Rede de Sensores Ambientais: Histórico e Perspectivas

An Environmental Wireless
Sensor Networks
Corke, P.; Wark, T.; Jurdak, R.; Wen Hu; Valencia, P.; Moore, D.;

Sérgio Espínola - Mestrando em Ciência da Computação / COPIN
sergiodbe@lad.dsc.ufcg.edu.br
Engenharia de Software em Sistemas Pervasivos - 2011.3 (Nov 2011)
Fonte Figura: www.rgbstock.com C.C. Prof. Dr. Hyggo Almeida - Embedded/ DSC / UFCG

Artigo analisado
Environmental Wireless Sensor Networks
Autores: Corke, P.; Wark, T.; Jurdak, R.; Wen Hu; Valencia, P.; Moore,
D.; Autonomous Syst. Lab.,

Proceedings of the IEEE [ISSN : 0018-9219]
Volume : 98 , Issue:11 On page(s): 1903 - 1917 References Cited: 44
Qualis: A1 Issue Date : Nov. 2010

P. Corke - Autonomous Systems Laboratory, CSIRO ICT Centre, Brisbane, Qld. 4064, Australia.
School of Engineering Systems, Queensland University of Technology, Brisbane, Qld. 4001, Australia (e-
mail: peter.corke@qut.edu.au). T. Wark, R. Jurdak, W. Hu, P. Valencia, and D. Moore - Autonomous
Systems Laboratory, CSIRO ICT Centre, Brisbane, Qld. 4069, Australia (e-mail: tim.wark@csiro.au; raja.
jurdak@csiro.au; wen.hu@csiro.au; philip.valencia@csiro.au; darren.moore@csiro.au).

Agenda
1. Contexto
2. O monitoramento e as atividades
afins
3. Estudo de casos
4. Problemáticas e lições aprendidas
5. Análise Crítica

Contexto: Redes de Sensores sem Fio
(WSN)

● Tecnologias de monitoramento em larga-escala com alta
resolução temporal e espacial
● Escopo: Monitoramento de Clima e Agricultura na Austrália

Problemática

● Uma década se passou, e a euforia divulgada nos
primórdios, pelos agentes do setor, deixa ainda a desejar!
● Euforia
○ A Ciência e os negócios seriam fortemente afetados devido as aplicações de
monitoramento universal em florestas, cachoeiras e construções.
○ Sistemas inteligentes onipresentes, autônomos e com respostas 24x7

Minimizar ou zerar as 'mortes ou fracassos'
de projetos relacionadas aos:
● Preço alto pago pelos desbravadores das tecnologias
emergentes
(absorção de novas ou não suficientemente testadas)
● Custo das Soluções Caras e de Legado (inúteis ou defasadas)

Redes de Sensores sem Fio (WSN)

● Problema a ser resolvido (artigo):
● Levantar um histórico recente de aspectos POR FAZER
(euforia ou percurso natural) e discutir o desenvolvimento
com bases mais sólidas, duradouros e escaláveis
pautando-se da aprendizagem obtida.

Fundamentos Inevitáveis
(hors concours)
1. Confiabilidade
2. Respostas em Tempo-Real
3. Alta-disponibilidade

Fonte Figura: www.rgbstock.com

Bases Analisadas: Eixos Transversais
● Integração do(s) Sistema(s)
● Desempenho
● Produtividade
○ Cliente com foco no negócio
(menos ou zero na tecnologia)
○ Pilotado e gerenciado de forma
ágil


Perspectivas

● Enquanto a base instalada é formada destes sensores:
● Nodos grandes (volume ~1l) são conectados por uma miríade de
fios aos transdutores;
● Ordem instalada é de dezenas de sensores;
A Pesquisa científica ainda está concentrada com aspectos de redes
e em questões de maximizar a vida dessas por meio de finitas
células eletroquímicas.

Tecnologia está ainda emergindo!!
● Detecção, predição e resposta de eventos,
● Integração da robótica a WSN,
● Áreas extensas ainda não são cobertas pelo alcance das WSN.

