Utilização das Aplicações Telemáticas no monitoramento de pastagem de gado nas comunidades rurais em Angola

Domingos Oliveira, nº 2012113340 e Mário Pereira, nº 2012116712Departamento de Engenharia Informática

Polo II da Universidade de Cimbra

3030 – 290 Coimbra, Portugal

Email: uc2012113340@student.uc.pt e uc2012116712@student.uc.pt

Resumo: Em Angola a principal fonte de alimento do gado é feito em função da

água e do pasto, de acordo com o regime de chuvas. Na época seca, quando se

esgotam os pastos adjacentes à habitação, verifica-se a transumância dos

animais [1]. Visando um melhor aproveitamento da pastagem, a proposta deste

artigo é apresentar uma arquitetura de uma rede de sensores sem fio, de baixo

custo, que permita produtores rurais comuns associados em comunidade para o

monitorar da pastagem do seu gado. Neste artigo é apresentado um estudo sobre

a utilização das aplicações telemáticas nas comunidades rurais em Angola .

Palavras Chaves: Pastagem de gado, redes de sensores sem fio, aplicações

telemática no monitoramento de pastagem.

1. Introdução

Angola, é um dos mais ricos países em agricultura da África Subsaariana. De facto,

antes da independência, Angola era não somente auto – suficiente, mas também um

importante exportador de produtos agrícolas, particularmente de café e sisal [1] . O

sector da pecuária concentra-se nas províncias do Sudoeste onde as mesmas têm

aproximadamente mais de dois milhões de cabeças de bovinos, distribuídas pelas

províncias do Cunene, Huíla e Namibe, com maior incidência para o Cunene [1].

Atualmente a gestão de animal necessita-se empregar tecnologias automatizadas, para

assim adequarmos ainda o rebanho ao ambiente. As novas tecnologias no geral surgiu

para facilitar a vida dos produtores de gado em geral. Com a aplicação das novas

tecnologias é possível fazer a coleta de dados, para serem analisados e utilizados para

uma boa produção, bem como para o bem bem-estar dos animais. Em Angola há

necessidade de utilizar métodos avançados de monitoramento, controle em sistemas

de produção animal.

1

A utilização de redes de sensores sem fios (RSSF) estão a ser cada vez mais utilizadas

em tópico de atividade de investigação. As RSSF estão a ser utilizadas em áreas de

investigação como o monitoramento de pastagem, a saúde, a prevenção de fogos, a

segurança e as áreas militares. Este tipo de redes permite acompanhar, monitorizar,

estudar, compreender e atuar um determinado fenómeno ou acontecimento.

Enquadramento

Em Angola a principal fonte de alimento do gado é feito em função da água e do

pasto, de acordo com o regime de chuvas. Na época seca, quando se esgotam os

pastos adjacentes à habitação, verifica-se a transumância dos animais associada a

aspectos culturais e simbólicos da população, onde permanecem até à renovação dos

pastos locais [1], obrigando os animais a percorrerem longas caminhadas a procura de

um bom local de pastagens, fazendo com que os mesmos animais passem dias e dias

sem comer e beber, coisa que leva muitos dos animais a ficarem pelo caminho.

Visando um melhor aproveitamento da pastagem, a proposta deste artigo, visa fazer

uma breve descrição de uma rede de sensores sem fio para o monitoramento de

pastagens nas comunidades rurais em Angola.

Objectivos

Este documento pretende realizar um estudo da utilização de redes sensoriais sem fio

no monitoramento de pastagem em comunidades rurais em Angola, bem como fazer

análise da utilização do padrão ZigBee.

Fazer um estudo da utilização de redes sensoriais sem fio no

monitoramento de pastagem em comunidades rurais em Angola;

Fazer análise das tecnologias para a implementação de uma rede de

sensores sem fio.

Trabalhos relacionados

2

Já existem alguns trabalhos de investigação desenvolvidos no domínio das aplicações

telemática, utilizando redes de sensores sem fio na agropecuária, indústria, saúde,

prevenção de fogos, a segurança bem como nas áreas militares.

SOARES (2012) [2], propôs a utilização de rede de sensores sem fio para localização

e monitoramento de pequemos ruminantes, o mesmo artigo tinha como objetivo

desenvolver um sistema composto por uma rede de sensores sem fio capaz de auxiliar

a análise do bem-estar animal por meio da medição de variáveis meteorológicas

(temperatura ambiente e umidade do ar) e da resposta fisiológica fornecida pelo

animal sob a forma de variações da frequência cardíaca.

