativamente grande para realizar as medições de todos osequipamentos na planta. Um outro fator desvaforável deste procedimento leva em con-sideração a pequena amostra colhida durante os intervalos de medições, proporcionandoresultados estatisticamente pouco favoráveis. A adoção das RSSF como tecnologia pararealizar o monitoramento remoto de forma automatizada é sem dúvida um procedimentode grande benefício para esta aplicação. Os benefícios trazidos pelas RSSF estão relacio-nados principalmente com a melhoria dos dados coletados num intervalo de tempo menore do aumento da confiabilidade dos dados quando comparados com o método manual.

4.3.1 Características básicas do problema

O monitoramento de máquinas em navios tanque apesar de apresentar uma modela-gem no que diz respeito ao hardware utilizado bem parecido com a aplicação da seção 4.2possui características em geral diferentes. A primeira diferença está vinculada as desco-nexões ocorridas entre o nó root e os gateways. Essas desconexões são realizadas devidoa localização física dessas entidades estarem em locais que apresentam um isolamentofísico, o isolamento é quebrado quando escotilhas são abertas. Uma outra diferença estávinculada a capacidade de memória dos gateways, que neste caso devem possuir umacapacidade de armazenamento bem maior (aproximadamente 2 GB). Quando ocorremdesconexões entre os gateways e o root medições de dados feitas nos nós sensores sãoarmazenadas na memória dos gateways até que a conexão com o root seja restaurada.

Um watchdog 3 e um mecanismo de reinicialização automática foram adicionadosaos gateways como forma de monitorar suas execuções. Estas duas técnicas são bastanteinteressantes, pois evitam riscos de paradas não projetadas do gateway, fazendo com quevisitas físicas de técnicos nas instalações sejam evitadas.

3Mecanismo muito utilizado na eletrônica para combater loops de informação nos dispositivos


4.3.2 Instalação da Rede

Será utilizado nesta aplicação o nó sensor intel mote, apresentando na figura 4.2. Adiferença que irá existir no nó sensor está vinculado ao tipo de sensor utilizado e nafreqüência de rádio adotada, neste caso acelerômetros e 868 MHz respectivamente.

Figura 4.15: Máquinas monitoradas no Tanker

Para aplicação proposta serão utilizados 150 acelerômetros, 26 nós sensores, 4 ga-teways e 1 PC. Os acelerômetros serão utilizados para realizarem medições de vibraçãonos motores e bombas presentes na sala de máquinas do navio tanque (figura 4.15 . Os26 nós sensores são distribuídos em 3 cluster, cada cluster apresenta um gateway comoresponsável. O outro gateway que não tem responsabilidade com nenhum cluster serácategorizado como o nó root da aplicação e fará a ligação com o servidor(PC) localizadoem um dos escritório no Tanker. O PC estará rodando o software supervisório para estaaplicação. A figura 4.16 ilustra à arquitetura adotada para esta aplicação.

Figura 4.16: Arquitetura da aplicação do monitoramento em Tankers

A rede foi organizada em duas áreas de atuação. Dois clusters foram implementadosem níveis mais altos do navio, enquanto o outro cluster foi construído no nível maisinferior. Vários testes foram feitos com cada cluster, dependendo de suas localizações. O


cluster localizado no nível inferior sofre grande influência de desconexões com o nó rootjá que está lacrado por uma escotilha selada, fazendo com que o gateway deste clusternão possa em alguns instantes de tempo comunicar-se com o nó root. As escotilhas sãoaberta em períodos de tempo aleatório fazendo com que a conexão possa fluir entre o nóroot e o gateway. Nesse instante, todas as informações coletadas pelo gateway duranteo período de desconexão são transmitidas. Os clusters que estão localizados nos níveismais próximos da superfície do navio não sofrem tanto problema da interferência devidoas portas desses níveis permanecerem abertas o tempo todo, não existindo desconexãoentre os gateways e o nó root.

O tempo total de um ciclo de coleta de dados é determinado pelo tempo de hiberna-ção mais o tempo em que a coleta de dados ocorreu. O tempo de hibernação é bastanteinteressante para aumentar a vida útil da rede. O tempo de hibernação foi configurado deacordo com a localização dos clusters. O cluster localizado na parte inferior do Tankerfoi configurado com um tempo de sleep de aproximadamente 5 horas e com um tempodestinado à coleta de dados de 7 horas (sleep + tativo). Nesta configuração esse cluster(03 - figura 4.16 apresenta um tempo de vida útil de aproximadamente 21 dias. A con-figuração dos cluster localizados nas áreas mais próximas da superfície do Tanker foramconfiguradas com um tempo de sleep de 18 horas e com um período de coleta de dadospor volta de 20.5 horas. Nesta configuração os cluster apresentam um tempo de vida útilde aproximadamente de 82 dias.

Figura 4.17: Esquema de como adquirir energia através do ambiente para nós sensores

O gasto de energia é um desafio que deve ser otimizado nas RSSF. Trabalho propostopor Discenzo & Chung (2006) oferece um mecanismo para absorver energia a partir do


ambiente em que nós sensores estão instalados. Conforme ilustrado em 4.17 percebemosmódulos na estrutura física do nó sensor responsável por converter por exemplo energiarotacional em energia elétrica através de micro-geradores. O trabalho citado anterior-mente foi aplicado no mesmo ambiente da aplicação que está sendo descrita nesta seção.

Ainda levando em consideração o gasto de energia dos nós sensores, devemos obser-var que as amostras de dados coletadas pelos acelerômetros são inerentemente sinais devibração. A escolha da localização em que o processamento dos sinais será feito é deextrema importância visto a grande proporção de energia gasta na transmissão de gran-des quantidades de informação. Um pequeno processamento local desses sinais poderácontribuir sensivelmente para uma otimização no gasto de energia. Para tanto o procedi-mento de uma FFT deve ser implementado em hardware para que o processamento sejafeito. A figura 4.18 mostra um comparativo do tempo e da energia gasta para os principaisprocedimentos do nó sensor nesta aplicação.

Figura 4.18: Comparativo entre o tempo e o gasto de energia das principais operações dosnós sensores

Para finalizar a descrição da instalação desta aplicação iremos comentar um poucosobre a aplicação supervisória localizado no servidor. Todas as informações coletadassão disseminadas pela rede até que as mesmas cheguem ao PC supervisório localizadonum dos escritórios do navio tanque. Neste computador vários scripts analisam os da-dos coletados, o status de cada nó sensor também pode ser observado na tela do PC. Umdiagnóstico sobre a coleta contínua de dados é traçado para cada nó de um determinadocluster com exceção para o cluster localizado na parte inferior do Tanker, onde uma aná-lise contínua não pode ser analisada devido as desconexões ocorridas. O servidor tambémé responsável por realizar um mecanismo de backup periodicamente. O mecanismo debackup é de grande importância por questões de segurança e também para análises futurasdos dados coletados.

