Em busca do uso de redes de sensores sem fio na cafeicultura
Ederval Pablo Ferreira da Cruz1, Vinicius de Souza Oliveira1, Lucas Cellim1, Franciele
Pereira Rossini1, Luis Eduardo Gottardo1
1
Instituto Federal do Espírito Santo (IFES) – Campus Itapina, Espírito Santo, Brasil,
[email protected], [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected]
RESUMO
Uma das áreas que têm atraído atenção por grande parte dos pesquisadores é a de Redes de
Sensores Sem Fio (RSSF). As RSSF utilizam-se de sensores para obter informações sobre
determinados parâmetros tais como: umidade, temperatura, pressão, entre outras, dependendo
da aplicação. Considerando a região noroeste do Espírito Santo, importante produtora de café
conilon, analisamos neste trabalho a viabilidade do uso de sensores na cafeicultura através da
simulação de protocolos de roteamento usando os padrões de comunicação 802.11 e 802.15.4
usando um mapa real obtido do Google Earth e considerando características reais de uma
plantação de café. Foram avaliados três protocolos clássicos (AODV, DSDV e AOMDV) e
duas variações dos protocolos AODV e AOMDV (chamadas neste trabalho de AODVMOD e
AOMDVMOD). Para avaliarmos e compararmos os desempenhos de cada protocolo com os
padrões de comunicação utilizados, três métricas foram definidas: Taxa de entrega de pacotes,
Atraso médio fim-a-fim e Consumo Médio de Energia.
PALAVRAS-CHAVE: Cafeicultura, AODV, AOMDV, RSSF, Protocolos de Roteamento.
ABSTRACT
One of the main areas that have obtained attention by researchers is the Wireless Sensor
Networks (WSN). Wireless Sensor Networks use sensors to get information about specific
parameters such as: humidity, temperature, pressure and more, depending of the application.
Considering northwest region of the Espirito Santo state, important producer of conilon
coffee, we analyze in this work the feasibility of using sensors in the coffee crop through
simulation of routing protocols adopting 802.11 and 802.15.4 MAC as communication pattern
using a real map obtained from Google Earth and considering real characteristics of a coffee
crop. It was chose three classic routing protocols (AODV, DSDV and AOMDV) and two
variants of the AODV and AOMDV protocols (called in this work as AODVMOD and
AOMDVMOD). To evaluate and comparing performance of each routing protocol with the
communications pattern used, we set three metrics: Packet Delivery Ratio, Average End-toEnd Delay and Average Energy Consumption.
KEYWORDS: Coffee Crop, AODV, WSN, Routing Protocols.
INTRODUÇÃO
O grande avanço computacional ocorrido nos últimos anos, fez com que diversas tecnologias
tenham surgido para as mais diversas finalidades. O uso de novos materiais de sensoriamento
e de comunicação sem fio tem feito com que sensores cada vez mais ‖inteligentes‖ sejam
desenvolvidos. Tais sensores possuem capacidade de sensoriamento, processamento de dados
e componentes de comunicação, tornando real a implantação de uma Rede de Sensores Sem
Fio (RSSF). Uma possível aplicação é o uso das RSSF na agricultura, o que também pode ser
dito que é uma aplicação da chamada Agricultura de Precisão (AP).
A AP consiste no fato de conseguir informações exatas de cada metro do campo
produtivo buscando um melhor gerenciamento do mesmo. Consiste em aplicar os insumos no
local correto, no instante certo e na quantidade necessária, em áreas cada vez menores e mais
homogêneas, de forma a ter menos desperdícios, fazendo com que a produtividade de uma
dada cultura seja mais rentável e também sustentável (TSCHIEDEL; FERREIRA, 2002),
especialmente em tempos de escassez de recursos hídricos e de maior preocupação com o
consumo de energia.
Considerando que o Brasil, é o maior produtor de café mundial, é vislumbrado que as
RSSF possuem grande potencial na sua aplicação para o desenvolvimento dessa cultura. A
primeira estimativa para a produção da safra cafeeira (espécies arábica e conilon) em 2015
indica que o país deverá colher entre 44,11 e 46,61 milhões de sacas de 60 quilos de café
beneficiado, com uma área total plantada no país que totaliza 2.256,5 mil hectares
(MONITORAMENTO AGRÍCOLA CAFÉ, 2015).
Redes de sensores sem fio é uma área que vários grupos de pesquisa ao redor do mundo
têm concentrado seus esforços para resolver problemas em todas as camadas de comunicação,
incluindo a comunicação de camada física até o desenvolvimento de novas aplicações. Redes
de sensores sem fio consistem em muitos nós sensores inteligentes, onde estes nós sensores
são equipados com um ou mais sensores, um processador, memória, uma fonte de
alimentação e um canal sem fio de rádio para se comunicar uns com os outros (AKYILDIZ,
2002).