NETO (2013) [3], o mesmo centrava-se na apresentação de uma arquitetura de

hardware e software, de baixo custo, que permitia os produtores rurais comuns

monitorar a pastagem utilizando uma aplicação web mobile.

OLIVEIRA (2013) [4], análise do desempenho de redes de sensores sem fio para

monitoramento de plantações irrigadas. No referido trabalho o autor fez uma proposta

de análise do desempenho de uma RSSF, baseada no padrão ZigBee e composta por

nós XBee-PRO ZB S2 aplicada no monitoramento de plantação irrigada.

FERNANDES (2012) [5], Comunicação Ad Hoc em Equipas de Robôs Moveis

Utilizando a Tecnologia ZigBee.

SAITO (2013) [4], Métodos de coleta de dados em redes de sensores sem fio.

BALDUINO e ROCHA (2013) [4], Simulação de uma rede sensor sem fio com base

nos padrões ZigBee e IEEE 802.11ah.

COSTA (2012) [4], Sistema de monitoramento e rastreamento por GPS e GSM.

TRENTIN (2011) [4], Sistema de localização e sensoriamento de objetos alvo

utilizando rede de sensores sem fio.

SILVA (2011) [4], Desenvolvimento de uma Rede de Sensores Sem Fio Utilizando

ZigBee para Aplicações Diversas.

CAMPOS (2011) [4], Roteamento em redes de sensores sem fio com base em

aprendizagem por reforço.

3

FERNANDES (2010) [4], Desenvolvimento de Sistemas Embarcados para redes de

sensores e atuadores sem fio aplicadas em unidades de elevação de petróleo do tipo

plunger-lift.

MARTINS E CONCEIÇÃO (2010) [4], estudo de viabilidade para implantação da

tecnologia wimax na rede municipal de ensino da cidade de guaíba-rs.

Estrutura do trabalho

O trabalho começa com uma introdução onde é apresentado os motivos do trabalho

em como os objetivos do mesmo, ainda temos em três secções onde a primeira é feita

o estudo da arte, tais como as características das redes de monitoramento e controle,

os conceitos básicos da rede de sensores sem fio, comparação com dos diversos

padrões e um resumo de outras redes sem fio dedicadas a esta aplicação. Já na

segunda parte é apresentada uma proposta de solução para a rede de sensor sem fio de

monitoramento de pastagem em comunidades rurais em Angola, e por ultimo temos

as conclusões do trabalho.

2. Fundamento Teórico

Introdução

A presente secção fará uma explanação sobre os pontos que forma importante para o

desenvolvimento do presente trabalho e bem como uma comparação da diversas

ferramentas de RSSF, e procurar entendimento dos procedimentos tomados para a

opção do RSSF (ZigBee).

Atualmente as redes de sensores sem fio são utilizados para permitir a aquisição de

dados de forma contínua no campo, estando disponível ao utilizador para a tomada de

decisões.

Apresentação de cada uma das propostas mais relevantes

Uma RSSF é uma tecnologia que utiliza comunicação sem fio para monitorar e

controlar variáveis ambientais através de nos equipados com sensores organizados de

4

acordo com varias topologias de redes [4]. As redes de sensores sem fio geralmente

são utilizadas em lugares, onde a utilização de comunicação com cabos é inviável. As

redes de comunicação sem fios geralmente são asseguradas por três tecnologias:

Bluetooth, Wi-Fi e ZigBee que tenham as seguintes normas IEEE 802.15.1,

802.11a/b/g e a 802.15.4, conforme a Figura 1.

Bluetooth

O Bluetooth é um protocolo padrão de comunicação primariamente projetado para

baixo consumo de energia com baixo alcance, (dependendo da potência: 1 metro, 10

metros, 100 metros) baseado em microchips transmissores de baixo custo em cada

dispositivo, que utiliza uma frequência de radio de onda curta. Foi criado pela

empresa sueca Ericsson em 1994, o nome foi escolhido em homenagem ao rei da

Dinamarca e da Noruega Harald Blatand que reino no século X.

Wi-Fi

A tecnologia Wi-Fi é uma marca registada pela Wi-Fi Alliance e foi que funciona por

meio de ondas de rádio, que são transmitida por meio de um roteador, que recebe os

sinais, descodifica e os emite a partir de uma antena para os diversos dispositivos da

rede chamados hostpot. O seu raio de ação é variado, de acordo com o roteador e a

antena utilizada.