4.3.3 Desempenho da Rede

O desempenho da rede foi avaliado sobre dois aspectos: habilidade de coletar e entre-gar dados ao PC (Servidor) e a habilidade de retransmitir um pacote em caso de perdasou erros. O cluster 3 foi executado por 6 semanas até que sua energia exaurir-se comple-tamente, enquanto que os clusters 1 e 2 foram executados por 19 semanas. Este resultado


reflete diretamente no tempo de hibernação configurados nos clusters. O cluster 3 foi con-figurado com um tempo de hibernação bem menor que os clusters 1 e 2 propiciando umgasto de energia bem maior e fazendo com que a rede tenha uma morte prematura quandocomparada com os outros clusters.

Figura 4.19: Número total de amostras dos nós localizados no cluster 3

As figuras 4.19 e 4.20 mostram o histórico do número de amostras recebidas pelo PCdos clusters. O resultado encontrado para o cluster 3(figura 4.19 apresentou um númerode recepções bem menor que os clusters 1 e 2 (figura 4.20, este resultado está vinculado asdesconexões ocorridas e como conseqüência ao overflow de memória ocorrida no gatewayprovocando perdas em algumas amostras de dados. Comparando as duas figuras pode-seobservar que aproximadamente 80% dos pacotes foram entregues ao servidor.

Figura 4.20: Número total de amostras dos nós localizados nos clusters 1 e 2

A tabela 4.5 faz um resumo das principais características desta aplicação.

4.4 Monitoramento da estrutura de plataformas offshore

O monitoramento das estruturas físicas (SHM ) é uma aplicação inerentemente voltadapara o setor da indústria civil. Recentemente com o avanço das tecnologias wireless uma


Fatores PropriedadesTopologia Cluster e ÁrvoreNó Sensor Intel MotesSensores Vibração

Capacidade de armazenamento GrandeInterferência externa Alta

Tempo de Vida 2 MesesSegurança Ausente

Tabela 4.5: Características básicas relacionadas com a aplicação de Monitoramento demáquinas em um navio tanque

série de requisitos flexíveis podem ser inseridos no contexto desta aplicação.O monitoramento em estruturas físicas é motivado principalmente para otimização

de consertos e como conseqüência a prevenção de acidentes. Os vários componentes deequipamentos, automóveis, prédios, pontes, plataformas offshore dentre outros sofrem aolongo do tempo a ação de forças repetitivas. Estas forças podem gerar pequenas tensõesnesses materiais fazendo com que diminutas fraturas apareçam em suas estruturas. Oacúmulo de processos repetitivos seguidos de algumas fraturas em uma estrutura é nor-malmente chamado de fadiga. O fenômeno relacionado com a fadiga [Taier et al. 2002]vem sendo pesquisado há mais de 175 anos por vários trabalhos no mundo inteiro, sendoeste fenômeno um dos mais importantes no projeto de manutenção em estruturas físicas.

Para o contexto da aplicação inserida nesta seção, descreveremos uma breve análisedo monitoramento em plataformas offshore. De acordo com OU & LI (2004) é estimadoque aproximadamente 50% dos custos totais de monitoramento das condições em serviçosdas plataformas offshore estão relacionadas com inspeções que averiguam trincas criadaspor fadigas. Sendo de extrema importância que o aprimoramento desses procedimentosavaliem análises estruturais com uma confiabilidade e precisão.

No processo de avaliação das fadigas em plataformas offshore devem ser levados emconsideração todas as ações que provocam variação de tensões na estrutura das plata-formas, tais como: ondas, vento, correntes, pressão hidrostática variável, guindaste, etc.Segundo [Taier et al. 2002] em uma plataforma offshore as cargas de ondas são as maioresfontes causadoras de fadigas.

Para darmos uma visão mais geral sobre o processo de SHM em plataformas offshore,descreveremos de forma geral os principais tipos de plataformas offshore[PETROBRAS2006] como pode ser visto abaixo:

� Fixas� Auto-Eleváveis� Plataforma de Pernas Atirantadas ( Tension-Leg Platform - TLP)� Semi-Submersíveis� Navio Sonda� FPSO

As plataformas fixas foram as primeiras unidades utilizadas na exploração do


petróleo. Geralmente tem sido utilizadas nos campos localizados em lâminas d’água deaté 200m. Estas plataformas são constituídas de estruturas modulares de aço, instaladasno local de operação com estacas cravadas no fundo do mar. As plataformas fixas sãoprojetadas para receber todos os equipamentos de perfuração, estocagem de materiais,alojamento de pessoal, bem como todas as instalações necessárias para a produção dospoços.

As plataformas auto-eleváveis são constituídas basicamente de uma balsa equi-pada com estrutura de apoio, ou pernas, que, acionadas mecânica ou hidraulicamente,movimentam-se para baixo até atingirem o fundo do mar. Em seguida, inicia-se a ele-vação da plataforma acima do nível da água, a uma altura segura e fora da ação das on-das. Essas plataformas são móveis, sendo transportadas por rebocadores ou por propulsãoprópria. Destinam-se à perfuração de poços exploratórios na plataforma continental, emlâmina d’água que variam de 5 a 130m.

As plataformas semi-submersíveis são compostas de uma estrutura de um oumais conveses4, apoiada em flutuadores submersos. Uma unidade flutuante sofre movi-mentações devido à ação das ondas, correntes e ventos, com possibilidade de danificaros equipamentos a serem descidos no poço. Por isso, torna-se necessário que ela fiqueposicionada na superfície do mar, dentro de um círculo com raio de tolerância ditado pe-los equipamentos de subsuperfície, operação esta a ser realizada em lâmina d’água. Doistipos de sistema são responsáveis pelo posicionamento da unidade flutuante: o sistema deancoragem e o sistema de posicionamento dinâmico.

O sistema de ancoragem é constituído de 8 a 12 âncoras e cabos e/ou correntes, atu-ando como molas que produzem esforços capazes de restaurar a posição do flutuantequando é modificada pela ação das ondas, ventos e correntes.

No sistema de posicionamento dinâmico, não existe ligação física da plataforma como fundo do mar, exceto a dos equipamentos de perfuração. Sensores acústicos determi-nam a deriva, e propulsores no casco acionados por computador restauram a posição daplataforma.

As plataformas semi-submersíveis podem ou não ter propulsão própria. De qualquerforma, apresentam grande mobilidade, sendo as preferidas para a perfuração de poçosexploratórios.