Aplicações Recentes

● Tema comum: Compreensão das
mudanças de Clima e da Agricultura

Classificação de clima de Köppen

● Sistema baseano na vegetação nativa. As zonas de
fronteira são definidas com a distribuição de vegetação em
mente. Combina temperatura, precipitações de médias
(anual e mensal) e a sazonalidade das chuvas.
● A Austrália tem a maioria de sua extensão com
áreas de clima de Semi-árido a Deserto
○ Possue um solo de (medíocre ou pobre) avaliação
comparado com o mundo.
○ Deficiências químicas são comuns e sempre é
recorrente a necessidade de se misturar grande
quantidade de fosfato e inúmeros outros nutrientes.

Fonte mapa Austrália: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Australia-climate-map_MJC01.png
Koppen: http://en.wikipedia.org/wiki/K%C3%B6ppen_climate_classification

Estudo de Casos (UC): Aplicações II

● Monitoramento de:
1. Rebanho (MR): B
2. MR e Manejo (MMR): E
3. Microclima de Floresta (MF): F
4. Qualidade da Água no Solo (MQA-S): C
5. MQA no Lago: G
● Projetos com duração
de 1 a 3 anos

Alguns conceitos de WSN
● Nodo: elemento básico de processamento (sensores ou
atuadores).
● Gateway: elemento
○ recebedor dos pacotes dos nodos e
○ de agregação e interface com sistemas backend
(persistência) e de controle
● Uma caracterização de nodo:
○ Simples
Amostra um sinal e o envia para processamento remoto
○ Complexa
Amostra, processa em tempo real e de forma distribuída,
detecta e - até - reage a eventos
● Transdutor: elemento que converte medidas de naturezas distintas.
Exemplos:
○ A pressão do ar em movimento produz uma energia cinética
(catavento). Esta, pode ser convertida em uma
representação elétrica da sua magnitude (velocidade em
amplitude de Tensão 3,2 V).
○ Tensão elétrica em ondas eletromagnéticas.


UC1: MR

● Descrição
1. Monitorar o Rebanho (Gado)
(posicionamento espacial ao longo do tempo)

2. Registrar a mistura do solo em vários
pontos numa área de pasto (engorda)
MedidaDoPasto=f(mistura do solo)

MedidaDoPasto indica o número de animais por área.

3. Nodos estáticos/móveis
4. Projeto acompanhado à 500 km
5. Ambiente extenso e com forte
cobertura solar
6. Realizado entre 2005 e 2006
7. Ocorreu em diversas fases

UC3: MMR

● Descrição
1. Realizar o manejo (controle)
remoto do Rebanho
Bases no projeto MR.
2. Questões éticas envolvidas
Saúde animal > Restrição dos atuadores
3. Nodos Geo Referenciados
(GIS+GPS)
4. Nodos estáticos e móveis integrados
5. Ambiente extenso e com forte
cobertura solar
6. Duração de 2 anos
7. Realizado entre 2007 e 2009


UC4: MF

● Descrição
1. Monitoramento confiável, de longo
prazo e remoto do ecossistema de uma
floresta chuvosa. f(restauração da
biodiversidade)
Fez parte de uma iniciativa maior!
2. Foi projeto piloto para quantificar algum
desempenho sobre condições:
1. Comunicação não-visada (com
obstáculos).
2. Ambiente chuvoso e com
baixíssima cobertura solar
3. Focos:
1. Gerencia de energia
2. Disponibilidade na transmissão de
dados
4. Lugar: Springbook, Au "Floresta húmida ou floresta de chuvas é um tipo de floresta
5. Realizado entre 2008 e 2009 caracterizada pela grande precipitação anual. Geralmente a mínima anual
flutua entre 1750–2000 mm chegando ao pico de 3000 mm na época das
chuvas."
Fonte: WIKIPEDIA

UC2: MQA-S

● Descrição
1. Levantar a salinidade, nível da água
e a taxa de água extraída salgada
para irrigação
Problema: A sobrExtração poder comprometer aquífero de águas
doces.
2. Projeto acompanhado à 2000 km
3. Região costeira.
Área 2 x 3 km^2
Local: Norte Burdekin
4. Realizado entre 2006 e 2007 Irrigating sugar cane crop using collapsible pipe system with cup-
5. Produziu mais de 1 milhão de leituras de condições de 'água' like spouts at Brandon (near Ayr), in the Burdekin Irrigation Area,
6. Funcionou por 1,5 ano e teve apenas duas manutenções. Uma SE of Townsville, Austrália.
motivada por forte descarga elétrica em tempestade. Fonte: http://www.scienceimage.csiro.au/index.cfm?event=site.
image.detail&id=4453