ZigBee

O ZigBee foi criado pela IEEE com a norma 802.15.4 e a ZigBee Alliance. É um

padrão de redes sem fio de baixo custo e baixa utilização de energia permitindo uma

longa vida da mesma. O ZigBee opera nas faixas de rádio industrial, cientifica e

médias, as suas taxas de transmissão de dados variam. As redes ZigBee oferecem uma

excelente imunidade contra interferências, e a capacidade de hospedar milhares de

dispositivos numa rede (teoricamente 65.536), com taxas de transferências de dados a

250Kbps [5]. As principais razões para o uso da tecnologia ZigBee segundo

FERNANDES (2012)[5] são:

Fiabilidade e auto – reparação (self – healing);

5

Suporta grande número de nós;

Facilidade de implementação;

Baixo consumo de energia;

Segurança;

Pode ser usado a nível global;

Engloba uma comunidade com 30 ou mais fornecedores de produtos e

serviços;

Tem protocolos de padrões abertos com taxas de financiamento insignificante

ou praticamente inexistente;

O firmware pode ser atualizado remotamente;

Baixa potência;

Não necessita de muita manutenção.

Discussão e comparação das várias soluções

Existem diversos padrões utilizados para a comunicação sem fio e a escolha de um

padrão utiliza-se através de vários fatores, dentre eles a distancia de alcance,

conforme ilustra a figura 1.

Figura 1 – Alguns padrão de comunicação sem fio.

6

Para fazer uma comparação mais detalhada dos diversos padrões, é ilustrado na tabela

seguinte.

Norma IEEE 802.15.4 – ZigBee 802.11b – Wi-Fi 802.15.1 – Bluetooth

Frequência de

Operação

2,4 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz

Taxa de

transferência

250 Kbps 54 Mbps 1 Mbps

Número de nós

em uma rede

655536 2007 8

Tempo de vida da

bateria

Anos Horas Dias

Alcance Nominal 10 – 100 metros 100 metros 10 metros

Tabela: 1 – Tabela comparativa entre ZigBee, Wi-Fi e a Bluetooth [5]

Conforme a tabela acima, sobre a comparação relativamente aos padrões ZigBee e

Wi-Fi, permitem mais números de nós em uma rede, enquanto que o padrão Bluetooth

não, ainda o padrão ZigBee tem mais tempo de vida das sua bateria, coisa que os

outro padrões não têm. Estudo comprovam que o padrão ZigBee se comporta bem

mesmo com a sua baixa capacidade de transferência e poucos alcance.

Ainda em função das especificações de cada protocolo apresentado na tabela, bem

como das características das aplicações de monitoramento e controle, como baixo

consumo, baixo custo, baixa latência, pacotes pequenos e baixa razão de dados,

tamanho reduzido de hardware e flexibilidade da rede o padrão ZigBee apresentou

inúmeras vantagens e foi escolhido como protocolo mais adequado para este trabalho.

7

3. Proposta de solução

As economias de países em desenvolvimento são muito diferentes daqueles do mundo

desenvolvido e assim, uma solução criada para um país mais desenvolvido pode não

servir para países como Angola. Dai a criação da referida proposta de um sistema de

rede sensores sem fios para o monitoramento de pastagens nas comunidades rurais em

Angola, baseada em redes de sensores sem fio composta por módulos de

identificadores por radiofrequência.

Devido aos grande problema de roubo de gado que a proposta do referido trabalho é

criar um sistema de identificador por radiofrequência por animal.

Longos percursos que os animais têm que percorrer, o referido trabalho propõem um

sistema completo para a localização, identificação por radiofrequência (RFID) e o

monitoramento dos animais, baseado em redes de sensores sem fio e utilizando o

padrão ZigBee composto pelo modelo XBee – PRO, que supera o XBee em poder

computacional, tamanho e custo.

Especificação XBee XBee - Pro

Alcance Nominal 120 m 1.6 km

Taxa de Transferência 250 Kbps 250 Mbps

Frequência 2.4 GHz 2.4 GHz

Topologia de rede Point – to –

point, point

– to –

multipoint,

peer – to –

peer &

Mesh

Point – to – point,

point – to –

multipoint, peer – to

– peer & Mesh

8

O sistema é constituído por dois módulos:

Identificação por radiofrequência (RFID) – Chip do Boi

Localização - ZigBee.