As plataforma tension-leg são unidades flutuantes utilizadas para a produção depetróleo. Sua estrutura é bastante semelhante à da plataforma semi-submersível. Porém,sua ancoragem ao fundo mar é diferente: as TLPs são ancoradas por estruturas tubulares,com os tendões fixos ao fundo do mar por estacas e mantidos esticados pelo excesso deflutuação da plataforma, o que reduz severamente os movimentos da mesma. Desta forma,as operações de perfuração e de completação são iguais às das plataformas fixas.

Navio-sonda é um navio projetado para a perfuração de poços submarinos. Sua torrede perfuração localiza-se no centro do navio, onde uma abertura no casco permite a pas-sagem da coluna de perfuração. O sistema de posicionamento do navio-sonda, compostopor sensores acústicos, propulsores e computadores, anula os efeitos do vento, ondas ecorrentes que tendem a deslocar o navio de sua posição.

4Conveses: a parte da cobertura superior do navio compreendida entre o mastro do traquete e o grande,onde os passageiros conversam e passeiam.


Os FPSOs são navios com capacidade para processar e armazenar o petróleo, e provera transferência do petróleo e/ou gás natural. No convés do navio, é instalada um planta deprocesso para separar e tratar os fluidos produzidos pelos poços. Depois de separado daágua e do gás, o petróleo é armazenado nos tanques do próprio navio, sendo transferidopara um navio aliviador de tempos em tempos.

O navio aliviador é um petroleiro que atraca na popa da FPSO para receber petró-leo que foi armazenado em seus tanques e transportá-lo para terra. O gás comprimido éenviado para terra através de gasodutos e/ou re-injetado no reservatório. Os maiores FP-SOs têm sua capacidade de processo em torno de 200 mil barris de petróleo por dia, comprodução associada de gás de aproximadamente 2 milhões de metros cúbicos por dia.

Os principais tipos de plataformas offshore são ilustrados na figura 4.21

Figura 4.21: Principais plataformas offshore - A) Plataforma Fixa, B) FPSO, C) NavioSonda, D) Plataformas Semi-submersíveis, E) Plataformas auto-eleváveis, F) TLP

Nos próximos parágrafos descreveremos os principais conceitos necessários para ummelhor entendimento da aplicação de SHM em plataformas offshore. A saber, serão des-critas uma visão geral da aplicação, caracterização do hardware utilizado, questões ine-rentes a aplicação como confiabilidade, sincronismo e compressão de dados.

4.4.1 Visão Geral

As RSSF apresentam como uma de suas características mais fortes a capacidade demonitorarem variáveis de forma remota. Combinado com seu elevado grau de flexibili-dade, as RSSF possuem um excelente nível de granularidade permitindo que aplicaçõesde SHM possam ser implementadas com níveis bastante altos de otimização.

A grande quantidade de trabalhos encontrado relacionados com esta aplicação [Lynchet al. 2006, Swartz et al. 2005, Caffrey et al. 2004, Kim et al. n.d., OU & LI 2004, Taieret al. 2002] demonstra o grande interesse por melhorias tecnológicas neste setor. A mo-tivação da elaboração de aplicações com RSSF relacionadas com plataformas offshoreforam extraída destes trabalhos.

SHM possui seu foco de desenvolvimento voltado para tecnologias que avaliam aestrutura de construções, pontes, plataformas offshore, etc. A grande maioria dos sistemasSHM implementados atualmente utilizam o meio cabeado para transportar as informaçõescoletadas a partir de uma análise vibratória da estrutura física estudada. Esta análisevibratória pode ser obtida através de excitações naturais (ventos fortes, terremotos) oupor excitações artificiais (passagens de carros pesados, atuadores). Após medições devibrações serem realizadas e armazenadas, estas serão enviadas a uma estação central para


que uma avaliação dos resultados possa ser feita. O grande problema neste ambiente dedesenvolvimento é a questão que estas estruturas apresentam tamanho físico relativamentegrande. Mudanças no layout da aplicação exigem que toda estrutura de cabos seja alteradapara que a aquisição de dados possa ocorrer, e em muitos casos esta mudança necessitaque buracos e tubos sejam inseridos na estrutura para permitir a passagem dos cabos.Desta forma, tornando a otimização da aplicação com o uso de cabos para transmitiros dados adquiridos bastante cara e proibitiva. Baseado nessas características é que amotivação para o uso das RSSF nesta aplicação foi exarcebada. As RSSF prometemgrandes benefícios relacionados com a facilidade e flexibilidade no desenvolvimento daaplicação bem como na redução da manutenção e no custo do sistema.

Lynch et al. (2001) foi um dos primeiros trabalhos relacionados com o desenvolvi-mento de aplicações em SHM com RSSF. O mesmo realizou a modelagem e a prova decomo um sensoriamento que utilizasse baixa potência poderia ser utilizado para medirdados da estrutura física, no caso do exemplo desenvolvido por ele, de uma ponte. Naaplicação desenvolvida um nó sensor ligado diretamente (simples hop) à estação basefornecia dados para a aplicação cliente.

Em contraste com o sistema descrito anteriormente, o projeto Wisden [Caffrey et al.2004] apresenta grande melhoria para o desenvolvimento das SHM. Primeiramente foiimplementada a funcionalidade de transporte utilizando multi-hop. Esta implementaçãoproporciona grande flexibilidade para a disseminação de informações coletadas em áreasgeograficamente distantes. Um fator intrínseco do transporte multi-hop é a questão daconfiabilidade dos dados transmitidos. Para as aplicações de SHM é esperado que osdados transmitidos apresentem um elevado grau de confiabilidade, mudanças na integri-dade da informação não deve ser suportado. Um terceiro fator implementado no sistemaWisden foi a questão do sincronismo. Devido a grande granularidade das RSSF, váriossensores podem coletar informações em instantes de tempos diferentes, por isso que ummecanismo de sincronismo deve ser implementado para que a estação base possa deter-minar em que instante de tempo determinado nó sensor gerou uma informação.

Para o desenvolvimento da aplicação de SHM em plataformas offshore será adotadoo sistema Wisden. Na nossa aplicação dezenas de nós sensores serão espalhados por umaplataforma offshore em diferentes localizações. Cada nó sensor é dotado de acelerômetroscom capacidade de sensoriamento de vibração nos 3 eixos (3 canais de dados). Umaestação base localizada em uma sala na plataforma, funciona com o servidor da aplicação.Nesta estação os dados dos nós sensores serão impressos para que técnicos possam avaliaros resultados de uma determinada experiência. Os nós sensores estão configurados parase auto-configurar em uma topologia em árvore e então enviarem os dados coletados parao nó sink da rede. O nó sink é responsável por encaminhar a informação para a estaçãobase. Um ponto importante é que esta informação disseminada pelo nó sink deve ter suaintegridade bastante confiável além de requisitos de sincronismo citados anteriormente.Nós sensores podem ser adicionados e removidos da rede sem muita dificuldade, fazendocom que a aplicação possua grande flexibilidade no que refere-se a instalação.