Uma das principais desvantagens das RRSF é devido ao fato de os nós possuírem
limitado poder de processamento por causa de seu tamanho físico pequeno, o que limita a
capacidade do processador e, devido ao uso de baterias como fonte de energia, os mesmos
possuem suprimento limitado de energia. Quando trabalham de forma colaborativa, os nós
sensores conseguem ter uma maior capacidade de coletar informações do meio físico. O
encaminhamento de dados coletados pelos nós sensores até o nó destino, destaca-se entre os
principais desafios a serem resolvidos em uma RSSF. Vários fatores podem influenciar a
concepção de protocolos de encaminhamento, tais como: Implantação dos nós na área de
interesse, consumo de energia, modelos de entrega de dados, tolerância a falhas,
escalabilidade da rede, meios de transmissão, autonomia, entre outros fatores. Assim, é
possível verificar que os protocolos de roteamento são necessários para lidar com a natureza
das redes de sensores sem fio (MITHILA, 2013).
Segundo Oliveira et al. (2014) o uso de protocolos tem a finalidade de solucionar
problemas relevantes ou que possam aparecer durante a implementação de uma rede de
sensores sem fio, tais como: Interferência no meio de transmissão, Área de cobertura, Falha
de linha de visada, entre outros. Pereira (2014) utilizando sensores de umidade de solo de
matriz granular, com protocolo ZigBee/IEEE 802.15.4, em vasos preenchidos com Vertissolo
Háplico e Cambissolo Háplico cultivados com gramas batatais (Paspalum notatun), verificou
que a performance dos sensores de umidade foi satisfatório e podem ser recomendados para o
manejo de irrigação do solo avaliados.
Segundo Passalaqua et al. (2014) o uso de sensores ópticos em pulverizadores
mecanizados para o manejo de plantas invasoras na cultura da cana-de-açúcar, mostra-se
viável economicamente com retorno de capital investido em 0,55 anos e taxa interna de
retorno de 75,82%. Lima (2014) simulando sistema de RSSF no protocolo de comunicação
IEEE 802.15.4 e ZigBee em comunicação e controle para hidroponia, demonstrou que os
requisitos definidos na aquisição de dados sobre as variáveis físicas, pH, condutividade
elétrica e temperatura foram cumpridos, além de possuírem um baixo custo de aquisição.
O objetivo do trabalho consiste em verificar a performance de cinco protocolos de
roteamento, através de simulação, usando os padrões de comunicação sem fio 802.11 e
802.15.4, de forma a verificar qual padrão e quais protocolos seriam ideais no uso de uma
RSSF, considerando a cafeicultura como cultura a ser avaliada.
MATERIAL E MÉTODOS
Esta seção apresenta a avaliação dos protocolos de roteamento AODV (PERKINS,
ROYER; DAS, 2008), AODVMOD, AOMDV (MARINA; DAS, 2002), AOMDVMOD e
DSDV (PERKINS et al., 2001), usando os padrões de comunicação 802.11 e 802.15.4 em um
cenário que representa uma plantação de café. A diferença entre os protocolos AODVDEF e
AODVMOD, assim como os protocolos AOMDVDEF e AOMDVMOD, é na taxa de envio
da mensagem de HELLO. Os protocolos AODVDEF e AOMDVDEF, possuem sua taxa de
envio de mensagem de HELLO configurada para 1 segundo e os protocolos AODVMOD e
AOMDVMOD, foram configurados para cada 5 segundos enviarem uma mensagem de
HELLO. Na Figura 1 é mostrada, na área destacada, as dimensões da área real implementada
no simulador.
Figura 1 – Área destacada implementada no simulador extraído do Google Earth
Fonte: (Google Earth, 2014)
De forma a dar mais detalhes sobre a localização da área, na Tabela 1 são mostradas as
coordenadas extraídas do Google Earth dos cenários usados em nossas simulações.
Tabela 1 – Coordenadas da área usadas na simulação
Pontos da imagem
Latitude
Longitude
A
19°29’48.16‖S
40°45’32.54‖W
B
19°29’46.86‖S
40°45’31.95‖W
C
19°29’48.34‖S
40°45’25.16‖W
D
19°29’49.62‖S
40°45’25.75‖W
Foi utilizado para a realização das simulações e avaliação do comportamento da RSSF,
o simulador Network Simulator 2, mais conhecido na academia como NS-2 (NS2). O NS2 é
um simulador de eventos discretos desenvolvido na Universidade da Califórnia em Berkeley.
Algumas das características existentes que podem ser citadas no simulador escolhido são: (a)
mobilidade dos nós; (b) camada física realística com modelos de propagação do rádio além de
várias outras. Os cenários avaliados com as variações de nós sensores são mostrados na
Tabela 2.