UC5: MQA-L

● Descrição
1. Monitorar verticalmente
perfis de temperatura em
vários pontos no lago d'água
potável de uma cidade.
Seis (6) perfis (mistura da água) podem
predizer o desenvolvimento de algas (algal
bloom).
2. Comunicação de nodos e
nodos-barco sobre as águas
3. Reparo, calibração e leituras
por barco-robô
4. Ambiente sub e sobre
aquático (lago) Lugar: Brisbane, Au
5. Realizado entre 2008 e
2009

"A computação pervasiva, também chamada de
computação ubíqua (Weiser, 1991), tem sido reconhecida
como a terceira onda na Ciência da Computação, após
as eras do Mainframe e dos Computadores Pessoais. Se
não completamente endereçada, todavia a computação
pervasiva será o paradigma predominante do século 21"
(Loureiro, Ferreira, Almeida & Perkusich; 2007)

Motivação e Contexto
Fonte Figura: Photo by David Orban. CC-BY-2.0

"Elementos do Sucesso"
1. Escolha de transdutores de rádio que ofereceram
links de alto ancance com baixo consumo (low power)
2. Protocolo MAC robusto baseado na estimativa
bidirecional LQ (IEEE 802.15.4 MAC)
3. Reconfiguração de rede fácil (RPC based solutions)
4. Simples e uniforme representação dos dados (TDF)
5. Adoção cedo de células solares para os nodos
sensores

"Apesar de externos ao domínio WSN, a escolha e a combinação
destes são críticos para o sucesso dos problemas de
longa duração no mundo real

"O desenvolvimento dos projetos se baseou em resultados presentes na
literatura com um adicional significativo (esforço na
implementação para assegurar robustez, confiança e usabilidade"


A Computação pervasiva e uma instância
"Computação Pervasiva é parte de uma
cadeia de evoluções que consiste em
sistemas distribuídos e computação móvel"
(Satyanarayanan, 2001)

Um WSN pervasivo deve:
1. Poder acompanhar condições de
clima, solo, águas e animais e,
eventualmente, reagir in-loco
(alarmes, reconfigurações e reparos)
2. Ser robusto, disponível e
transparente.
○ Robustez: considerar o uso
eficaz e eficiente de recursos
limitados e possibilitar
escalabilidade;
○ Disponibilidade: assegurar
efeitos de demanda na
totalidade do tempo
requerido;
○ Estar presente de forma
'calma'.
3. Anywhere, any place, Any Time
■ Web ready: Graphical
Views (G Earth, Plots),
buscas, minerar dados
e auditoriasFigura BG: http://www.research.philips.com/downloads/pictures/downloads/health_pershealth_22-0_h.jpg
Fonte
■ Geo referenciável (GIS

Solução
fim a fim
● Núcleo das soluções
○ Topologias dos nodos
○ FOSBase
○ Agregação e distribuição
dos dados

● Infra estrutura tradicional
○ backend MVC (persistência,
lógica e apresentação)
○ suporte (controle e reparo)

Visão do Cliente

Considerações Finais I
1. A geração seguinte de WSN acabará por
usufruir ou formar a "nova" Tecnologia de
Sensores Distribuídos. Esta independente de
infraestrutura externa (torres de celular ou satélites)
2. Paradigmas para (r)evolução
1. Mudanças técnicas em curso,
2. Custo-benefício das tecnologias
emergentes,
3. Tecnologias Alternativas

Considerações Finais II:

Mudanças técnicas em curso
1. As pesquisas corroboram e reforçam as descobertas.
2. A estrutura mais livre (de TELECO) e as restrições (consumo e
processamento), impuseram um novo repensar aos padrões das tecnologias
em uso.
3. O consumo de energia é inerentemente da radio transmissão
1. Melhorias no ciclo de trabalho (duty cycle) são necessárias (redução de
seu valor). No enlace, entre 1 a 5%.
4. Disponibilidade do enlace é outro fator crítico! Comunicação intra-nodos foi
dinâmica e, por vezes, não determinística, em alguns cenários.
5. O estado de energia do nodo é seu próprio limitador!
6. Operações eficientes de energia são fundamentais.