O aumento do número de nós sensores deve ser realizado com um certo cuidado. Éimportante notar que cada nó sensor apresenta 3 canais destinados para coleta de dados. Oaumento exorbitante dos nós sensores pode exceder os limites de transmissão das RSSF.


Para exemplificar esta situação basta analisar que um acelerômetro (3 eixos) gera amostrasde dados (16 bits) em uma freqüência de 100Hz (esta freqüência é típica de aplicaçõesSHM) fazendo com que um fluxo de dados gere transmissões aproximadamente de 5 kbps.Para uma rede com 20 nós sensores esta taxa pode chegar a 100kbps. O rádio Chipcon,presente nos Mica2s (nó sensor suportado pelo Wisden), apresenta uma limitação comrelação a taxa de transmissão de 19.9 kbps, entretanto na prática é percebido que estataxa apresenta-se mais próxima da faixa de 10kbps. Claramente é notado que a aquisiçãocontínua de dados para umas dezenas de nós sensores é inviável quando relacionado alimitação da taxa de transmissão.

Felizmente, a grande maioria das aplicações SHM necessita que coleções de dadossejam feita apenas em determinados instantes de tempo. Estas medições podem ser feitasquando determinados eventos ocorrem, estes eventos podem ser naturais ou artificiais.Quando os nós sensores não estão transmitindo, os mesmos podem entrar em um modode funcionamento de baixo consumo de energia (sleep) ou então podem coletar dadose armazená-los em memória local para uma posterior compressão de dados (será faladomais na frente). Os novos desenvolvimentos de rádios ZigBee estão propiciando que alimitação da taxa de transferência sejam um pouco alargadas ( 250kbps) fazendo com queo desenvolvimento da aplicação possa suportar de 50-100 nós sensores.

4.4.2 Características do hardware

Nossa aplicação é modelada baseada no sistema Wisden que adota como nó sensora plataforma Mica2. Para realizar medições de vibração é necessário que o nó sensorpossua acelerômetros. Esses acelerômetros são caracterizados por várias propriedades,dentre as quais podemos citar: sensibilidade (capacidade de realizar medições com umcerto grau de precisão) cuja grandeza de medição é o g (aceleração da gravidade), faixade medição (faixa de acelerações que o dispositivo pode medir em g’s) e o ruído (expressocomo função da freqüência de vibração).

Geralmente as aplicações SHM adotam em suas propriedades acelerômetros comgrande capacidade de medição (faixa de medição variando de 1-2 g’s, sensibilidade nafaixa dos µg e baixa incidência de ruído). Sabendo que os Mica2 não são dotados deacelerômetros com um grau de precisão necessário para esta aplicação foi adotado umcartão de expansão para o nó sensor com a capacidade de sensoriar vibrações com umnível relativamente alto de precisão. O cartão permite que amostras de vibração sejamcoletadas numa freqüência de 5-20000 Hz (o cartão possui implementado em firmwarefiltros anti-alising) com dados de 16 bits a partir de 4 entradas analógicas. Os dados pro-vindos dessas entradas passam por um conversor analógico/digital de 16 bits localizadona placa de desenvolvimento do Mica2. O cartão também possui a capacidade de medirvibração nos 3 eixos com uma faixa de valores variando de -2.5g a 2.5g. Toda informaçãogerado pode ser armazena na memória(SRAM) interna do Mica2, cuja capacidade é deaproximadamente 64k bytes.

Com relação ao consumo de energia, o cartão de expansão foi modelado para fun-cionar com um baixo consumo de energia, desta forma otimizando a vida útil do nósensor. O nó sensor é alimento por duas baterias controladas cujo funcionamento total


só é configurado durante a transmissão dos dados. Em outras operações existe apenas ofuncionamento de uma delas. O consumo de energia durante a transmissão é estimado emtorno de 100mA com uma tensão nominal nas baterias por volta de 5V. Para otimizaçãodo gasto de energia foi implementado um tempo de hibernação do nó sensor para que omesmo seja praticamente desligado, nesta configuração o consumo de energia pode cairpara aproximadamente 50µA.

4.4.3 Confiabilidade dos dados transmitidos

A transmissão de dados com precisão da integridade é um requisito fundamental paraas aplicações que envolvem SHM. O nó sink ao entregar os dados ao servidor, deve ga-rantir que estas informações possuam um elevado grau de confiabilidade. Para que esterequisito seja atingido foi desenvolvido um mecanismo que mistura as técnicas de re-cuperação de erros baseadas em hop-by-hop e end-to-end. Esta mistura foi necessáriadevido as perdas de pacotes de dados existentes nas RSSF poderem chegar a índices de30% conforme demonstrado em Zhao & Govindan (2003). Nesta seção descreveremos oprocedimento de entrega confiável dos pacotes de dados e a configuração da topologia emque a rede está inserida.

O primeiro procedimento que descreveremos será configuração da topologia.Como a aplicação de SHM voltada para plataformas offshore que estamos modelandoé baseada no sistema Wisden, procuraremos adotar a mesma topologia que este sistemaimplementa. Os nós sensores procuram uma auto-configuração baseado em uma estruturade árvore onde o nó root é representado pelo nó sink da rede. A modelagem em árvorepara esta aplicação foi desenvolvida por A. et al. (2003). Nesta visão os nós selecionamseus pais na árvore baseado em métricas da rede, para este exemplo de aplicação foi utili-zado o nível de confiabilidade do pai com relação as perdas de pacotes transmitidos comoa métrica escolhida para seleções.

A confiabilidade da entrega de dados será o outro ponto descrito nesta seção.Como havíamos citado anteriormente, esta confiabilidade é garantida através da misturadas técnicas hop-by-hop e end-to-end. Cada nó sensor transmite para seu respectivo paiamostras de vibração contidas em sua memória. Os pais por sua vez guardam em memóriao histórico dos pacotes de seus filhos. Quando um gap é encontrado entre as seqüênciasde pacotes transmitidos para um determinado filho é criada a ocorrência de uma perda depacote. Neste instante uma tupla contendo o identificador do nó e número da seqüência dopacote perdido é inserido em uma lista. Mensagens de recuperações são enviadas basea-das em tais listas. Nós sensores guardam um pequeno cache com os pacotes transmitidosrecentemente, tornando possível a recuperação de informação perdida.

