Redes de Sensores sem Fio aplicadas em Ambientes Industriais de Petróleo e Gás

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO E AUTOMAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE Redes de Sensores sem Fio aplicadas em Ambientes Industriais de Petróleo e Gás Ivanovitch Medeiros Dantas da Silva Orientador: Prof. Dr. Jair Cavalcanti Leite Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Computação da UFRN como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro de Computação. Natal, RN, dezembro de 2006

2 Resumo Uma das grandes áreas de atuação da computação móvel atualmente são as redes de sensores sem fio. Tais redes são formadas por uma grande quantidade de nós com capacidade de sensoriamento, controle e atuação, além de possuírem características físicas bastante reduzidas. Potenciais aplicações para redes de sensores estão distribuídos nas mais diversas áreas, variando desde ambientes militares, domésticos, hospitalares até ambientes industriais. O referido trabalho procura enfatizar a inserção das redes de sensores em aplicações industriais de petróleo e gás procurando focar seus benefícios quando comparado com o uso de outras tecnologias. Palavras-chave: Automação Industrial, Petróleo e Gás, Redes de Sensores.

3 Abstract One of the great areas of performance of the mobile computation currently are Wireless Sensor Network. Such network are formed by a great amount of nodes with sensing capability, control and actuator, beyond possessing sufficiently reduced physical characteristics. Potential applications for wireless sensor network are distributed in the most diverse areas, varying since military, domestic, hospital environments until industrial environments. The related work it look for to emphasize the insertion of the wireless sensor network in industrial applications of oil and gas being looked for aim its benefits when comparative with the use of other technologies. Keywords: Industrial Automation, Oil and Gas, Wireless Sensor Network.

4 Sumário Sumário Lista de Figuras Lista de Tabelas Lista de Símbolos e Abreviaturas i iii v vi 1 Introdução Visão geral das Redes de Sensores sem Fio Histórico das pesquisas em Redes de Sensores sem Fio Motivação Objetivos Organização do trabalho Redes de Sensores sem Fio Características e fatores determinantes em RSSF Tolerância à falhas Escalabilidade Custo de produção Ambiente de operação Topologia da rede Restrições de Hardware Meio de transmissão Consumo de energia Técnicas de segurança Aplicações em RSSF Aplicações Militares Aplicações de monitoramento ambiental Aplicações médicas Monitoramento de uma planta nuclear Arquiteturas de software e hardware para RSSF Sistemas Operacionais TinyOs Contiki i

5 3.1.3 MantisOS SOS Yatos Middleware para RSSF Projetos de nós sensores Família Motes Família µamps Família Wins Família Sensor Web Família BEAN Aplicações em ambientes industriais de P&G Manutenção preventiva de equipamentos Formação da rede Roteamento e reparos Mecanismos de transporte Modo de Operação sleep Monitoramento de equipamentos em uma refinaria Overhead na formação da rede Atraso na transferência dos dados Desempenho do rádio Consumo de energia Monitoramento de máquinas em um navio tanque Características básicas do problema Instalação da Rede Desempenho da Rede Monitoramento da estrutura de plataformas offshore Visão Geral Características do hardware Confiabilidade dos dados transmitidos Compressão dos dados Sincronização dos dados Monitoramento de dados sísmicos Visão Geral Modelagem da aplicação Arquitetura baseada em agentes Conclusões Principais contribuições Arquiteturas e protocolos utilizados Contribuições das aplicações Trabalhos futuros Referências bibliográficas 77

6 Lista de Figuras 1.1 Rastreamento de aviões com sensores acústicos Gerações dos sensores Aplicações em redes de sensores sem fio Redes de Sensores aplicada na indústria de petróleo e gás Principais componentes de um nó sensor Exemplo de aplicação militar usando RSSF Nó sensor com designer de sâmara Monitoramento de aves Monitoramento de uma planta nuclear com RSSF Mica Mica2Dot MicaZ Spec Motes, nó sensor miniaturizado Sensor Web Sensor Web 2 e Nó sensor BEAN Medição manual de amostras de vibrações em máquinas Componentes da plataforma Intel Motes Dimensões da plataforma Intel Motes Gateway utilizado na ligação dos nós sensores com o nó root Mica2 - nó sensor usado para que se possa realizar comparações com o Intel Motes Arquitetura para aplicação de monitoramento de máquinas em refinarias Overhead na formação das redes em aplicações de manutenção preditiva localizada em refinarias Influência do número de saltos no roteamento na retransmissão de pacotes Clusters da aplicação que monitora equipamentos em refinarias Desempenho do rádio para os diferentes nós sensores Influência da distância no tempo de transmissão Bateria utilizada pelos nós sensores Relação do consumo de energia com o tempo de vida e de hibernação Tanker Loch Rannoch - ambiente onde será desenvolvido à aplicação de monitoramento remoto de máquinas com RSSF Máquinas monitoradas no Tanker iii

7 4.16 Arquitetura da aplicação do monitoramento em Tankers Esquema de como adquirir energia através do ambiente para nós sensores Comparativo entre o tempo e o gasto de energia das principais operações dos nós sensores Número total de amostras dos nós localizados no cluster Número total de amostras dos nós localizados nos clusters 1 e Principais plataformas offshore - A) Plataforma Fixa, B) FPSO, C) Navio Sonda, D) Plataformas Semi-submersíveis, E) Plataformas auto-eleváveis, F) TLP Amostra de vibração coletado pelo sistema Wisden Princípio básico do processo de compressão dos dados Sincronização dos dados Aquisição sísmica terrestre e marinha Domínio das RSSF em exploração sísmica por reflexão Arquitetura das RSSF em aplicações de exploração sísmica por reflexão Arquitetura baseada em agentes para RSSF

8 Lista de Tabelas 1.1 Características básicas dos nós sensores Características básicas da família Motes Características básicas do nó RF Motes Características básicas do nó Laser Motes Características básicas do nó CCR Motes Características básicas do nó WeC Motes Características básicas do nó µamps Características básicas do nó Wins Características das redes em ambientes industriais Comparativo entre ZigBee e o Bluetooth Consumo de energia dos nós sensores Características básicas relacionadas com a aplicação de Monitoramento de equipamentos em uma refinaria Características básicas relacionadas com a aplicação de Monitoramento de máquinas em um navio tanque Características básicas relacionadas com a aplicação de Monitoramento de plataformas offshore Características básicas relacionadas com a aplicação de monitoramento de dados sísmicos v