Descrição geral

Um sistema de identificação por radiofrequência (RFID) é basicamente composto por

dois componentes:

Chip do boi – que se situa no objeto a ser identifica, neste caso que é o

animal.

Leitor – que, dependendo da tecnologia usada, pode ser dispositivo de

captura de dados ou transmissão de dados.

Figura 1 – Modelo básico de funcionamento de um sistema de RFID

O chip do boi representa o dispositivo que carrega os dados reais do sistema de

RFID, e esta constituído de um microchip electronico, não possui sua própria fonte

energia.

O leitor utiliza um sinal de rádio,

9

Com a consolidação do padrão ZigBee IEEE 802.15.4, varias empresas

desenvolveram seus produtos baseados nesta padrão. Uma dessas empresas, e a DIGI,

desenvolveu os módulos XBee compatíveis com os módulos de outras empresas que

utilizam o padrão [4]. Existem várias combinações de hardware para os modulo

XBee, como os ilustrados na figura.

Figura 2 – Modulo XBee e XBee – PRO

A família de módulos XBee consiste em soluções Original Equipment Manufactures (

OEM ) [5] de alta performance e baixo custo para a transmissão de dados sem fio em

redes de curta a média alcance. Atualmente, três protocolos de comunicação estão

disponíveis: IEEE 802.15.4, ZigBee e DigiMesh, sempre em duas versões de potência

de transmissão (XBee e XBee - PRO). Seu hardware, além da porta de comunicação

serial, conversores analógico – digital, I/Os digitais, e saídas PWM, já possui circuito

de radiofrequência embutido, não sendo necessário nenhum desenvolvimento

adicional para circuito RF.

Descrição de cada um dos módulos

O sistema esta dividido em três partes: subsistema de monitoramento, subsistema de

identificação e subsistema de localização. O subsistema de monitoramento é

responsável por medir e armazenar dados de três variáveis: temperatura ambiente,

unidade do ar e frequência cardíaca do animal [3]. Essas variáveis são medidas

individualmente, em cada animal [3]. Logo, é possível obter dados mais precisos, uma

vez que animais que estejam sob a sombra de uma árvore, por exemplo, podem

10

experimentar uma sensação térmica diferente daqueles que estão sob o sol [3]. O

subsistema de identificação por radiofrequência (RFID), é um brinco chamado “chip

do boi”[6]. Já o subsistema de localização é responsável por determinar as

coordenadas geográficas de cada animal [3].

Figura 3 – Subsistema de identificação - Chip do Boi [6]

O subsistema de localização calculam a intensidade do sinal entre o dispositivos

instalados nos animais e outro dispositivo instalados em torres fixas de referencia para

estimar a localização de cada animal, possibilitando estimar as coordenadas do animal

[3]. Depois são enviados os dados numa central onde devem ser armazenados em uma

base de dados, com auxilio de um sistema de gerenciamento de bases de dados

(SGBD), para que possam ser consultados e analisados posteriormente.

11

Figura 4 – Subsistema de Localização [3]

Para os dados chegar ao utilizador final é utilizado um sistema por meio de Internet,

dai também a necessidade de um servidor de internet na central.

4. Conclusões

O trabalho esta estruturado s referidos serviços são classificados em função das

aplicações de controlo de gado comunitário, gestão de pastagem, fazer o

monitoramento de gado, aplicações da monitoramento de secas, bem como ajuda no

monitoramento dos animais por causa do fenômeno roubo de gado nesta região,

utilizar o sistemas de chip do boi.

O trabalho foi propor uma ferramenta de baixo custo que auxiliasse o produtor rural

na tomada de decisão a repeito do momento ideal de consumo do pasto por parte do

gado. Dessa forma o produtor rural poderá oferece ao gado um pasto com melhor

potencial energético e melhor qualidade. Visando uma solução barata, pretende-se

empregar o padrão ZigBee se mostrou uma optima alternativa, assim como o

dispositivo comercial do Chip do Boi. Esses dispositivos cobrem longas distancias e

mantém a comunicação a baixo custo. Para isso sugere-se, como trabalhos futuros, a

12

implementação, instalação do proposta bem como o possível de desenvolvimento de

uma aplicação para sergir de suposte para internet bem como a sua utilização em

dispositivos miveis.

Trabalho futuro

O trabalho esta estruturado s referidos serviços são classificados em função das

aplicações de controlo de gado comunitário, gestão de pastagem, fazer o

monitoramento de gado, aplicações da monitoramento de secas.