As perdas de pacotes são geralmente recuperadas pela técnica hop-by-hop cuja de-monstração foi descrita anteriormente. Entretanto a existência de 2 fatores fazem com queexista a necessidade da implementação da técnica end-to-end. O primeiro fator está rela-cionado com o grande número de pacotes perdidos. A ocorrência deste fenômeno podeprovocar o overflow de memória provocado pela grande tamanho das listas de perdas depacotes. O segundo fator está relacionado com a mudança de topologia. Um mecanismode whatchdog pode ser implementado para limpar memória e até mesmo atualizar o sta-


tus de nós na topologia, fazendo com que conexões sejam desfeitas. Nó momento emque a topologia muda, determinados nós podem apresentar dados inconsistentes em suaslistas de perdas de pacotes, fazendo com que determinadas informações não possam serrecuperadas. Por exemplo, quando um nó seleciona um novo pai, o seu pai antigo nãomais conseguirá recuperar algum pacote perdido deste nó, pois este não estará mais emsua tabela de roteamento.

O mecanismo de recuperação de pacotes baseado na técnica end-to-end é bastante pa-recido com a técnica anterior, entretanto a técnica descrita neste parágrafo apresenta umavisão mais global da recuperação. Esta técnica é baseada na grande capacidade de arma-zenamento do nó sink quando comparado com os outros nós da rede. Tal característicafaz com que o nó sink possa guardar informações de todas as perdas de pacotes geradasna rede, tratando a recuperação como um hop-by-hop global. Dessa maneira, quando umnó filho do sink descobre que uma perda ocorreu, mensagens de recuperação são transmi-tidas para baixo na árvore em direção aos seus nós filhos até que a informação do pacoteperdido seja descoberta e esta possa ser recuperada.

4.4.4 Compressão dos dados

Nesta seção descreveremos o segundo aspecto levado em consideração na modela-gem da aplicação de SHM em plataformas offshore. Enquanto que alguns trabalhos[I.et al. 2000] buscam na agregação de dados com escolhas de melhores caminhos de rotea-mento para aumentar o tempo de vida da rede procuraremos em nossa modelagem adotarum mecanismo de compressão dos dados para otimização da rede. Os dois principaismotivos desta compressão estão vinculadas a limitação do rádio e alta latência das trans-missões. Como foi mostrado na seção 4.4.1, uma pequena quantidade de nós sensorespodem facilmente consumir uma considerável fração da faixa de transmissão disponíveldo rádio. Para que essas quantidades de nós sensores transmitam essas informações den-tro da faixa limitada pelo rádio é necessário que a latência de transmissão não seja umrequisito crítico da aplicação, fato que não ocorre na nossa aplicação.

A técnica de compressão foi escolhida a partir dos testes realizados pelo sistema Wis-den. Uma amostra de uma determinada medição de vibração em um teste realizado porCaffrey et al. (2004) (figura 4.22) apresentou uma maior concentração de energia embaixas freqüências. Esta característica motiva a adoção do método de compressão porWavelet[da Fonseca 2004], que é especializado para compressão de sinais cuja energia éconcentrada em baixas freqüências.

Basicamente o procedimento por Wavelet utiliza uma determinada função como base,geralmente a literatura[da Fonseca 2004] chama esta função de Wavelet mãe ou Wave-let base. Este procedimento apresenta sua análise tanto no domínio da freqüência comono tempo. O domínio do tempo é caracterizado por uma contração de base Wavelet emalta freqüência enquanto que o domínio da freqüência é analisado a partir da expansão dabase Wavelet em baixa freqüência. Como os dados originais coletados pelos nós sensorespodem ser representados em termos de uma expansão de Wavelet (usando coeficientesem uma combinação linear das funções Wavelet) é possível representar a informação demaneira mais esparsa desde que sejam escolhidos coeficientes próximos de zero. Ou-


Figura 4.22: Amostra de vibração coletado pelo sistema Wisden

tra otimização pode ser realizada a partir de truncamentos baseados em um determinadolimiar.

Os esquemas de compressão de dados apresentam dois principais tipos: com perdase sem perdas. No método com perdas as informações ao serem reconstruídas após umadescompressão apresentam perdas de dados quando comparadas com a informação ori-ginal enquanto que no método sem perdas ocorre o contrário. Para a aplicação de SHMem plataformas offshore foi adotado o mecanismo de compressão com perdas de dadosdevido este método estar mais relacionado com as restrições de hardware presentes nonós sensores.

A figura 4.23 ilustra o modelo genérico para o processo de compressão de dados.Pode-se perceber a existência de 3 fases distintas: transformada, quantização e codifica-ção. Na fase de transformada o esquema do procedimento por Wavelet descrito anteri-ormente é implementado, onde a eliminação das redundâncias (correlações) existente nosinal é o seu principal objetivo. Durante a fase de quantização os coeficientes de Waveletgerados na fase anterior são substituídos por uma variável quantizada com valores finitosnuma determinada faixa de números reais. Os coeficientes quantizados são codificadosem números finitos de bits de maneira que a taxa de distorção seja otimizada. Por fim,durante a fase de codificação os dados são ordenados de maneira adequada para que sejamarmazenados e transmitidos.


Figura 4.23: Princípio básico do processo de compressão dos dados

4.4.5 Sincronização dos dados

Geralmente os sistemas de monitoramento remoto implementados com RSSF forne-cem nos servidores das aplicações um sistema supervisório capaz de detectar as informa-ções coletadas pelos nós sensores. As informações contêm o instante aproximado em queforam coletadas. Para que esta característica seja implementada na rede é de fundamentalimportância que mecanismos de sincronização sejam utilizados. Um mecanismo clássicopara sincronização é o GPS, entretanto o adicionamento do mesmo nos nós sensores é in-viável. Uma outra solução esta relacionada com a sincronização global de todos os clocksdos nós sensores. Esta solução adiciona um grande overhead na transmissão dos pacotesalém de poder provocar sensíveis desvios na qualidade do sincronismo.

A solução proposta para aplicação de SHM em plataformas offshore será baseada naadição de pequenos custos ao pacote de dados durante a passagem pelos diversos nóssensores. Na medida que nós sensores vão coletando dados a hora de seus clocks vãosendo armazenadas na memória juntamente com os dados coletados. Este procedimentoé necessário para que os nós sensores possam determinar o instante de tempo em quedeterminada informação foi gerada. No momento da transmissão de um pacote a horaarmazenada em memória para este pacote é subtraída do tempo atual no clock e o resul-tado é adicionado ao pacote de dados. Para o contexto da sincronização desta aplicaçãoo tempo de transmissão de um pacote enviado de um nó sensor para um outro pode serdesprezado. Durante o roteamento do pacote são adicionadas medições para o tempo deresidência deste pacote em cada nó sensor. Para que o nó sink possa estimar o tempo emque determinada informação foi gerada é realizada a subtração da hora atual do nó sinkpelo valor acumulado no pacote de dados correspondente ao tempo de residência total.