9 Lista de Símbolos e Abreviaturas b: Protocolo padronizado pelo IEEE, alcança uma velocidade de 11 Mbps Bluetooth: Tecnologia para interconexão de aparelhos e dispositivos móveis CCR - Corner Cube Retroreflectors: Dispositivo que reflete raios de luz DARPA: Defense Advanced Research Projects Agency DSN: FFT: FPSO: IEEE: ISM: MEMS: NIST: Distributed Sensor Networks Fast Fourrier Transform - procedimento usado no processamento de sinais Floating, Production, Storage and Offloading Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc. Faixa de freqüência para aplicações industriais, científicas e médicas Sistemas micro-eletrônicos National Institute for Standards and Technology Offshore: termo usado para designar as aplicações localizadas em ambientes marítimos Onshore: termo muito utilizado na área de petróleo e gás natural referente às aplicações localizadas no continente OOK - On-Off-keying: Técnica de modulação binária QoS: RSSF: SHM: Quality of Service Redes de Sensores Sem Fio Structural Health Monitoring SOSUS: Sistema de detecção de sons usado na Gerra Fria SPLICE: Linguagem de processamento de sinais Tanker: WSN: Zigbee: Navio destinado ao transporte aquaviário de granéis de líqüidos, tais como petróleo e seus derivados Wireless Sensor Network Protocolo adotado pela RSSF vi

10 Capítulo 1 Introdução Neste capítulo, são introduzidas características básicas sobre redes de sensores sem fio bem como as pesquisas científicas encontradas em tal tecnologia. Tais informações servem de base para o entendimento deste trabalho. Os objetivos e a motivação pelo qual levaram a construção do trabalho relacionando as redes de sensores sem fio com ambientes industriais de petróleo e gás natural juntamente com sua organização estrutural são os outros temas abordados no capítulo. 1.1 Visão geral das Redes de Sensores sem Fio Redes de sensores sem fio (RSSF) são uma tecnologia emergente com amplas aplicações de conectividade com o meio físico. Esta relação torna possível a extração de informações vinculadas a um determinado ambiente de forma mais simples do que as técnicas de monitoramento e instrumentação tradicionais (exemplificado em Mainwaring et al. (2002)). Em contrapartida, uma série de novos desafios ainda deve ser superada por esta tecnologia principalmente no que se refere à segurança da informação. As WSN (Wireless Sensor Network) possuem características bastante peculiares em relação à estrutura física. É formada por uma grande quantidade de dispositivos que possuem a capacidade de sensoriamento, processamento, atuação, comunicação, além de possuírem custos e tamanho reduzidos. Tais dispositivos são chamados de nós sensores. Os nós da rede atuam de forma cooperativa disseminando uma determinada informação entre os outros nós até que os dados coletados atinjam um ponto de saída e possam ser processados pela aplicação cliente. A instalação física dos nós poderá ser feita de forma aleatória (como em Bu & Naghdy (2005)) na área onde determinada aplicação será instalada. A limitação física dos nós sensores é um ponto de grande importância no contexto das RSSF 1. Memória, bateria, dispositivos de transmissão e processamento são os principais componentes dos nós e são adaptados a tais limitações. Geralmente os nós sensores são espalhados por áreas de grandes dimensões e que possuem difícil acesso físico, idealmente devem operar sem intervenção humana por um longo intervalo de tempo. Para isto, o consumo de energia deve ser o mínimo possível, caso contrario o nó poderá esgotar sua 1 RSSF - Redes de Sensores sem Fio

11 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 2 capacidade de funcionamento e será desligado da rede. A substituição dos nós diminui sensivelmente os benefícios trazidos pelas RSSF, e na maioria das aplicações este fator dever ser evitado. Portanto, o consumo da bateria do nó sensor deve ser o mais otimizado possível, evitando que a rede perca desempenho em caso de vários desligamentos em cascata de nós. O fato das RSSF (Redes de Sensores sem Fio) possuírem uma grande densidade de nós faz com que vários elementos realizem o sensoriamento de uma mesma variável de ambiente, provocando redundâncias de informações na rede. Esta característica proporciona um nível de informação mais preciso para a aplicação. Entretanto é importante observar que o processo de transmissão nos nós sensores é a atividade que mais consome energia. Desta forma soluções para otimização do roteamento de dados deve ser implementado para minimizar os gastos com o consumo de energia. Várias pesquisas nesta área atualmente estão sendo feitas, algumas direcionam-se a diminuir o tamanho das mensagens e o número de transmissões, outras buscam na maior densidade de nós um melhor ajuste para o roteamento baseado na minimização do uso da bateria. A primeira vertente de pesquisa busca diminuir a energia gasta na transmissão baseada no ajuste do processamento interno dos nós sensores enquanto que a segunda onda de pesquisa adotada faz com que os sensores se auto-desliguem em caso de ociosidade. Vários protocolos de roteamento de dados são propostos para as RSSF, alguns destes podem ser melhor analisados por [Al-Karaki & Kamal 2004, Ye et al. 2002, Xu et al. 2000, Xu et al. 2001]. Tais protocolos são baseados na técnica de multihops, onde uma informação é disseminada desde o nó sensor que a originou até um ponto de saída da rede. Um outro fator importante nas RSSF é a topologia da rede. Sua estrutura topológica dinâmica necessita de mecanismos com um elevado grau de auto-configuração. Nós sensores podem ser retirados, desligados, inseridos na rede de forma totalmente aleatória, necessitando de mecanismos capazes de configurar esse novo ambiente sem a presença do usuário. Um exemplo desta técnica pode ser visto em Bu & Naghdy (2005). Todas as pesquisas citadas acima devem adaptar-se a este dinamismo evitando a configuração estática no planejamento da rede. Um último fator a ser levado em conta nesta pequena introdução sobre RSSF são suas aplicações. Uma variedade de nichos pode ser explorada, como aplicações de monitoramento de objetos, prevenção de incêndios, detecção de movimento, sistemas de segurança, automação predial, aplicações domésticas, monitoramento ambiental, médicas, industriais, exploração de petróleo, robótica, metereológicas, manutenção preventiva de máquinas e várias outras aplicações. Vários trabalhos são encontrados sobre aplicações em RSSF, como podem ser vistos em [Ramanathan et al. 2006, Nachman et al. 2005, Krishnamurthy et al. 2005, Delicato et al. 2004, Howard et al. 2002, Liu et al. 2002, Mainwaring et al. 2002, Akyildiz et al. 2002, Cerpa et al. 2001, Estrin et al. 1999]. Percebe-se um senso comum nessas aplicações; domínio distribuído, cooperação entre nós para que a obtenção de uma determinada informação, qualidade de serviço (QoS) (precisão dos dados, latência, jitter, transferência de dados) entre outros. A questão do QoS é fortemente ligada ao tipo de aplicação utilizada, como por exemplo, um monitoramento em tempo real usando RSSF de um duto de gás em uma refinaria de petróleo necessita aspectos de QoS bem mais robustos do que uma aplicação que monitora as migrações de pássaros.

