III Simpósio Brasileiro de Ciências Geodésicas e Tecnologias da Geoinformação
Recife - PE, 27-30 de Julho de 2010
p. 001-005
____________________________________________________________________
REDE DE SENSORES COMO SUPORTE À PESQUISA – ANÁLISE
AMBIENTAL INTEGRADA DA SUB-BACIA SANGUE-ARINOS(MT)
LUCAS ARRUDA RAMALHO
RUY DE OLIVEIRA (orientador)
Núcleo de Pesquisa em Geoprocessamento Ambiental - NPGA
Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Mato Grosso – IFMT
[email protected], [email protected]
________________________________________________________________________________________________
RESUMO - O presente artigo propõe a implementação de uma rede de sensores ideal que auxilie, com
coleta de dados ambientais, a pesquisa de análise ambiental integrada da sub-bacia Sangue-Arinos-MT.
Nesse sentido, serão testadas várias tecnologias e topologias de sensores sem fio, a qual possibilitará
selecionar a melhor combinação levando-se em consideração gasto energético, confiabilidade, coleta
online de dados, entre outros. Criando assim um modelo de rede que reduza custos de deslocamento e
estadia de pesquisadores ao local de monitoramento, otimize a pesquisa, visto que os dados serão
coletados em tempo-real, além de servir de como padrão para aplicações semelhantes.
ABSTRACT - The present article considers to the implementation of a sensor network ideal that assists,
with collection of ambient data, the research of integrated ambient analysis of sub-basin Sangue-ArinosMT. In this direction, some technologies and topologies of sensors wireless will be tested, which will
make possible to select the best combination taking itself in consideration energy expense, collects online
of data, among others. Thus creating a network model that reduces costs of displacement and stay of
researchers to the monitored place, it optimizes the research, since the data will be collected in real-time,
beyond serving of as standard for similar applications.
________________________________________________________________________________________________
1 INTRODUÇÃO
Nas sub-bacias dos rios Juruena-Arinos existe a
presença das atividades agrícolas e pecuárias nas regiões
de nascentes que tem gerado efeitos nos baixos cursos dos
rios. O desmatamento descontrolado da cobertura vegetal,
notadamente do Cerrado e das matas ciliares nas subbacias Juruena-Arinos (MT), associado ao uso intensivo
de fertilizantes e de agrotóxicos, leva o transporte de
sólidos e de cargas poluidoras difusas aos recursos
hídricos comprometendo a qualidade das águas
superficiais/ subterrâneas e solos, de vida da população
local e do sistema produtivo. O estudo pautado na coleta
de dados, modelagem e análise terá como objetivo
apresentar medidas de caráter sustentável para
conservação sócio-ambiental da área da bacia.
Este trabalho propõe a implementação de uma rede
de sensores e também de uma infra-estrutura necessária
como suporte ao desenvolvimento da pesquisa na região.
Nesse sentido, será implanta uma rede de sensores sem fio
capaz de enviar dados do ambiente ao núcleo de pesquisa
no IFMT a qualquer momento sem a necessidade de
L. A. Ramalho, R. de Oliveira
presença de pesquisadores na área, e como isso reduzindo
custos do projeto.
Serão testadas várias combinações de tecnologias
relacionadas, para chegar a uma configuração modelo de
rede de sensores sem fio para esse tipo de sensoriamento
remoto.
2 JUSTIFICATIVA
As redes de sensores estão se tornando cada vez
mais populares em aplicações de monitoramento
ambiental. Nesse tipo de aplicação, essas redes são
formadas por sensores pequenos e normalmente fixos
para capturar e transmitir dados relativos às características
físicas do ambiente. As principais vantagens das redes de
sensores são: (i) baixo custo, (ii) fácil implementação, (iii)
possibilidade de configuração remota, minimizando a
necessidade de intervenção humana e (iv) auto-suficiência
energética por meio de energia solar.
Uma vez coletadas as informações, estas serão
transmitidas via internet para um dos laboratórios de
pesquisa científica no Campus Central do Instituto
III Simpósio Brasileiro de Ciências Geodésicas e Tecnologias da Geoinformação
Recife - PE, 27-30 de Julho de 2010
p. 001-005
Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Mato
Grosso – IFMT, em Cuiabá, onde haverá um banco de
dados em que tais dados serão armazenados.
Posteriormente essas informações serão disponibilizadas
online não apenas para os pesquisadores envolvidos no
projeto, mas também para outros pesquisadores da área e
agricultores da região.
O projeto terá com o grande objetivo implementar
uma rede de sensores eficiente para suporte remoto e
monitoramento reduzindo custos, como o envio de
pesquisadores até a área, e que contribua ao modelo
integrado
água-solo-vegetação-atmosfera,
para
a
elaboração de propostas de zoneamento agro territorial
tendo por base a sustentabilidade sócio-econômica e
ambiental na região.