O mecanismo de sincronização pode ser ilustrado pela equação 4.1 que está baseadana figura 4.24. No nosso exemplo o tempo tp pode ser desprezado enquanto que o tempode residência tn é constantemente calculado pela equação. Para o exemplo da figura 4.24o nó sink calculará o tempo aproximado em que o nó sensor A gerou uma determinadainformação como sendo igual a: Stempoatual - TA

TA�

i � 3

∑i � 0

t iAn

�i � 3

∑i � 0

t iAp (4.1)

Figura 4.24: Sincronização dos dados


Fatores PropriedadesConfiabilidade Alta

Sincronismo da informação PrecisoGranularidade Alta

Topologia Baseada em árvoreNó sensor Mica2

Fluxo de informação BaixoSegurança Ausente

Compressão de dados PresenteConsumo de energia Alto

Tempo de vida Dias

Tabela 4.6: Características básicas relacionadas com a aplicação de Monitoramento deplataformas offshore

4.5 Monitoramento de dados sísmicos

Nesta seção descreveremos basicamente uma aplicação de monitoramento remoto dosdados coletados por processos sísmicos em reservatórios de hidrocarbonetos. A prospec-


ção sísmica em reservatórios tem apresentado nos últimos anos como uma das melhoresferramentas indiretas na exploração de hidrocarbonetos. Basicamente o processo buscaadquirir através de dados sísmicos propriedades das rochas presentes no interior da terrapara que uma análise da presença de hidrocarbonetos em uma determinada região possaser realizada.

O funcionamento do processo é baseado na geração de ondas sísmicas em ambientesonshore e offshore apartir de explosões de dinamite e canhões de ar comprimido respec-tivamente. As ondas geradas são propagadas no interior da terra e em seguida refletidasaté serem capturadas por geofones ou hidrofones. A aplicação sugerida nesta seção buscamonitorar as informações coletadas por estes geofones ou hidrofones através das RSSF.A seção é dividida basicamente em duas partes, a primeira contendo uma introdução umpouco mais técnica do problema enquanto que a segunda apresenta uma modelagem dasRSSF adotada na aplicação.

4.5.1 Visão Geral

A Geofísica é uma área de pesquisa que busca estudar a Terra baseada em variáveisfísicas coletadas em sua superfície. Os dados coletados inferem sobre determinadas pro-priedades da estrutura e composição geológica nas mais diversas áreas. O grande avançoapresentado por esta área de pesquisa tem proporcionado grande aplicabilidade para ex-ploração de hidrocarbonetos. Como exemplo de aplicação podemos citar o método deexploração sísmica por reflexão.

O método de exploração sísmica por reflexão é baseado na geração de ondas sísmicasartificiais através de explosivos, canhões de ar comprimido, caminhões vibradores ououtras fontes sísmicas. As ondas geradas são propagadas para o interior da terra podendoser refletidas ou refratadas durante suas trajetórias. A onda é refletida no momento emque se encontra com camadas que apresentam características elásticas diferentes e logoem seguida é capturada por geofones ou hidrofones.

Segundo de Matos (2004) os tempos de chegada de cada reflexão são relacionadoscom as velocidades de propagação da onda sísmica em cada camada enquanto que a am-plitude da onda está vinculada ao efeito da impedância acústica. Estas duas característicassão de fundamental importância para análise dos comportamentos das estruturas no inte-rior da terra possam ser estudadas.

O método de exploração por sísmica apresenta uma complexidade relativamente alta,entretanto para um melhor entendimento do seu funcionamento o mesmo pode ser divi-dida em 3 partes:

� Aquisição sísmica� Processamento sísmico� Interpretação sísmica

A aquisição sísmica é uma das tarefas mais importantes para a modelagem dométodo de exploração por sísmica. Esta fase é responsável por adquirir informação dasestruturas geológicas apartir das ondas refletidas que foram geradas por fontes sísmicas.


Um levantamento sísmico padrão é formado por vários tiros sísmicos originados de diver-sas localizações. A figura 4.25 ilustra o processo de aquisição sísmica terrestre e marinhaonde pode-se perceber a função vital de absorção de dados para os geofones e hidrofo-nes. Um outro fator de grande interesse para aquisição sísmica esta relacionado com suaclassificação. Quando a aquisição sísmica é realizada em uma única linha, conforme afigura 4.25 diz-se que a aquisição é do tipo 2D. Quando a modelagem é realizada comlinhas em paralelo é caracterizada uma aquisição 3D. Atualmente sísmica 4D[Risso &Schiozer 2006] está sendo utilizada para comparação das reservas de hidrocarbonetos nasregiões em diferentes épocas. Este novo tipo nada mais é do que uma extensão da sísmica3D onde a variável tempo é inserida para adicionar a outra dimensão.

Figura 4.25: Aquisição sísmica terrestre e marinha

A fase de processamento sísmico tem a responsabilidade de otimizar o sinal co-letado principalmente com ajustes relacionados com as posições dos geofones ou hidrofo-nes para que os dados possam representar estruturas geológicas mais precisas. Melhoriascom relação ao nível do ruído relacionado com o sinal também são analisados por estafase.

A fase de interpretação sísmica é a última fase no desenvolvimento da explo-ração sísmica por reflexão. Durante esta fase análises dos dados obtidos nas fases anteri-ores são realizados por peritos para que inferências sobre a ocorrência de hidrocarbonetosnos reservatórios possam ser realizadas. Estas inferências são os principais objetivos daanálise da exploração sísmica por reflexão. Poços de petróleo são perfurados baseadosem tais informações.

Para o contexto das RSSF procuraremos enfatizar a fase de aquisição sísmica para aexploração sísmica por reflexão, conforme ilustrado na figura 4.26. A grande diversidadede geofones ou hidrofones e o processo de comunicação destes com a estação base sãoas motivações da inserção das RSSF em tal ambiente. Atualmente a comunicação dosgeofones com a estação base é realizada através de cabos fazendo com que a manutenção


do sistema para uma densidade grande de geofones seja realizada com grande esforçofísico. Nesta aplicação a latência de transmissão dos dados não é um requisito criticoentretanto a confiabilidade dos dados deve possuir uma grande prioridade de QoS.