12 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO Histórico das pesquisas em Redes de Sensores sem Fio O desenvolvimento das redes de sensores envolve tecnologias de três áreas de pesquisas distintas: sensoriamento, comunicação e computação (incluindo hardware, software e algoritmos). Portanto, os avanços combinados ou separados destas áreas influenciam diretamente nas pesquisas em RSSF (Redes de Sensores sem Fio). Como na maioria das tecnologias de monitoramento remoto, pesquisas direcionadas com aplicações de defesa militar foram inicialmente exploradas nas Redes de Sensores sem Fio. Durante a Guerra Fria, sistemas de detecção de sons (SOSUS) já utilizavam os conceitos destas redes. Uma vasta quantidade de sensores acústicos (hidrofones) eram inseridos no fundo do oceano, localizados estrategicamente visando detectar submarinos soviéticos. Atualmente o SOSUS é usado pela National Oceanographic and Atmospheric Administration (NOAA) no monitoramento de eventos no oceano, tais como atividades sísmicas e de animais. Ainda durante a Gerra Fria, redes usando sensores foram utilizadas nos sistemas de defesa aeroespaciais desenvolvidos para proteção dos USA e Canadá. Pesquisas modernas sobre RSSF têm inicio por volta de 1980 quando o DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) introduziu o projeto DSN (Distributed Sensor Networks). Neste período, a Arpanet (precede a internet) já estava em operação em universidades e institutos de pesquisa. R. Kahn, o co-inventor do protocolo TCP/IP e que também contribuiu para o desenvolvimento da Internet, nesta época era diretor de um dos vários escritórios do DARPA. Vislumbrou que a comunicação do Arpanet poderia ser estendida para o conceito das redes de sensores. A rede foi imaginada de forma distribuída e esparsa, onde seus elementos teriam baixo custo e realizariam o roteamento de dados para transmitir informações de uma melhor maneira possível. É importante lembrar que nesse tempo ainda não existia nem computadores pessoais nem estações de trabalho, todo processamento era feito em minicomputadores como o PDP-11 e em máquinas VAX onde era usados o Unix e o VMS, os modens atingiam taxas de operação que variavam de 300 a 9600 Bd. A tecnologia para os componentes da DSN foram identificadas e inicialmente discutidas pelos pesquisadores no Distributed Sensor Nets workshop no ano de Estes eram formados por sensores(acústicos), elementos de comunicação, técnicas de processamento e algoritmos (incluindo de auto localização dos sensores) e softwares distribuídos. Como a maioria dos componentes ainda não estava disponível, o programa DSN teve que dirigir-se a computação distribuída, onde problemas de detecção acústica distribuída foram demonstradas. Pesquisadores do Carnegie Mellon University (CMU), focaram seus esforços de pesquisa em fornecer uma operacionalidade da DSN de uma forma mais flexível, com acesso transparente para recursos distribuídos que necessitavam de tolerância a falhas. Vários testes foram feitos com processamento de sinais juntamente com sensores acústicos, utilizando para isso computadores VAX conectados na Ethernet. Pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology (MIT) e de Cambridge, concentraram suas forças no processamento de sinais. Foi desenvolvido uma linguagem de processamento de sinais

13 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 4 e de Ambiente computacional interativo (SPLICE) para analise das informações obtidas pela DSN. Para demonstrar suas pesquisas, o MIT Lincoln Laboratory desenvolveu uma aplicação de rastreamento de aeronaves em baixas altitudes através de sinais acústicos que eram lidos por sensores, uma ilustração da aplicação pode ser vista na figura 1.1. Figura 1.1: Rastreamento de aviões com sensores acústicos Os pesquisadores tinham em mente uma rede de sensores formada por uma grande quantidade de pequenos sensores, o único problema é que a tecnologia para criação desses pequenos sensores não existia na época. Entretanto, projetistas de sistemas militares logo reconheceram os benefícios desta nova tecnologia em ambientes militares. Sensores e as armas podem atuar independentemente num ambiente de guerra informando a melhor posição das tropas e dos atiradores com tempos de resposta bastante rápidos. O avanço tecnológico na computação e na área de comunicação esta tornando possível o desenvolvimento original das redes de sensores sem fio. Pequeníssimos sensores baseados em sistemas micro-eletromecânicos (MEMS ), redes sem fio e processadores embarcados de baixa potência estão tornando aplicações em redes de sensores sem fio mais precisas e realísticas. O DARPA tem iniciado programas de pesquisa em redes de sensores abrangendo essas novas tecnologias. Concluído recentemente, o programa SensIT (Sensor Information Technology) propõe duas novas linhas de pesquisas na RSSF. A primeira desenvolveu novos paradigmas em redes, como por exemplo, o conceito de redes ad hoc. Esse novo conceito propõe redes com infra-estruturas bastante dinâmicas, ideais para ambientes militares e industriais. Ao contrário das redes usadas para transmissão de voz e dados, que necessitam de uma estrutura fixa. A segunda onda de pesquisa relaciona-se com o processamento da informação. Por exemplo, como extrair informações dos sensores de forma otimizável e confiável num tempo aceitável são os desafios dessa nova área de pesquisa. SensIT cria novas habilidades para as novas tecnologias de sensores. Os atuais sistemas de segurança tática (TASS) usados pelo exército americano é um exemplo de uso dessas novas habilidades. Tais sistemas adaptam-se facilmente aos conceitos introduzidos pelo SensIT, normalmente utilizam tecnologias baseadas apenas na transmissão dos nós com detecção de longo alcance. As redes baseadas em SensIT