Considerações Finais IIb:

Mudanças técnicas em curso
● Constatações para pesquisa:
○ WSN com centenas de nodos, do
jeito atual, torna-se impraticável!
○ Mesmo para o paradigma "amostra
e envia", nodos podem evoluir e
responder a eventos direcionados e
adaptativos.
○ O dilema entre escolher projetar
maior carga no enlace ou no maior
processamento dos nodos está em
aberto e dependente de cada caso.

Considerações Finais III:

Custo-benefício das tecnologias
1. A padronização (commodity) de alguns elementos pode
acelerar o setor.
2. WSN tem um mercado pequeno (comparativo com TV e
celular áreas)
1. Escala de centenas ou milhares de sensores ainda não é
economicamente viável. Exceto no meio acadêmico.
2. Áreas potenciais:
■ Emissões de Gás perto de casas ecologicamente
corretas e questões de gás Carbono
■ Lugares com reservas baixas de água

Considerações Finais IV:

Tecnologias Alternativas
● Há um cruzamento de horizontes entre o
Sensoriamento ambiental, conectividade (regiões
distantes e rurais) e WSN de larga escala num
futuro breve (médio prazo).
○ Sensoriamento de imagens remotas
(aka SPOT-5) já monitoram características de
multiespecto melhor do que 10 mˆ2
○ Cobertura maior de 3G e 802.11* (WLAN)

Poderá haver uma combinação virtuosa ou considerar
a necessidade de curtos períodos de alta capacidade de banda"

O Futuro (the road ahead) I
1. Nodos inteligentes decidem, em tempo real, se
processam, colaboram, armazenam, atuam ou
enviam dados dos sensores;
2. Aprimoramento dos transdutores e sensores
atuais com novos (áudio, imagem e vídeo);
3. Consolidação de padrões (desejada)
1. IEEE 802.15.4 (Low Rate WPAN) e
6loWAN com IPv6 suporte
2. Rádios configuráveis via software
4. Maior suporte ao protocolo IP
1. Nodo como simples servidor-web permite acessos
diretos
2. Melhorias no armazenamento de dados e modelos
de seus relatórios

"Questões de Integridade e Segurança"


O Futuro (the road ahead) II
1. Programar a escalabilidade na rede de
centenas de nodos pedirá alguma forma de
hierarquia de seus componentes;
2. Mecanismos de auto-correção do
funcionamento ou substituição dos nodos
deverão acontecer de forma transparente;
3. Sistemas de fácil configuração e padronizados
(toSense software e arduino like boards)
fomentam experiências coletivas e seu
desenvolvimento;
4. Sistemas maiores devem poder ser montados
por componente menores e até por não
especialistas;

"A próxima onda combinará a comercialização da tecnologia corrente com
o desenvolvimento de mais funcionalidades avançadas".


Desafios WSN
● Há pontas diferentes no iceberg!
A rede de sensores é talvez a menor delas.
Aplicação e impacto reais dependem de uma gama de
fatores
● Soluções devem se pautar em tecnologias promissoras (de
negócio, compartilhadas e técnicas).
Porém devem buscar focar muito além!
○ Escalabilidade, Portabilidade, Confiança, etc.
● Novas topologias e arquiteturas de rede poderão redefinir
seu escopo, requisitos e potencialidades a qualquer
momento.

Fonte Figura fundo: (c) Photo by Michell Zappa. CC-BY-2.0

● O artigo aponta considerações
pertinentes relacionadas as experiências
(proposed)
do setor;
● Várias similaridades podem mapeadas
para os problemas embarcados: negócio
fim-a-fim, questões de consumo, escolha
de tecnologias, aspectos críticos, etc;

Fonte Figura fundo: (c) Photo by Incase Designs. CC-BY-2.0.
Contribuições
Arduíno.cc

Análise Crítica

● Visão única de um fornecedor de soluções deva ser 100%
confiável? Outros estudos além das auto-referências
devem ser combinados!
● Questões não detalhadas!
○ Segurança e integridade dos dados (citação de
pesquisas iniciadas porém ainda básicas:
TPM[40] e chave wifi),
○ Fatores de carga (payloads) ou de desempenho:
Ex. Efeito do uso da localização dos nodos
○ Topologias de rede Mesh ou 4G
● Campo ainda promissor de pesquisa e de negócio em
áreas determinadas (health care, prospecção de petróleo,
clima e meio-ambiente)
Fonte Figura fundo: (c) Photo by Michell Zappa. CC-BY-2.0