Figura 4.26: Domínio das RSSF em exploração sísmica por reflexão

4.5.2 Modelagem da aplicação

Nesta seção procuraremos descrever a arquitetura da aplicação bem como seus requi-sitos e protocolos utilizados. Como havíamos adiantado na seção anterior, as RSSF serãoutilizadas na exploração sísmica por reflexão durante a fase de aquisição sísmica. A mo-delagem da aplicação será voltada para a exploração sísmica por reflexão em ambientesonshore onde a utilização de explosões por dinamites ou caminhões vibratórios é usadocomo fonte de ondas sísmicas. A modelagem em ambientes offshore não será utilizadapor este trabalho devido as mudanças significativas que deveriam ser implementadas nasRSSF, como por exemplo a comunicação acústica sob a água. Alguns trabalhos com re-des de sensores com comunicação acústica podem ser encontrados na literatura [Akyildizet al. 2006, Heidemann et al. 2006].

As características básicas da fase de aquisição sísmica estão relacionadas principal-mente com a grande densidade de geofones e pela dificuldade de manutenção e instalaçãodo sistema. As RSSF para esta aplicação será formada por nós sensores dotados de ge-ofones e com grande capacidade de armazenamento. Um mecanismo de confiabilidadedeve ser implementado na rede para que informações sejam disseminadas com um mí-nimo de erro possível, sendo este um dos requisitos críticos da aplicação. Na estação baseusuários remotamente acionam fontes de ondas sísmicas no campo enquanto que a grandedensidade de nós sensores captam informações de ondas refletidas do interior da terra. Osdados coletados são transmitidos para os nós líderes dos clusters que se responsabilizampor transmitir a informação ao nó sink. Este nó está conectado ao gateway que realizaa comunicação da RSSF com a estação base por um link wi-fi. A figura 4.27 ilustra amodelagem descrita anteriormente.

4.5.3 Arquitetura baseada em agentes

A modelagem descrita na seção 4.5.2 foi fundamental para dar uma visão geral dasRSSF na aplicação de exploração sísmica por reflexão. A arquitetura adotada para estaaplicação foi baseada em tal modelagem onde o conceito de agentes [Hussain et al. 2006]


Figura 4.27: Arquitetura das RSSF em aplicações de exploração sísmica por reflexão

será introduzido nas RSSF. Segundo Martins (2002) um agente é uma entidade que atuacomo representante de outra entidade com o propósito de desempenhar ações benéficaspara a parte representada, desta forma agentes podem atuar de forma autônoma intera-gindo com determinados ambientes.

Agentes nas RSSF podem atuar na comunicação com todos nós sensores, criação declusters, designação de nós líderes, monitoramento do status descritos nos nós sensorese análises de decisões baseado num funcionamento de elevada autonomia. Desta forma,os agentes podem atuar como o intermediador entre as aplicações usuárias e as RSSFabstraindo informações complexas de protocolos para os usuários. Trabalho bastante pa-recido com a descrição dos agentes foi implementado por Delicato et al. (2004) onde aabordagem de middlawares foi descrita como forma de abstrair para o usuário a melhorescolha de protocolos para uma determinada aplicação em RSSF.

A arquitetura baseada em agentes para aplicação das RSSF em exploração sísmica porreflexão é descrita na figura 4.28. Como pode-ser perceber esta arquitetura é baseada em4 partes principais: usuário, aplicação usuária, softwares agentes e as redes de sensores.O usuário é a entidade que administra a rede, realiza requisições através da aplicaçãopara RSSF visando determinar configurações nos nós sensores. Agentes como descritosanteriormente são entidades que apresentam relativa inteligência computacional sendoutilizadas para processar as requisições das aplicações. Por fim os nós sensores são asentidades responsáveis por monitorar os fenômenos físicos no ambiente desejado.

O agente roteador é uma entidade implementada na estação base que possui grandeutilidade para otimização dos mecanismos relacionados com o roteamento de dados.Apresenta grande capacidade de processamento, como veremos a seguir uma implemen-tação de um algoritmo genético é realizada nesta entidade para que criações de clusters eo gerenciamento otimizados dos nós sensores possa ser realizados.

O agente query é a entidade responsável por entregar requisições da aplicação para as


Figura 4.28: Arquitetura baseada em agentes para RSSF

RSSF. As respostas destas requisições são entregues a esta entidade. Nos nós sensoressão implementados agentes query proxy com a finalidade de realizar requisições de maisbaixo nível aos sensores, estes query devem ser implementados com requisitos de baixoconsumo de energia e com uma alta confiabilidade dos dados. Um outro mecanismoimplementado nos nós sensores é o agente roteador proxy cuja função está vinculadoprincipalmente no roteamento de dados por parte dos nós sensores com o agente roteador.

A aplicação funciona basicamente de duas maneiras: usuário ou nó sensor inicial-mente envia requisições. Quando o usuário envia uma requisição através da interaçãocom a aplicação, a entidade representada pela aplicação envia por sua vez uma requisiçãopara o agente query. O agente query propaga esta requisição para o agente roteador queatravés de um mecanismo de roteamento transmite a informação para a RSSF. A requi-sição é enviada para um determinado cluster, que neste caso é representado por seu nólíder. O nó líder é responsável por transmitir a requisição para o nó sensor responsávelpor responder esta requisição. O nó sensor faz o tratamento desta requisição através doagente roteador proxy e do agente query proxy, ambos representados na figura 4.28. Ocaminho inverso é realizado para que a resposta chegue até a aplicação cliente.

A última unidade que descreveremos para a arquitetura de agentes será o agente ro-teador. Conforme a figura 4.28 é percebido que esta unidade é formada por 4 entida-des: aprendizagem, resolução de problemas, gerenciador de tarefas e comunicação. Aentidade de aprendizagem utiliza um algoritmo genético para realizar uma configu-ração otimizada do número de nós e de transmissões. O algoritmo funciona da seguinteforma, inicialmente é criada uma população inicial com um grande número de clusters,com a quantidade de nós sensores atuais e suas capacidades de energia. Essas informa-ções são obtidas do banco de dados implementado no agente roteador. Várias geraçõessão criadas para que cromossomos ótimos apresentem um valor de convergência para a


função de avaliação do algoritmo. Segundo Shakshuki et al. (2005) a função de avaliaçãodo algoritmo é baseada nos seguintes parâmetros: distância direta para o sink, distânciado cluster, desvio da distância para o cluster, energia restante, energia transferida, númerode transmissões e o número de frames transmitidos. A solução fornecida pelo algoritmofornece as características necessárias para que a RSSF possa funcionar de forma otimi-zada, dentre os dados fornecidos podemos citar: número de clusters, quantidade de nóspor clusters e a quantidade de transmissões para uma determinada configuração. Após asolução ser fornecida pelo algoritmo a mesma é armazena no banco de dados do agenteroteador.

A entidade resolvedor de soluções tem a responsabilidade de decidir a partirdas informações armazenadas no banco de dados do agente roteador qual a melhor rotade transmissão para uma determinada configuração. Esta entidade envia sua decisão parao gerenciador de tarefas onde a responsabilidade de determinada função será atri-buída para algum nó da rede. Após essas decisões serem realizadas o agente roteadordesigna à entidade de comunicação para realizar a entrega da respectiva requisição aodestinatário correspondente.