14 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 5 tem novas capacidades, normalmente são redes interativas e compatíveis com tarefas e armazenamento dinâmicos. Os softwares e algoritmos usados nas SensIT exploram a proximidade dos dispositivos para tratar de forma mais precisa questões de transmissão e detecção de dados, os softwares também devem suportar baixa latência, operar de forma eficiente evitando gasto desnecessário de energia ao nó além de possuir um certo grau de auto-configuração em suas operações. As atuais redes de sensores exploram tecnologias que não existiam há duas décadas atrás além de executarem funções que jamais foram imaginadas no passado. Sensores, processadores e dispositivos de comunicação estão cada vez menores e mais baratos. A indústria vem acompanhando de perto tal evolução, empresas como Ember, Crossbow, Sensoria e a Intel atualmente desenvolvem pequenos nós sensores e seus sistemas, mostrando o quão é competitivo o mercado de fabricação de tais dispositivos. Tendo uma visão um pouco mais futurística, podemos vislumbrar que os avanços na tecnologia MEMS farão com que os sensores sejam cada vez mais robustos e versáteis. Como exemplo, podemos citar a companhia Dust Inc., Berkeley, CA, entrou no projeto Smart Dust por volta dos anos 90 e atualmente fabrica sensores MEMS que tem a capacidade de detecção e comunicação além de possuírem tamanho físico bastante ínfimo. A tabela 1.1 e a figura 1.2[Chong & Kumar 2003] ilustram as gerações dos sensores bem como suas características básicas Empresas comerciais: Fabricantes TRSS Croossbow, Sensoria Dust, Inc. Ember Tamaho Caixa de Sapato Palito de fósforo Ínfimo Peso kilogramas gramas insignificante Arquitetura Sensoriamento Integração computação processamento dos componentes quântica e comunicação separados Duração da bateria Baterias grandes Baterias AA Energia Solar horas e dias meses, anos anos Tabela 1.1: Características básicas dos nós sensores Figura 1.2: Gerações dos sensores

15 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO Motivação As pesquisas em redes de sensores sem fio foram motivadas inicialmente para aplicações militares, como por exemplo, na detecção de submarinos através de sensores acústicos. O avanço tecnológico propiciou a fabricação de sensores a baixo custo além dos avanços nas técnicas de transmissão de dados que tornaram as redes de sensores sem fio uma potencial ferramenta para várias aplicações, como por exemplo, em aplicações de ambientes industriais. As várias áreas de atuação das aplicações que utilizam RSSF (Redes de Sensores sem Fio) são ilustradas na figura 1.3 [Cook et al. 2004], também pode-se perceber o alto grau de conectividade e dinamismo de tal tecnologia. Figura 1.3: Aplicações em redes de sensores sem fio O dinamismo da tecnologia é um fator bastante atraente para sua utilização. Sensores podem ser espalhados por uma vasta área onde determinado fenômeno será monitorado por uma aplicação. As RSSF utilizam técnicas complexas para distinguir qual fenômeno será sensoriado por quais sensores a fim de eliminar distorções e ruídos dos dados disseminados pela rede. O setor industrial há muito tempo tem demonstrado interesse pela redução de custos, melhoria no desempenho e por técnicas mais avançadas de manutenção em seus planteis de máquinas. O monitoramento da saúde (status) de uma máquina geralmente é determinado por técnicas que envolvem tecnologias bastante complexas, como por exemplo, análise por vibração ou por lubrificantes. O ambiente industrial apresenta muitas vezes riscos físicos aos seus trabalhadores, existindo áreas onde o índice de acidentes são bastante altos. Os dois fatos citados anteriormente são exemplos de potenciais áreas onde as redes de sensores sem fio podem ser aplicadas em ambientes industriais. Há vários anos o Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc. (IEEE) e o National Institute for Standards and Technology (NIST ) lançaram o adendo 1451 que padroniza as interfaces de pequenos transdutores, tornando a constru-

16 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 7 ção de aplicações de sensores em redes industriais totalmente padronizadas. Atualmente várias fábricas utilizam em suas linhas de produção automatizadas redes de detecção remotas, implementadas com um sofisticado mecanismo de controle de qualidade e de testes que utilizam os mais variados tipos de sensores. O sensoriamento espectral é um exemplo clássico de uso de sensores em ambientes industriais. Dispositivos ópticos como optrodes e analisadores de ph são usados em análises espectrais juntamente com pequenos espectrômetros. Sensores ópticos de baixo custo são uma nova solução para substituir tais equipamentos, sendo facilmente acoplados em nós das RSSF. Generalizando, o sensoriamento industrial tem como finalidade detectar através de multipontos centenas e milhares de dados que são lidos por sensores que alimentarão a base de dados de uma determinada aplicação, para isto, todas as operações devem ser realizadas em tempo real, requisito primordial em aplicações industriais. Vários fatores são encontrados na literatura que motivam o uso de redes de sensores sem fio em aplicações, um último fator que citaremos é o fato de todas elas serem distribuídas. Geralmente tais aplicações são difíceis de implementar, tornando seus projetos bastante criteriosos. Um fator importante é que os projetistas de aplicações industriais desconhecem os protocolos das redes de sensores. Portanto um mecanismo que crie uma abstração entre os protocolos e os desenvolvedores deve ser adotada. Um exemplo de tal mecanismo é o conceito de middleware, muito usado em aplicações distribuídas. Trabalhos mais aprofundados sobre middleware em RSSF podem ser encontrados em Delicato et al. (2004). As RSSF são desenvolvidas com uma elevada dependência entre as aplicações e os protocolos de comunicação, gerando sistemas bastante rígidos. Normalmente tais métodos são adotados com a finalidade de economizar energia, dado as limitações físicas dos nós sensores. Num futuro próximo as redes de sensores sem fio devem atender mecanismos bem mais flexíveis em seus projetos, podendo adotar várias aplicações numa mesma rede física. A capacidade de monitoramento remoto, flexibilidade de configuração e manutenção, robustez, vinculados com as características relacionadas anteriormente fazem da RSSF uma potencial ferramenta para as aplicações da indústria de petróleo e gás natural. A ausência de cabeamento físico presente nas redes de sensores torna esta tecnologia uma grande candidata para inserção em refinarias e plataformas de petróleo, onde os espaços físicos das aplicações devem ser otimizados usandos as técnicas mais flexíveis. A indústria de petróleo e gás natural investe bilhões de dólares em novas tecnologias a cada ano, principalmente nas áreas voltadas para o setor de exploração e produção de óleo e gás. Setor em que as RSSF apresentam maior potencial de aplicações. Pesquisa feita por Hatler & Chi (2005) com grande parte das maiores companhias de petróleo e gás natural do mundo (British Petroleum, Buckeye LLP, Chesapeake Energy, ChevronTexaco, El Paso Corporation, Encana, ExxonMobil, Forest Oil, Great Lakes Gas Transmission, Gulfstream, Iroquois Gas Transmission, Kinder Morgan, Lyondell-Citgo, Noble Energy, Northern Border Partners, Royal Dutch Shell, Occidental Petroleum, Marathon Ashland Petroleum, Stone Energy Corporation, TEPPCO, Vaquero Energy Ltd, XTO Energy) revelou que todas as companhias pesquisadas adotam tecnologia wireless acopladas em seus sistemas supervisórios e planejam a curto prazo investimento em tecnologia de mo-