3 OBJETIVOS
A rede proposta servirá de suporte ao banco de
dados dos pesquisadores ambientais do projeto. Para isso
são definidos os seguintes tópicos:
1. Monitoramento online de dados ambientais via
rede de sensores;
2. Minimizar custos
pesquisadores;
de
deslocamento
de
Figura 1 - Possíveis topologias da rede de sensores
3. Oferecer uma coleta confiável de parâmetros
ambientais;
4. Definir uma rede de sensores ideal para essa
aplicação;
5. Implementação de rede de transmissão de dados
desde os sensores no campo até o Campus do
IFMT em Campo Novo do Parecis. A
interligação até Cuiabá será feita via Internet.
4 CENÁRIO PROPOSTO
Inicialmente, será montada uma arquitetura de
pequeno porte constituída por aproximadamente dez nós
para as avaliações preliminares. Essa rede será
implementada na região agrícola próxima da cidade de
Campo Novo do Parecis, especificamente em
propriedades rurais cujos os proprietários têm interesse no
projeto. As informações coletadas no campo serão
transmitidas ao Campus do IFMT na região, e de lá
enviadas via internet, por uma conexão de alta velocidade,
para o Campus Cuiabá.
A fim de determinar a topologia mais apropriada
ao projeto, as seguintes alternativas, mostradas na figura
1, serão avaliadas:
L. A. Ramalho, R. de Oliveira
•
Mesh (Malha): são redes dinâmicas constituídas
por nós cuja comunicação, no nível físico, é feita através
de uma das variantes do padrão IEEE 802.11, cujo
roteamento é dinâmico;
•
Star (Estrela): é composta por um nó
coordenador, que é responsável pelo gerenciamento da
rede, e pelos dispositivos finais (end-devices). Os
dispositivos podem mandar mensagens para o
coordenador e, se quiserem enviar mensagens uns para os
outros, dependem também do coordenador para efetuarem
a transmissão;
•
Cluster Tree(Árvore): é um caso especial de uma
rede ponto a ponto, onde a maioria dos dispositivos são
mais completos (FFD - Full-Function Device)[4] e um
dispositivo de menor capacidade (RFD – ReducedFunction Device) pode conectar-se no final de um ramo.
Qualquer FFD pode agir como um coordenador e prover
serviços de sincronização para outros dispositivos e
III Simpósio Brasileiro de Ciências Geodésicas e Tecnologias da Geoinformação
coordenadores, porém somente um desses coordenadores
será o coordenador da rede sem fio local.
4.2 Protocolos de Comunicação
A comunicação eficiente das redes de sensores
depende de protocolos de comunicação apropriados para
cada caso. Nessa aplicação serão utilizados dois
protocolos principais:
•
Homerf: nesse protocolo as interfaces de rede se
comunicam diretamente, sem o uso de um ponto de
acesso. Isso diminui o custo da rede, mas também
compromete o alcance do sinal, que é de (em condições
ideais) apenas 50 metros. É possível criar redes HomeRF
com até 127 nós, mas como o mesmo canal é
compartilhado por todos, quanto mais nós houver, mais
baixa será a velocidade. O ideal seria criar redes com no
máximo 10 nós, segundo fabricantes.
•
IEEE 802.15.4 (Zigbee): esse protocolo foi
especialmente desenvolvido para ser empregado em
projetos de sensoriamento e monitoramento. Os
componentes que operam em conformidade com o
ZigBee consomem pouca energia, são baratos, possuem
drivers extremamente enxutos e tem o alcance de 100m.
Também operam com baixas taxas de transferências de
dados, atingindo, no máximo, 250 kbps, suficiente para
atuação de sensores de temperatura, por exemplo. Que
será utilizada em na rede devido ao suporte à vários nós e
ao baixo custo de energia. O protocolo ZigBee define três
tipos de dispositivos de acordo com as funcionalidades
oferecidas e consumo de energia, conforme o fornecedor
ZIKA CONTROLS[4]:
o
Coordenador FFD (Full Function Device):
Responsável pela formação da rede ZigBee. O
Coordenador estabelece um canal de operação com seus
repectivos parâmetros, podendo formar uma rede que
integre roteadores e dispositivos finais. Seqüencialmente
o coordenador funciona como um roteador, podendo atuar
como uma fonte ou destino de pacotes de dados.
o
Roteador (Router): Dispositivo que cria e/ou
mantém as informações da rede e a utiliza para determinar
a melhor rota para um pacote de dados. Os roteadores
podem participar no redirecionamento de pacotes de
dados para os seus dispositivos vizinhos.
o
Dispositivo Final RFD (End Device – Reduced
Function Device): Dispositivo que sempre interage com o
seu nó pai (ou um roteador ou um coordenador) na rede
para receber ou transmitir dados podendo funcionar como
L. A. Ramalho, R. de Oliveira
Recife - PE, 27-30 de Julho de 2010
p. 001-005
uma fonte ou destino de dados, porém, não possui
capacidade de redirecionamento de informações.