Tabela 2 – Cenários usados nas simulações
Cenário
Quantidade de nós
Quantidade
de
(―sorvedouro‖)
A
40
1
B
55
1
C
70
1
nós
sink
Deve ser mencionado que o nó sink, também chamado de sorvedouro, é responsável por
receber as informações sensoriadas pelos demais nós e através de uma conexão via satélite,
redes de dados de telefonia ou da Internet consegue comunicação com uma aplicação gestora
da rede, enviando assim as informações para o usuário interessado.
Nas Figuras 2, 3 e 4 são detalhados o arranjo dos nós (espaçamentos e posições) dentro
dos cenários A, B e C. Os nós foram dispostos de forma que o nó das extremidades, consiga
alcançar o nó sorvedouro em no máximo 2 saltos somente, tendo menor consumo de energia
maximizando o tempo de vida da rede. Além disso, foi considerado que o sensor só obteria a
informação de uma pequena área onde o mesmo está localizado, assim dessa forma tendo uma
amostra modelo para as áreas mais próximas de onde foi feito o sensoriamento. Importante
ressaltar que o nó sorvedouro é representado pelo círculo central laranja e os demais nós
representados pelos círculos vermelhos.
Figura 2 – Cenário A implementado no simulador
Fonte: Do próprio autor, 2014
Figura 3 – Cenário B implementado no simulador
Fonte: Do próprio autor, 2014
Figura 4 – Cenário C implementado no simulador
Fonte: Do próprio autor, 2014
Na tabela 3, temos os parâmetros configurados no simulador. Os protocolos MAC e os
protocolos de roteamento foram escolhidos, tendo em vista que já estão integrados no
simulador, acelerando o processo de realização das simulações, e por serem protocolos
clássicos na área de redes sem fio. O tamanho do pacote assim como o ritmo de taxa de
transmissão foram definidos, tendo em vista que as informações a serem lidas pelos sensores
são quantidade pequenas de dados. Os nós sorvedouros possuem maior nível de bateria que os
demais nós, por serem nós especiais que recebem uma maior carga de dados e que demandam
maior nível de bateria.
Tabela 3 – Parâmetros usados nas simulações
Protocolos MAC
802.11 e 802.15.4
Modelo de Propagação de Rádio
Two Ray Ground
Protocolos avaliados
AODV, AOMDV, AODVMOD,
AOMDVMOD e DSDV
Tempo de Simulação
180 segundos
Tamanho do pacote
512 bytes
Taxa de transmissão
4 pacotes/seg
Nó sorvedouro – 50 kJ
Energia Inicial
Outros nós – 5 kJ
Raio de transmissão
60 metros
A respeito dos padrões e origens de conexões usadas deve ser considerado o seguinte.
Tendo em vista que um nó de origem pode criar várias conexões simultaneamente (2 ou mais
nós diferentes), o número de conexões em cada cenário é igual a 20% do total de nós
(excluindo o nó sorvedouro) de cada cenário. Na Tabela 4 é mostrada essa relação.
Tabela 4 – Padrões de origem e conexões de comunicação de dados usados nas simulações para cada cenário
Quantidade de conexões para cada cenário
40 nós + 1 sorvedouro (Cenário A)
6 (origens
(conexões)
diferentes)
e
55 nós + 1 sorvedouro (Cenário B)
7 (origens
(conexões)
diferentes)
70 nós + 1 sorvedouro (Cenário C)
10 (origens diferentes) e 14
(conexões)
e
8
11
De forma a caracterizar o desempenho de cada protocolo em cada cenário, as métricas
avaliadas foram as seguintes:

Taxa de entrega de pacotes – Tal métrica pode ser definida como a
porcentagem de pacotes de dados recebidos pelos destinos em relação àqueles
pacotes enviados pelas origens;

Atraso médio fim-a-fim – Pode ser definido como o tempo médio em que os
pacotes gastam para sair dos seus nós de origem até o seu recebimento pelos
nós de destino;

Consumo médio de energia – Considera-se a média de uso de energia pelos
sensores usados durante o tempo de execução da simulação.
Os resultados obtidos e apresentados neste trabalho são obtidos de uma média de 30 rodadas
de simulação para cada cenário e para cada protocolo avaliado. Todos os resultados
apresentam um intervalo de confiança de 95%.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na Figura 5 são mostrados os resultados referentes às taxas de entrega para os padrões
802.15.4 e 802.11 respectivamente. É possível perceber que os protocolos quando utilizados
com o padrão de comunicação 802.11 conseguem melhor desempenho quando comparado
com o padrão 802.15.4. Os resultados do 802.15.4 são devido ao fato de ser um padrão que
possui baixa taxa de transmissão. No padrão 802.15.4, há uma perda de performance com o
aumento do número de sensores. Comportamento similar pode ser visto no trabalho de
Campbell et al. (2011). O mesmo não ocorre com o padrão 802.11, onde o aumento do
número de nós, não degrada no desempenho dos protocolos avaliados.