17 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 8 nitoramento remoto para suas plantas industriais. Comprovando o grande potencial de aplicabilidade das RSSF neste setor. 1.4 Objetivos O referido trabalho busca na tecnologia em redes de sensores sem fio adotar melhorias para as dezenas de aplicações que envolvem ambientes industriais, procurando enfatizar aqueles relacionados com o setor de petróleo e gás natural. A figura 1.4 ilustra algumas das potenciais aplicações para as RSSF neste setor. Monitoramento de máquinas no que se refere à manutenção preventiva através de análises vibratórias, monitoramento de dutos relacionados com vazamentos e detecção de corrosão, monitoramento da estrutura físicas de plataformas e a comunicação entre geofones são algumas dessas aplicações. Algumas aplicações serão descritas de forma a poderem ser totalmente caracterizadas(topologia, hardware, técnicas de segurança e softwares utilizados) com o uso das RSSF. Para um melhor entendimento de certas aplicações, protocolos de roteamento de dados e otimização do gasto de energia dos nós sensores serão descritos com mais detalhes. Visando também transmitir a diversidade de aplicações em que as RSSF podem ser inseridas, algumas aplicações que não se relacionam com o setor de petróleo e gás serão citadas, porém com menor ênfase de detalhes do que as primeiras. Figura 1.4: Redes de Sensores aplicada na indústria de petróleo e gás 1.5 Organização do trabalho Este trabalho está organizado em 5 capítulos. O capítulo 2 descreve as principais características das redes de sensores bem como suas aplicações nas mais diversas áreas.

18 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 9 No capítulo 3 encontramos uma listagem dos principais projetos relacionados com os desenvolvimentos dos nós sensores e com as arquiteturas de software utilizadas nas RSSF. O capítulo 4 trata do tema principal deste trabalho, que são as aplicações das RSSF em ambientes industriais voltados para o setor de petróleo e gás natural. Vários exemplos são minuciosamente demonstrados, mostrando a eficiência das RSSF em tais aplicações. Por fim, o capítulo 5 descreve as conclusões deste trabalho, bem como possíveis projetos futuros.

19 Capítulo 2 Redes de Sensores sem Fio Neste capítulo será abordado de forma genérica aplicações em redes de sensores sem fio. As características básicas que devem ser levadas em consideração em suas modelagens também serão descritas. As aplicações relacionadas com o setor de P&G (Petróleo e Gás) serão descritas no capítulo Características e fatores determinantes em RSSF As Redes de sensores são uma tecnologia bastante abrangente e dinâmica. Suas áreas de atuação estão voltadas para as mais diversas aplicações e seus desenvolvimentos técnicos apresentam avanços consideráveis tanto na parte de hardware como de software. A flexibilidade de instalação e configuração dessas redes fazem com que sua utilização apresente resultados bastante significativos quando comparados com outras tecnologias. Este elevado nível de flexibilidade necessita de mecanismos com grande capacidade de adaptação. Uma proposta de arquitetura capaz de sustentar estas características foi desenvolvida por Bu & Naghdy (2005), onde o conceito de cluster foi implementado. Os clusters são ideais para organizar grandes quantidades de elementos que estão localizados em uma área extensa, proporcionando uma excelente flexibilidade de instalação. Nesta arquitetura, as dezenas ou centenas de nós que compõe a rede de sensores são categorizados em 3 tipos básicos: Nós escravos Nós mestres Nós sink Os nós escravos são aqueles localizados dentro de um cluster genérico. Geralmente realizam operações de sensoriamento e transmissão de dados, em determinados momentos apenas transmitem e em outros detectam informações. Após coletarem algum dado estes nós procuram transmitir a informação coletada para o seu respectivo nó mestre, localizado dentro de seu cluster. Técnicas mais aprofundadas sobre este tipo de roteamento pode ser melhor visualizado por Xu et al. (2000). Os nós mestres controlam e monitoram todos os nós escravos de seus clusters além de guardarem em memória a identificação de todos nós escravos. Uma das principais funcionalidades do nó mestre está relacionada com a capacidade de realizar fusão de dados.