Fatores PropriedadesConfiabilidade AltaGranularidade Alta

Sensores AcústicoArquitetura Baseada em agentes

Capacidade de armazenamento AltoConsumo de energia Alto

Tempo de vida Dias

Tabela 4.7: Características básicas relacionadas com a aplicação de monitoramento dedados sísmicos

Capítulo 5

Conclusões

Este trabalho procurou descrever a tecnologia de Redes de Sensores sem Fio apli-cada no setor de petróleo e gás natural. As características básicas inerentes a esta novatecnologia bem como os requisitos necessários de algumas aplicações deste setor são osprincipais aspectos discutidos durante o trabalho.

5.1 Principais contribuições

Várias abordagens sobre aplicações das redes de sensores sem fio foram relacionadasneste trabalho. Sem dúvida, os avanços tecnológicos presentes nos dispositivos MEMS(Sistemas Micro-Eletrônicos) têm proporcionado as RSSF (Redes de Sensores sem Fio)um leque de aplicações nas mais diferentes áreas do conhecimento humano. Em espe-cífico, aplicações envolvendo ambientes industriais do setor de P&G tem demonstradoser uma área de grande conexão para esta tecnologia. Monitoração remota de processos,detecção de falhas, manutenção preditiva e várias outras abordagens na indústria de P&Gapresenta resultados bastante satisfatórios com a adoção das RSSF.

5.1.1 Arquiteturas e protocolos utilizados

A descrição das principais características das RSSF foi de suma importância para amodelagem das aplicações. Mecanismos e protocolos inerentes a esta tecnologia são vi-tais para que os projetistas das aplicações possam desenvolver projetos mais eficientes ecom um menor gasto possível. Um mecanismo de middleware citado neste trabalho apre-senta grande importância para otimizações da escolha de um determinado protocolo parauma aplicação específica. A escolha desse protocolo é realizada de forma transparentepara os projetistas da aplicação. A importância deste mecanismo está vinculada a perdade desempenho das aplicações quando configuradas com protocolos genéricos.

A caracterização das principais arquiteturas de software e hardware usadas nas RSSFtambém teve papel decisivo para a implementação das aplicações. A utilização do sistemaoperacional TinyOS foi escolhida para o projeto das aplicações devido a grande quanti-dade de material disponível em pesquisas no meio acadêmico e também pela facilidadede programação. A arquitetura de hardware utilizada na modelagem das aplicações foi afamília de nós sensores motes. Esta família de nós sensores apresenta bastante robustez

CAPÍTULO 5. CONCLUSÕES 75

e eficiência na sua execução. A implementação de funcionalidades que otimizam o gastode energia, a facilidade de aquisição e suporte ao sistema operacional TinyOS foram asoutras características que fizeram a escolha desta família de nós sensores.

5.1.2 Contribuições das aplicações

Um dos principais pontos a ser levado em consideração na modelagem de uma apli-cação em RSSF (Redes de Sensores sem Fio) é o conhecimento prévio do domínio daaplicação. Neste caso o estudo dos requisitos básicos das aplicações relacionadas como setor de P&G foram realizados. As aplicações deste setor que foram modeladas nestetrabalho com a utilização das RSSF apresentaram vantagens práticas bastante visíveis.As melhorias foram observadas principalmente no que se refere a facilidade de configu-ração e monitoração remota das variáveis contidas nas aplicações. Os protocolos de auto-adaptação e descobertas de serviços implementados nas RSSF demonstraram ser eficientepara os requisitos deste domínio de aplicação. A capacidade de disseminar os dados emambientes distribuídos através de uma região relativamente extensa é uma das capaci-dades mais poderosas das RSSF bem como um dos requisitos principais das aplicaçõesrelacionadas com o setor de P&G. Dados remotos podem ser acessados de supervisóriosa partir de informações coletadas em nós sensores.

Na aplicação de monitoramento remoto de alguns equipamentos em refinarias pode-se constatar o poder da disseminação dos dados nas RSSF. A flexibilidade da leitura dosdados proporcionada pelas RSSF diminui sensivelmente o custo e melhora a precisão dainformação coletada. A conseqüência desses fatores minimiza o custo final da aplicação.Uma vantagem direta da utilização das RSSF nesta aplicação está vinculada ao aumentodo processo de automação na medida que visitas técnicas aos locais onde os equipamentosestão instalados são evitadas. As técnicas tradicionais utilizam medições manuais nosequipamentos, resultando em amostras de dados com erros e com um tempo de coletarelativamente grande.

Na aplicação de monitoramento de máquinas em um návio tanque foram descritos al-guns problemas encontrados nas RSSF principalmente no que se refere a interferência dosinal transmitido. Esta característica é de grande importância para as aplicações do setorde P&G, já que tais aplicações são instaladas em locais onde estes tipos de perturbaçãoocorre com freqüência.

As limitações físicas presentes nos componentes das RSSF foram descritas na apli-cação de monitoramento em plataformas offshore. Devido os requisitos da aplicação, ovolume e o tamanho dos dados transmitidos é relativamente grande transbordando destaforma as limitações físicas impostas pela RSSF. A resolução do problema foi descrita apartir de técnicas de segmentação e compressão dos pacotes de dados.

Uma outra característica das RSSF foi proposta pela aplicação relacionada com omonitoramento de dados sísmicos. Nesta aplicação a grande densidade de nós sensoresrequer a criação de um mecanismo capaz de otimizar a organização da topologia ado-tada pela aplicação. Um mecanismo baseado em agentes foi utilizado para garantir estaotimização.

CAPÍTULO 5. CONCLUSÕES 76

5.1.3 Trabalhos futuros

Os projetos futuros relacionados com o referido trabalho estão voltados principal-mente para a simulação das aplicações e posteriormente para uma implementação física.As simulações em RSSF podem ser realizadas a partir de alguns SO citados no trabalhoou por meio de implementações próprias. Levando em consideração que as empresas res-ponsáveis pela aquisição dos nós sensores disponibilizam gratuitamente sistemas super-visórios que implementam os protocolos das RSSF, é possível implementar nós sensoresem software que possam se comunicar com tais supervisórios. Uma das dificuldades prin-cipais desta abordagem será a implementação do protocolo Zigbee nestes componentes.

Após realizadas simulações em uma determinada aplicação, aquisições dos nós senso-res podem ser feitas para uma possível implementação física em um ambiente real. Estassimulações são de grande importância para poder otimizar a quantidade de nós sensorese como conseqüência diminuir os orçamentos da aplicação.

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