Referências

● Australia. (2010). Encyclopædia Britannica. Encyclopaedia ● Floresta Húmida. <http://pt.wikipedia.
Britannica Ultimate Reference Suite. Chicago: org/wiki/Floresta_h%C3%BAmida> Acessado em
Encyclopædia Britannica. Acessado em 21/10/2011 6/11/2011
● Austrália. < http://en.wikipedia.org/wiki/Australia >. ● Home based ubicomp <http://supercollider.dk >.
Acessado em 28/10/2011 Acessado em 10/11/2011
● Commonwealth Scientific and Industrial Research ● Megadiversidade. < http://en.wikipedia.
Organisation (CSIRO). < http://www.csiro.au >. Acessado org/wiki/Megadiverse_countries >. Acessado em
em 5/11/2011 10/11/2011
● Classificação de Clima. < http://en.wikipedia.org/wiki/K% ● TinyOS. <http://www.tinyos.net>. Acessado em
C3%B6ppen_climate_classification >. Acessado em 9/11/2011
10/11/2011
● Environmental Wireless Sensor Networks. Corke, P.;
Wark, T.; Jurdak, R.; Wen Hu; Valencia, P.; Moore, D.;
Proceedings of the IEEE, v.98, n.11, pg. 1903-1917, 2010.
Disponível em <http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.
jsp?tp=&arnumber=5597912>. Acessado em 30/09/2011
● ERGEN, S. C. ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary.
September 10, 2004. <http://staff.ustc.edu.
cn/~ustcsse/papers/SR10.ZigBee.pdf> Acessado em
12/11/2011


Sérgio Espínola - Mestrando em Ciência da Computação / COPIN
sergiodbe@lad.dsc.ufcg.edu.br

Obrigado!

Fonte Figura fundo: (c) Photo by Ed Schipul. CC-BY-SA-2.0.

Engenharia de Software em Sistemas Pervasivos - 2011.3
Prof. Dr. Hyggo Almeida - Embedded/ UFCG

D1: Requisitos de missão crítica

Funcionais
1. ___________________________________
2. ___________________________________
3. ___________________________________
4. ___________________________________
Não funcionais
5. ___________________________________
6. ___________________________________


D2: Tecnologia de rádio indicada
1. Compatível com legado (legacy)
2. A mais usada
3. Apostar na tendência (resultados pilotos ou
indicação da academia)
4. Desenvolver sozinho

Recomendações
1. ___________________________________
2. ___________________________________
Diretrizes e Observações
3. ___________________________________
4. ___________________________________

D3: Partição de Controle
(estratégia do processamento das informações, lugar(es) e frequência de agregação de medidas)

1. Irrelevante
2. Seguir o mercado
3. Apostar na tendência (resultados
pilotos ou indicação da academia)

Recomendações
1. ___________________________________
2. ___________________________________
3. ___________________________________
4. ___________________________________

Fonte Figura: http://itbegsthequestion.com/tag/divide-and-conquer

D4: Protocolos e Arquiteturas de Rede:
NOS, camada física e de enlace
1. Irrelevante "ZigBee provides low cost and low power connectivity for equipment that needs battery life as long as several months to several
years but does not require data transfer rates as high as those enabled by Bluetooth.
In addition, ZigBee can be implemented in mesh networks larger than is possible with Bluetooth.
2. Seguir o mercado ZigBee compliant wireless devices are expected to transmit 10-75
meters, depending on the RF environment and the power output consumption required for a given application, and will operate in
the unlicensed RF worldwide (2.4GHz global, 915MHz Americas or 868 MHz Europe).
3. Apostar na tendência The data rate is 250kbps at 2.4GHz, 40kbps at 915MHz and 20kbps at 868MHz."
Fonte: Padrão 802.15.4

(resultados pilotos ou indicação da
academia)

Recomendações
1. ___________________________________
2. ___________________________________
3. ___________________________________
4. ___________________________________

D5: Empacotamento da solução
1. Irrelevante
2. Quanto menor melhor
3. Tamanho médio
4. Grande
(Com reserva de espaço para futuro)

Recomendações
1. ___________________________________
2. ___________________________________
3. ___________________________________
4. ___________________________________

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