20 CAPÍTULO 2. REDES DE SENSORES SEM FIO 11 Um nó mestre pode controlar dezenas de nós escravos, estes nós podem enviar quantidades significativas de informação que facilmente provocam a queda no desempenho da rede. Desta forma é bastante importante que a fusão de dados seja realizada para que o desempenho da rede possa ser otimizado. Técnicas mais aprofundadas, que levam em consideração o deslocamento dos nós escravos para obtenção da melhor fusão dos dados, podem ser encontradas em Schoellhammer et al. (2006). O último nó sensor que discutiremos será o sink. Esses nós são elementos de grande importância em redes de sensores sem fio. Fazem a interconexão da rede externa com a RSSF (Rede de Sensores sem Fio). As aplicações clientes estão localizadas nesta rede externa. O nó sink é encarregado de pegar solicitações de serviços provenientes da aplicação e realizar chamadas as redes de sensores para que o serviço possa ser executado. Em seguida a resposta do serviço pode ser entregue a aplicação solicitante. A importância do nó sink é tamanha que se por acaso ele parar, toda rede estará incomunicável com uma determinada aplicação e conseqüentemente provocará a deterioração da mesma. Técnicas para prevenção de segurança devem ser adotadas nos nós sink para evitar este tipo de situação. Após a caracterização dos tipos básicos de nós sensores, trataremos nos próximos parágrafos dos principais temas que devem ser levados em consideração na modelagem das RSSF. Tolerância a falhas Escalabilidade Custo de produção Ambiente de Operação Topologia da rede Restrições de hardware Meios de transmissão Consumo de energia Técnicas de segurança Tolerância à falhas A tolerância à falhas nas RSSF está vinculada com a capacidade de funcionamento dos nós sensores. Alguns nós sensores podem falhar, serem bloqueados devido o baixo nível da bateria, podem ser danificados fisicamente e ainda sofrerem interferência do ambiente em que estejam interagindo. A falha nos nós sensores não deve atrapalhar a execução de uma tarefa na rede. Este requisito é necessário para que a rede de sensores seja considerada tolerante a falhas. Perceba que os algoritmos de roteamento adotados devem levar em consideração restrições quanto aos níveis de tolerância a falhas das redes de sensores. Se a região onde os nós sensores estão localizados sofre pouca interferência externa, as restrições podem ser relaxadas. Estas restrições também estão relacionadas com o domínio de aplicação[srisathapornphat et al. 2000]. Nós sensores espalhados no interior de uma casa, com a finalidade de captar temperatura e umidade necessitam de restrições relacionadas

21 CAPÍTULO 2. REDES DE SENSORES SEM FIO 12 com tolerância a falhas bem mais brandas do que nós sensores espalhados ao redor de dutos em um campo de petróleo Escalabilidade O número de nós sensores no processo que realiza o sensoriamento de um determinado fenômeno pode estar na ordem de dezenas a centenas, dependendo em que contexto a aplicação esteja inserida. Para o caso do monitoramento de dados sísmicos na prospecção de hidrocarbonetos, a ordem de grandeza para a quantidade dos nós sensores poderá chegar às centenas. Os esquemas adotados devem ser flexíveis o suficiente para serem capazes de suportar grandes e pequenas escalabilidades de nós sensores. Esta flexibilidade da escalabilidade está vinculada diretamente com a tolerância a falhas. A grande quantidade de nós defeituosos de uma aplicação poderá provocar a mudança das características de escalabilidade de uma região das RSSF (Redes de Sensores sem Fio). Está mudança deverá ser automaticamente reconfigurada pela rede. Uma outra característica levada em consideração na escalabilidade das RSSF está vinculada a redundância de informação disseminada pela rede. Algumas aplicações exigem mecanismos de segurança onde o tráfego de informações redundantes é necessário para que a precisão da informação coletada seja melhorada. Esta redundância é conseguida através do aumento na quantidade de nós sensores Custo de produção Devido o elevado grau de escalabilidade das redes de sensores, o custo por nó sensor é um item bastante importante na modelagem de uma aplicação. Este investimento, para que o mesmo seja viável economicamente, deve ser inferior ao valor de um sensor tradicional (deve-se levar em consideração também o custo na aquisição de dados para este sensor). O Zigbee, protocolo que é implementado pelas RSSF, definido pelo adendo relaciona-se com dispositivos que apresentam capacidade física bastante reduzida e como conseqüência preços também reduzidos. Atualmente os dispositivos que implementam este adendo cobram por licenças relacionadas com a utilização do protocolo. Idealmente nós sensores são vislumbrados num futuro próximo para quantias inferiores a $1, entretanto é preciso observar que este valor está relacionado com um nó sensor básico. Mecanismos adicionais nos nós sensores podem encarecer demasiadamente o custo final do nó sensor, sendo está característica de suma importância na modelagem de uma aplicação Ambiente de operação RSSF são projetadas para atuar em áreas extensas e geralmente de difícil acesso, onde vários fenômenos físicos podem ser observados. Exemplos dessas áreas podem ser: Interior de máquinas Dentro de um furacão

22 CAPÍTULO 2. REDES DE SENSORES SEM FIO 13 Superfície oceânica Áreas com contaminação biológica ou química Campos de batalha Casas ou prédios Lojas Animais Veículos Esta pequena lista dá uma idéia de quais circunstâncias os nós sensores devem suportar nesses ambientes. Alta pressão, frio, calor intenso, ruídos, vibrações e uma dezena de outras peculiaridades são exemplos de intempéries que as RSSF (Redes de Sensores sem Fio) devem suportar Topologia da rede Antes de começarmos a descrever as topologias nas RSSF precisamos enumerar algumas características importantes. Primeiro deve-se perceber que a instalação dos nós sensores na sua grande maioria está localizada em áreas inacessíveis que impedem visitas de técnicos para possíveis manutenções. O segundo ponto a ser levado em consideração refere-se a ocorrência de falhas, que neste caso pode apresentar taxas significativas. A modelagem da topologia nas RSSF deve atender esses requisitos. Apartir dos requisitos relacionados anteriormente podemos dividir a topologia em RSSF em 3 fases distintas: Pré-desenvolvimento e desenvolvimento Pós-desenvolvimento Inserção de novos nós Na fase de pré-desenvolvimento e desenvolvimento ocorre a instalação e acomodação dos nós sensores na rede. Essas tarefas podem ser feitas de várias formas: jogadas por um avião, espalhadas por um míssil, manualmente por humanos ou robôs, etc. Os esquemas de instalação devem atender há alguns requisitos básicos, como por exemplo: redução do custo na instalação, eliminação da necessidade de um pré-planejamento, aumento na flexibilidade da rede e provimento de um mecanismo para uma auto-organização. A fase de pós-desenvolvimento ocorre após a topologia inicial ser instalada. Mudanças na topologia podem ocorrer devido a uma série de fatores que são listados abaixo: Posição Alcance (ruído, obstáculos, etc) Energia disponível Mal funcionamento Requisitos das tarefas Alguns nós sensores podem ser instalados em posições fixas, outros ainda tem capacidade de locomoção, todavia esta fase deve ser capaz de se adequar a tais funcionalidades. Por último, devido à destruição ou desligamento dos nós da rede, a inserção de novos