Referências Bibliográfica

[1] A Biblioteca Virtual de Angola. Agropecuária – A Produção Pecuária e

Agrícola. Disponível em http://info-angola.ao/index.php?

option=com_content&view=category&layout=blog&id=262&Itemid=1318. Acesso

em Outubro 2013.

[2] ARCE, Aldo Ivan Céspedes; SILVA, Carolina de Sousa; TECH, Adriano Rogério

Bruno; COSTA, Ernane José Xavier. Instrumentos para a automação das

atividades zootécnicas. Disponível em

http://www.simcorte.com/index/Palestras/7_simcorte/simcorte16.pdf. Acesso Outubro

de 2013.

[3] SOARES, Sérgio Aurélio Ferreira. Redes de sensores sem fio para localização e

monitoramento de pequenos ruminantes. Disponível em

http://www.univasf.edu.br/~ccomp/monografias/monografia_8.pdf. Acesso Outubro

de 2013

[4] OLIVEIRA, Eziom Alves. Análise do desempenho de redes de sensores sem fio

para monitoramento de plantações irrigadas. Disponível em

http://www.univasf.edu.br/~ccomp/monografias/monografia_12.pdf. Acesso

Novembro de 2013

[5] FERNANDES, Amadeu Socorro Lopes. Comunicação Ad Hoc em Equipas de

Robôs Moveis Utilizando a Tecnologia ZigBee. Disponível em

13

http://mrl.isr.uc.pt/admin/upload/2012_09_Tese_Mestrado_AFernandes.pdf. Acesso

Novembro 2013

[6] Produção de Chips. Disponível em http://www.brasil.gov.br/ciencia-e-

tecnologia/2010/10/texto-complementar-i . Acesso Novembro 2013

[6] SAITO, Maria Toshio Rodrigues. Métodos de coleta de dados em redes de

sensores sem fio. Disponivel em

http://www.uel.br/cce/dc/wp-content/uploads/VersaoPreliminarTCC-MarioSaito.pdf.

Acesso Novembro de 2013

[7] BALDUINO, Jefferson de Oliveira Balduino e ROCHA, Mauro Nacif. Simulação

de uma rede sensor sem fio com base nos padrões ZigBee e IEEE 802.11ah .

Disponível e http://www.interscienceplace.org/interscienceplace/article/download/

512/347. Acesso Novembro de 2013

[8] COSTA, Albano Rocha. Sistema de monitoramento e rastreamento por GPS e

GSM. Disponível em http://www.slideshare.net/albanorochadacosta/sistema-de-

monitoramento-e-rastreamento-via-gps-gsm-15774689. Acesso Novembro 2013

[9] TRENTIN, Fernando Prando. Sistema de localização e sensoriamento de

objetos alvo utilizando rede de sensores sem fio. Disponível em

http://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/65661/000864968.pdf?sequence=1.

Acesso Novembro 2013.

[10] SILVA, Leandro Honorato de Sousa. Desenvolvimento de uma Rede de

Sensores Sem Fio Utilizando ZigBee para Aplicações Diversas. Disponível em

http://tcc.ecomp.poli.br/20111/monografia-Leandro_Honorato_VersaoFinal.pdf.

Acesso Novembro 2013.

[11] CAMPOS, Leonardo René dos Santos. Roteamento em redes de sensores sem

fio com base em aprendizagem por reforço. Disponível em

http://bdtd.bczm.ufrn.br/tde_arquivos/19/TDE-2013-04-05T075440Z-4974/Publico/

LeonardoRSC_DISSERT.pdf. Acesso Novembro 2013

[12] FERNANDES, Jefferson Doolan. Desenvolvimento de Sistemas Embarcados

para redes de sensores e atuadores sem fio aplicadas em unidades de elevação de

petróleo do tipo plunger-lift.. disponível em

14

http://bdtd.bczm.ufrn.br/tde_arquivos/41/TDE-2011-12-29T004203Z-3708/Retido/

JeffersonDF_DISSERT.pdf . Acesso Novembro 2013

[13] MARTINS, Ronaldo de bem e CONCEIÇÃO, Verônica. Estudo de viabilidade

para implantação da tecnologia wimax na rede municipal de ensino da cidade de

guaíba–rs. Disponível em

http://www.ulbra.inf.br/joomla/images/documentos/TCCs/2010_2/redes-ronaldo

%20de%20bem%20martins.pdf . Acesso Novembro 2013

Anexos

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