O estágio experimental da rede será feito com o
protocolo homerf, que é ideal para estruturas wireless de
pequeno porte. Após a implementação e familiarização
com o funcionamento da topologia, será feita a migração
para o protocolo Zigbee, o qual suporta maior número de
sensores.
Após a verificada a combinação mais adequada de
topologia de rede e tipo de sensor, será feita a
documentação dessa rede como rede ideal para o
monitoramento ambiental em áreas rurais agrícolas.
4.3 Energia
Um dos grandes desafios das redes de sensores é o
consumo de energia elétrica dos dispositivos envolvidos.
Neste projeto, os sensores serão alimentados por baterias.
Com o protocolo Zigbee, as baterias duram cerca de mil
dias, como afirma MALAFAYA [5]. Segundo o fornecedor
ZIGBEE ZIKA CONTROLS [4], isso ocorre porque com o
ZigBee os dispositivos que não estão transmitindo ou
recebendo dados, entram num estado de dormência ou em
"Sleep", em que o consumo de energia é mínimo. No
entanto, alguns nós da rede consumirão maior quantidade
de energia devido à atividade contínua de transferência de
dados, como é o caso do nó coordenador. Dessa forma,
serão utilizados painéis solares para alimentar esses
dispositivos.
4.4 Implementação
Serão testadas todas as combinações possíveis
entre as topologias e as tecnologias. Assim será feito um
modelo ideal de rede se sensores para monitoramento
ambiental de áreas rurais. Esse modelo deverá ter baixo
consumo de energia, ter confiabilidade, conectividade,
acesso online aos dados, configuração remota e baixo
índice de manutenção.
Uma vez definida a melhor rede para esta
aplicação, a mesma será configurada de modo que os
dados de monitoramento serão passados até o nó
coordenador, também denominado como SINK, conforme
ilustrado na figura 2. O nó coordenador enviará os dados
para a torre de transmissão que encaminhará ao Campus
do IFMT na região. Os dados seguirão por um link
confiável de internet até o Campus Cuiabá, onde serão
armazenados.
III Simpósio Brasileiro de Ciências Geodésicas e Tecnologias da Geoinformação
Recife - PE, 27-30 de Julho de 2010
p. 001-005
Figura 2 – Arquitetura de rede proposta
5 CONCLUSÕES
REFERÊNCIAS
O presente artigo propõe a implantação de uma
rede de sensores eficiente na coletar dados ambientais de
forma confiável e online, visto que as informações serão
passadas em tempo real aos pesquisadores do projeto.
Além de reduzir custos de pesquisa, pois não haverá a
necessidade de gastos com deslocamento e estadia de
pesquisadores na área para fazer a coleta de dados que
desejarem.
[1]MOREIRA, Marcelo D. D. - [email protected] –
Introdução à rede de sensores sem fio http://www.gta.ufrj.br/grad/06_1/rssf/node1.html
A rede de sensores deverá, após vários testes,
servir como modelo ideal para monitoramento em áreas e
situações semelhantes, fornecendo dados e configuração
remota, baixo custo energético, confiabilidade de
informações e baixo índice de manutenção. Além de
coletar parâmetros ambientais para que os pesquisadores
do IFMT possam analisar os impactos ambientais sobre a
sub-bacia sejam diagnosticados. Sendo assim, com o
diagnóstico pronto, sugestões de cunho sustentável serão
feitas para a preservação da área.
L. A. Ramalho, R. de Oliveira
[2] RUIZ, Linnyer Beatrys et AL. - Arquiteturas para
Redes de Sensores Sem Fio - Departamento de Ciência da
Computação da UFMG, Departamento de Informática da
PUCPR, Departamento de Ciência da Computação da
UFLA, Fundação Centro de Análise, Pesquisa e Inovação
Tecnológica – FUCAPI, Departamento de Engenharia
Elétrica
da
UFMG
http://www.sensornet.dcc.ufmg.br/pdf/mc-sbrc2004.pdf
[3]PEREIRA, Marluce R.; AMORIM, Cláudio L. de;
CASTRO, Maria C. S.;Tutorial sobre Redes de Sensores http://magnum.ime.uerj.br/cadernos/cadinf/vol14/3clicia.pdf
III Simpósio Brasileiro de Ciências Geodésicas e Tecnologias da Geoinformação
[4]Artigo Zigbee Zika Controls - VIKA CONTROLS
COM.
DE
INSTR.
E
SIST.
LTDA.
http://vikacontrols.com.br/catalogos_pdf/Artigo_Zigbee_
Vika_Controls.pdf
[5] MALAFAYA, Hugo; TOMÁS, Luís; SOUZA, João
Paulo - Sensorização sem fios sobre ZigBee e IEEE
L. A. Ramalho, R. de Oliveira
Recife - PE, 27-30 de Julho de 2010
p. 001-005
802.15.4 - Departamento de Engenharia Electrotécnica e
de Computadores da Faculdade de Engenharia da
Universidade
do
Porto
http://www.deetc.isel.ipl.pt/JETC05/JETC05/Artigos/Elec
tronica/Poster%20E/136.pdf