23 CAPÍTULO 2. REDES DE SENSORES SEM FIO 14 nós sensores pode ser necessário para que a rede mantenha um nível aceitável de funcionamento. O mecanismo dinâmico de inserção deve adaptar-se aos requisitos citados anteriormente Restrições de Hardware Nesta seção será dada uma visão geral das características básicas de um nó sensor. Podemos perceber de acordo com a figura 2.1 os principais componentes de um nó sensor. Unidade de sensoriamento Unidade de processamento Unidade de transmissão Unidade de energia Dependendo da aplicação componentes adicionais como um sistema de localização e uma unidade de movimentação podem ser adicionados aos nós sensores. Figura 2.1: Principais componentes de um nó sensor A unidade de sensoriamento é formada por duas subunidades: transdutores/sensores e conversores analógico digitais. Sinais analógicos são gerados pelos sensores a partir de um determinado fenômeno ocorrido no ambiente e são convertidos para sinais digitais pelo conversor AD (Analógico Digital). Estes sinais são utilizados como entrada na unidade de processamento. A unidade de processamento geralmente é associada como uma unidade de pequena capacidade de processamento e armazenamento. Como exemplo, o hardware do smart dust mote possui um microcontrolador Atmel AVR855 com freqüência de 4 MHz, 8 KB de instruções em memória flash, 512 bytes de RAM e 512 bytes de EEPROM. Esta unidade tem a responsabilidade de controlar os procedimentos necessários para que os nós sensores possam realizar o processamento das tarefas para o qual lhe foram atribuídas.

24 CAPÍTULO 2. REDES DE SENSORES SEM FIO 15 A unidade de transmissão e recepção conecta os nós na rede. Esta unidade é uma das mais importantes para a execução das funcionalidades do nó sensor, realiza a comunicação deste com o ambiente externo através de um dispositivo de rádio freqüência (RF). Comunicação por RF apresenta vários requisitos: modulação, banda passante, filtragem, circuitos de multiplexação e demodulação. Para as RSSF (Redes de Sensores sem Fio) a banda passante licenciada que está relacionada com o adendo possui as seguintes variações: 868 MHz, MHz, 2.4 GHz. Um outro fator a ser levado em consideração em uma transmissão por RF diz respeito as perdas de sinal. Estas perdas podem atingir elevados níveis que variam conforme a distância entre os nós sensores. As características principais da comunicação por RF nas RSSF são: pequeno tamanho dos pacotes de dados, baixas taxas de transmissão e pequeno alcance (100m a 400m). A unidade de energia é responsável por alimentar todos os componentes do nó. Um dos principais requisitos nas RSSF é o gasto de energia, técnicas eficientes para o consumo de energia são atualmente umas das grandes áreas de pesquisa em RSSF. Algumas técnicas desenvolvidas para o roteamento de dados em RSSF necessitam com relativa precisão a posição dos nós sensores para seu correto funcionamento. Desta forma, um sistema de localização pode ser acoplado no nó para atender este requisito. A adoção de técnicas de GPS não é adequada as RSSF devido suas limitações físicas quanto ao gasto de energia, todavia pesquisas[li & Halpern 2001] mostram que a adoção de módulos GPS em apenas alguns nós sensores podem trazer grandes benefícios sem afetar o consumo de energia da rede. Um outro sistema que também pode ser adicionado ao nó sensor é uma unidade móvel. Esta unidade pode ser utilizada caso o nó sensor necessite de deslocamento para realização de uma determinada tarefa Meio de transmissão Os nós das redes de sensores realizam comunicação entre si através de 3 tipos de links: rádio, infravermelho e meios ópticos. Uma solução para os links de rádio é a utilização de bandas não licenciadas (ISM), usadas largamente na indústria, ciência e medicina. Devido a limitação física dos nós sensores restrições impedem o uso de bandas com freqüências elevadas. Uma das grandes vantagens das bandas ISM relaciona-se com a não obrigatoriedade de seu licenciamento, fazendo com que sua utilização seja bastante difundida. Entretanto a grande quantidade de pessoas usando esta banda pode provoca distorções nas aplicações. Atualmente a maior parte das redes de sensores implementadas utilizam faixas de freqüência que se aproximam dos transmissores Bluetooth ou de outros tipos (2.4Ghz). Um outro meio de comunicação entre os nós sensores é o infravermelho. É um meio de comunicação também não licenciado, apresenta robustez com relação às interferências de dispositivos elétricos e geralmente seus transceivers são baratos e fáceis de construir. Muitos laptops, PDA e telefones celulares possuem dispositivos embarcados com interfaces para comunicação via infravermelho. O grande problema do infravermelho é a necessidade de uma visada direta entre o receptor e o transmissor para que se possa receber ou transmitir informações, tal característica restringe bastante o uso de comunicação por infravermelho em RSSF.

