Maximizando o Tempo de Vida de RSSFI
Thales Ruano Barros de Souza1, Rogério Caetano1, Fabiola Guerra Nakamura2,
Raimundo da Silva Barreto2
1
2
Núcleo do Sistemas Embarcados– Fundação Paulo Feitoza (FPF Tech)
Manaus - Brasil
Instituto de Computação – Universidade Federal do Amazonas (UFAM)
Manaus - Brasil
{thales.souza,rcaetano}@fpf.br, {fabiola, rbarreto}@icomp.ufam.edu.br
Abstract. Industrial Wireless Sensor Networks (IWSN) is an emerging class of
WSN that faces specific constraints linked to the particularities of the
industrial production. In these terms IWSN solutions should be versatile,
simple to use and install, long lifetime and low-cost devices. This work
proposes and evaluates a routing protocol that addresses not only the
localization of sensor node but also the monitored variables to form the
clusters and select the cluster head. Results show that the proposed scheme
has performance 50% higher than the state-of-art clustering algorithms
regarding residual energy and network lifetime.
Resumo. As Redes de Sensores Sem Fio Industriais (RSSFI) é uma classe
emergente de RSSF que enfrentam restrições específicas ligadas a
particularidades da produção industrial. Nesses termos, RSSFI devem ser
versáteis, simples de usar e instalar, possuir máximo tempo de vida possível e
ser compostas por dispositivos de baixo custo. Neste trabalho propomos e
avaliamos um protocolo de roteamento que leva em consideração as variáveis
monitoradas na formação dos grupos de nós sensores, com o objetivo de
maximizar o tempo de vida da rede. Os resultados mostram que em
comparação com outros algoritmos da literatura, o esquema proposto
apresenta desempenho 50% superior em relação à energia residual e tempo
de vida da rede.
1. Introdução
Os recentes avanços tecnológicos em redes de sensores sem fio (RSSF) encorajaram
ainda mais a otimização e melhoria nos processos de desenvolvimento de produtos e
prestação de serviços. Redes de Sensores Sem Fio Industriais (RSSFI) é uma classe
emergente de RSSF que possuem restrições específicas ligadas às particularidades da
produção industrial. A implantação e configuração de RSSFI são tarefas extremamente
desafiadoras, onde tanto o ambiente a serem monitorados quanto os processos são
bastante dinâmicos e dependem do ciclo de vida dos produtos e dos serviços prestados.
Com relação ao tempo de vida da RSSF, o gerenciamento do consumo de energia é uma
das questões chaves em todas as suas aplicações de RSSF, incluindo RSSFI. Várias
aplicações de RSSFI, especialmente no campo do monitoramento, requerem autonomia
no que diz respeito à fonte de energia. Existem diversas formas de fazê-lo, tanto em
software quanto em hardware (escolhendo-se componentes de baixo consumo). Em
software, a energia deve ser preservada controlando-se a quantidade e a distância na
qual as mensagens devem ser enviadas, pois o envio e recepção de mensagens são as
atividades que mais consomem energia em RSSF comparado ao processamento e
sensoriamento.
RSSF densas requerem o uso de algoritmos de roteamento específicos principalmente
devido a problemas relacionados com ruído e colisão de pacotes, que podem levar a
perdas significantes tanto em quantidade quanto em qualidade dos dados. Deste modo
roteamento torna-se uma tarefa crítica. Existem vários protocolos de roteamento que
utilizam a estrutura de cluster, que alocam os recursos de forma eficiente e maximiza o
tempo de vida da rede. Geralmente, cada cluster inclui um líder chamado de cluster
head (CH) e os nós sensores membros (MNs). Os CHs processam e transmitem os
dados para a estação base (BS), enquanto os MNs coletam os dados e comunicam-se
apenas com seu respectivo CH. Entre os algoritmos mais utilizados está o LEACH. Nele
os CHs são selecionados por rotação de modo que a energia consumida na comunicação
com a BS é espalhada para toda a rede. A operação do LEACH ocorre em várias
rodadas onde cada rodada é separada em duas fases, fase de construção e fase
estacionária. Na fase de construção os grupos são organizados, enquanto na fase
estacionária os dados são entregues à BS. A fase de construção pode ser dividida em
três etapas, anúncio, formação dos grupos, e criação do cronograma.
Nesse trabalho pretende-se estender o tempo de vida da rede para evitar manutenção
constante que pode inclusive exceder o custo do próprio sistema em um período curto
de tempo. O consumo de energia foi minimizado reduzindo-se a distância entre os MNs
e seus respectivos CHs, e reduzindo-se a quantidade de transmissões dentro de cada
grupo (intra grupo) por meio do algoritmo k-means.