Figura 5 – Taxa de entrega usando 802.15.4 e 802.11 (%)
Fonte: Do próprio autor, 2015
Os resultados em relação ao atraso médio são mostrados na Figura 6. Percebe-se que o
protocolo pró-ativo DSDV, devido ao fato de conseguir preencher antecipadamente as tabelas
de roteamento dos sensores, obtém melhor performance, não importando o padrão de
comunicação. O cenário proposto, não possui mobilidade, assim, com o aumento do número
de nós, nos resultados referentes ao padrão 802.11, praticamente todos os protocolos
avaliados conseguem reduzir o atraso médio. Os protocolos AODVMOD e AOMDVMOD,
basicamente não possuem desempenho muito diferente dos protocolos AODVDEF e
AOMDVDEF no cenário de 70 nós. No cenário de 40 nós é verificado que o protocolo
AODVDEF consegue melhores resultados que o AODVMOD. No cenário de 55 nós, ambos
possuem resultados similares, mostrando assim que a diferença no tempo de ―HELLO‖ não
obteve impacto positivo. O protocolo AOMDV de forma geral, devido ao fato de conseguir
criar múltiplas rotas, conforme o número de nós aumenta, menor é o atraso. Verifica-se que a
diferença no tempo de “HELLO”, com o aumento do número de nós, praticamente não
impactou nos resultado, mostrando que a versão padrão do protocolo AOMDV
(AOMDVDEF) obtém resultados semelhantes ao protocolo AOMDVMOD, conforme há o
aumento do número de nós AOD. Com o padrão 802.15.4, é visto que as versões modificadas
dos protocolos AODV e AOMDV conseguem resultados melhores quando comparadas com
as versões padrões dos mesmos protocolos, em todos os cenários avaliados. Isso mostra que a
quantidade de mensagem de sinalização gerada, pode impactar no atraso médio.
Figura 6 – Atraso médio usando 802.15.4 e 802.11 (em milissegundos)
Fonte: Do próprio autor, 2015
Em relação ao consumo de energia no cenário avaliado, os resultados desta métrica
são mostrados na Figura 7. É visto que os protocolos AODVMOD e AOMDVMOD
conseguem resultados melhores que os mesmos protocolos nas suas versões padrões
(AODVDEF e AOMDVDEF), mostrando que a redução de quantidades de HELLO enviadas,
impacta diretamente no consumo de energia da rede. É visto que os protocolos AOMDVMOD
e AOMDVDEF em ambas as figuras consomem mais energia, devido ao fato de criarem
múltiplas rotas para um mesmo destino, logo necessitando de mais energia para isso. Quando
comparado os padrões de comunicação usados, é visto que o 802.11 consome mais energia até
mesmo pelo fato de ter uma taxa de transmissão mais alta que o 802.15.4.
Figura 7 – Consumo médio de energia usando 802.15.4 e 802.11 (em kJ.)
Fonte: Do próprio autor, 2015
CONCLUSÕES
Nas avaliações realizadas, percebeu-se que de forma geral o padrão 802.11 é uma alternativa
interessante a ser utilizada, dependendo do contexto da aplicação, mesmo obtendo valores
maiores de consumo de energia do que o padrão 802.15.4. Mesmo com essa desvantagem
quando comparado com o padrão 802.15.4, é importante mencionar que as taxas de entrega de
pacotes dos protocolos avaliados com o padrão 802.11 foram bastante significativas quando
comparado com o padrão 802.15.4 e que no cenário com maior número de sensores (70
sensores), o atraso médio em ambos os padrões para alguns protocolos são similares.
Percebeu-se também que o fato da alteração dos tempos de HELLO, teve maior impacto
quando utilizado o 802.15.4 e que no padrão 802.11 não causou nenhum impacto
significativo.
Como trabalhos futuros pretendemos implementar sensores na mesmo área simulada,
seguindo os mesmos parâmetros utilizados neste trabalho e avaliar o comportamento dos
protocolos de roteamento analisados neste trabalho. Além disso, posteriormente, pretende-se
desenvolver uma aplicação para Android, com o objetivo de informar ao produtor, em tempo
real, dados da área sensoriada, como por exemplo, a umidade do solo, ajudando-o na tomada
de decisões, com o objetivo de conseguir melhor qualidade do café, aumentar a produtividade,
assim como otimizar o uso dos recursos hídricos e no consumo de energia.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos à FAPES pelo suporte aos bolsistas que participaram deste trabalho.
REFERÊNCIAS
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<http://www.conab.gov.br/olalacms/uploads/arquivos/15_01_14_11_57_33_boletim_cafe_jan
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