2. Trabalhos Relacionados
Sistemas industriais enfrentam o problema de amortização dos equipamentos que
introduz custos de manutenção. Além disso, há a necessidade de técnicas de
monitoramento dos equipamentos que possam prover um quadro global das condições e
prever as falhas de funcionamento e, portanto melhorar a confiabilidade e o
desempenho dos componentes e equipamentos. Dessa forma, sistemas de
monitoramento estrutural detectam danos nos sistemas antes de possíveis falhas e
minimiza o tempo gasto na parada da linha de produção, aumentando o lucro da
empresa. Sem sistemas de monitoramento automatizados, é necessário um sistema
periódico de verificação e manutenção preventiva nos equipamentos de produção, o que
também pode incluir o risco de enviar trabalhadores da área de manutenção para
ambientes perigosos. Em [Murphy, 2007], foi desenvolvido um sistema de RSSF de
agentes autônomos colaborativos subaquáticos que são capazes de localizar e reparar
tanques e tubulações em ambientes inacessíveis. Foi descrito tanto o hardware da rede
usado na solução que compreende sensores de pH, proximidade, pressão e atuador para
reparar o dano, quanto o protocolo de comunicação e o algoritmo de realimentação
implementado nos nós sensores. Em [Tiwari 2004], foi desenvolvida uma RSSF para
manutenção baseada na condição do maquinário onde são apresentados os requisitos de
projeto, limitações e diretrizes para esse tipo de aplicação de RSSF. Além disso, foi
implementado um sistema de monitoramento de condições em um HVAC (Heating,
Ventilation and Air Conditioning) em um laboratório de robótica. Em [Wright 2008] foi
proposto o uso de acelerômetros baseados no monitoramento de vibrações de máquinas
para enfrentar o problema da manutenção preditiva e de monitoramento baseado em
condições de maquinário de fábricas em geral. Em [Krishnamurthy 2005], os autores
focam na manutenção preventiva de equipamentos onde assinaturas de vibrações são
coletadas para prever a falha de equipamentos. Os autores implantaram uma RSSF em
um tanque de óleo para monitorar o maquinário e analisar as diretrizes de projeto tanto
para uma plataforma ideal quanto para aplicações industriais.
3. Método Proposto
Geralmente um protocolo de roteamento em RSSF é composto pela fase de construção e
fase estacionária. Na fase de construção há a troca de mensagens de controle para
seleção dos CHs, o anúncio dos CHs para a rede e a entrada de cada nó sensor em um
grupo. Por outro lado, na fase estacionária cada nó sensor coleta informação para o líder
do grupo, que por sua vez, transmite a informação para a BS. A principal novidade do
protocolo de roteamento proposto neste trabalho esta na fase de construção. Nessa etapa
ocorre o agrupamento do algoritmo k-means com as seguintes entradas: localização de
cada nó sensor, temperatura e umidade relativa. Com isso, a seleção do CH de cada
grupo ocorre por meio da distância mínima em relação à localização, a temperatura e a
umidade. Dessa forma, na fase estacionária não há comunicação de cada nó sensor com
seu CH, economizando a energia consumida na comunicação intragrupo. O líder
informa os outros nós sensores sobre as mudanças de CH. Para cada rodada o esquema
proposto adota protocolo de roteamento single hop, tanto na comunicação intragrupo
quanto na comunicação intergrupo. A disposição e os dados coletados pelos nós
sensores adotada neste trabalho, foi a do experimento realizado em [Intel Berkeley
2004], o qual é uma aplicação indoor com modelo de propagação multipercurso, pois
em ambientes fechados há muita degradação do sinal transmitido devido aos obstáculos
e o ruído do meio.
4. Resultados
O tempo de vida da rede é definido como o número de rodadas em que a energia de
todos os nós sensores acaba. Como pode ser observado na Figura 2, o protocolo de
roteamento prospoto é sempre melhor que o LEACH e [Park 2013] em relação a energia
residual restante na rede. Além disso, pode-se observar que após a rodada 1323, não
existem mais nós vivos nos outros protocolos enquanto que no protocolo proposto
mesmo após a rodada 2000 ainda existem nós sensores vivos.
Figura 2 Energia restante (esquerda) e Número de nós vivos (direita)
5. Conclusão
As soluções comerciais para o monitoramento de estruturas e equipamentos incluem
uma solução completa de sistema sem fio, compreendendo aquisição de dados sem fio,
sensores de vibração, condicionamento de sinais para sensores de vibração e
processamento de sinal para predição e diagnóstico de falha de equipamentos.
Porém um dos principais desafios encontrados no uso de RSSF é o tempo de vida útil
dos nós sensores, pois o custo de manutenção pode superar rapidamente o custo de
implantação do próprio sistema de sensoriamento. Para resolver esse problema,
protocolos de roteamento têm sido propostos. Atualmente, em sua maioria, os
protocolos propostos buscam reduzir a distância dos nós sensores para seus respectivos
CHs como o proposto em [Park 2013]. Dessa forma o consumo de energia no envio e
recepção de informação de cada nó sensor para o CH diminui.
O protocolo de roteamento proposto neste trabalho busca, não somente reduzir a
distância da comunicação intragrupo, mas também eleger o nó sensor que melhor
represente cada grupo como CH. Há, portanto, redução da comunicação intragrupo e,
consequentemente, redução do consumo de energia. Resultados de simulações com
dados reais mostram que o protocolo proposto reduz em até 50% o consumo de energia
da rede quando comparado a outros protocolos de roteamento da literatura, como o
LEACH.
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