25 CAPÍTULO 2. REDES DE SENSORES SEM FIO 16 Por último, encontram-se as soluções ópticas para a transmissão de dados entre nós sensores. Nesse ambiente utilizam-se lasers com sistema de mira. Vários estudos tem sido feitos em tal campo, podendo ser esta um solução bastante eficiente nos próximos anos. Os meios de transmissão utilizados em redes de sensores devem antes de tudo atender seus requisitos de restrições físicas. Dependendo da aplicação um meio pode ser escolhido a partir de suas características, sendo de fundamental importância seu conhecimento para projetistas de redes de sensores Consumo de energia As redes de sensores sem fio são formadas por dispositivos com baixo consumo de energia. Um dos requisitos primordiais num projeto relacionado com redes de sensores é o tempo de vida de um nó sensor, que está relacionado diretamente com o nível de energia de sua bateria. Várias características estão ligadas a energia em RSSF (Redes de Sensores sem Fio) tais como protocolos de roteamento[xu et al. 2001], topologia e arquitetura[delicato et al. 2004], configuração de serviços[bu & Naghdy 2005] e algoritmos de segurança[wood et al. 2006]. A análise do consumo de energia em redes de sensores sem fio segundo Akyildiz et al. (2002), pode ser categorizada em 3 domínios: Sensoriamento Comunicação Processamento de dados O sensoriamento foi discutido na seção principalmente no que refere-se a limitação física do hardware. O domínio de comunicação leva em consideração alguns fatores bastante importantes. O maior gasto de energia nos nós sensores está vinculado a operação de transmissão e recepção de dados, sendo a primeira ainda mais custosa. O consumo de energia no processamento dos dados também é bastante crítico. Apesar dos avanços em dispositivos MEMS (Micro Elétrico Mecânico) no que se refere ao tamanho físico e capacidade de processamento, os nós sensores ainda apresentam grande dependência da capacidade de energia. Essas características fazem com que a modelagem de um projeto com RSSF deva levar em consideração o consumo de energia como um fator de extrema importância Técnicas de segurança As RSSF é uma das tecnologias atuais com maior poder de aplicabilidade, suas áreas de atuação abrangem aplicações médicas, robóticas, detecção e rastreamento de objetos, indústria petroquímica, sistemas de segurança e mais uma centena de aplicações. A maioria dessas aplicações manipula informações que necessitam um grau de segurança considerável. As RSSF são constituídas por um grande número de nós que são distribuídos em uma área onde determinada aplicação será executada. Informações são coletadas e roteadas

26 CAPÍTULO 2. REDES DE SENSORES SEM FIO 17 em direção ao nó Sink. Um nó Sink é um gateway entre as redes de sensores e uma rede externa, sendo de vital importância para a execução das aplicações. Medidas de segurança devem ser tomadas para o que nó Sink trabalhe de forma correta e confiável. Proteção contra DoS, spoofing, flooding e acessos não autorizados devem ser implementadas. Entretanto, devido os recursos físicos limitados dos nós técnicas mais sofisticadas de criptografia são inviáveis de serem adotadas. Alguém mal intencionado (atacante), ao ganhar o acesso ao nó Sink, poderá corromper toda execução da rede. A arquitetura descrita nesta seção [Muhammad et al. 2005] visa combater estes acessos através de uma estrutura baseada em camadas. Existem atualmente várias técnicas de segurança em redes sem fio, entretanto, devido a limitação física dos nós, essas não são aplicadas nas RSSF (Redes de Sensores sem Fio). Alguns trabalhos tentam adaptar as técnicas existentes nas redes sem fio nas RSSF, com por exemplo, o µtesla [Perrig et al. 2002]. Enquanto que outros tentam minimizar o tamanho da informação de autenticação em soluções simétricas. Partindo do mesmo princípio, foi criado [Muhammad et al. 2005] um novo protocolo (arquitetura de camadas) que estende as técnicas de segurança em redes sem fio encontradas atualmente, modelando-as nas RSSF. A arquitetura é formada por duas camadas, uma interna e outra externa. A camada interna é formada pelos nós que se localizam na vizinhança do nó Sink enquanto que a camada externa é formada pelos nós que se localizam na vizinhança dos nós da primeira camada. O ingresso de um nó em uma camada é feito a partir de uma medida de confiança. Tal medida é calculada através de vários parâmetros, como a potência da bateria, freqüência, etc. O nó Sink monitora constantemente seus vizinhos, se necessário, atualiza o nível de confiança de um determinado nó. É importante notar que o cálculo e o armazenamento do log deve ser o mais simples possível para minimizar os recursos da rede. Uma restrição de comunicação é modelada pela arquitetura. O nó Sink só poderá comunicar-se com os nós da primeira camada, enquanto que os nós da primeira camada só poderão se comunicar com os nós da segunda camada. Os nós da segunda camada por sua vez, realizam a comunicação com os outros nós da rede. Um grande problema dessa restrição é o bloqueio da rede. A paralisação de uma camada compromete todo funcionamento, cortando a comunicação do nó Sink com os outros nós. Para contornar este problema, foi modelado um mecanismo de reajuste das camadas. Quando o nível de confiabilidade ou um número relativamente grande de nós da camada for destruído, será disparado um alarme para camada interna adjacente, que solicitará um reajuste na camada. Desta forma os nós destruídos ou que perderam a confiança poderão ser substituídos adequadamente. Um outro ponto bastante importante com relação a arquitetura em camadas é a escolha do número de camadas adotadas no projeto. Uma análise estatística realizada por Muhammad et al. (2005) mostrou que a adoção de duas camadas apresenta resultados bastante favoráveis para as aplicações. Certamente que um número grande de camadas aumentará a segurança da rede, entretanto o gasto computacional para isso se tornará inviável devido à limitação física dos nós sensores. O número de camada é escolhido conforme necessidades da aplicação. Uma aplicação com requisitos críticos de segurança necessita um

27 CAPÍTULO 2. REDES DE SENSORES SEM FIO 18 maior número de camadas do que uma aplicação que não possua tais requisitos. 2.2 Aplicações em RSSF As redes de sensores são constituídas por vários tipos de sensores, como por exemplo: sísmicos, magnéticos, térmicos, infravermelho, movimentação, acústicos, umidade, entre outros. A grande diversidade desses sensores proporciona a capacidade de monitorar diversos fenômenos físicos, como pode ser observado abaixo: Temperatura Umidade Movimento de pessoas ou objetos Intensidade luminosa Pressão Composição química do solo Presença de certos tipos de objeto Velocidade, direção de objetos Etc Nós sensores podem ser usados para o sensoriamento contínuo, detecção de eventos, identificação de eventos, determinação de localizações, controle de atuadores, etc. A união da capacidade de sensoriamento por pequenos dispositivos com a comunicação sem fio torna as RSSF (Redes de Sensores sem Fio) uma das maiores potencialidades de aplicações nas mais diferentes áreas do conhecimento humano. Segundo Delicato et al. (2004) as aplicações é o componente da arquitetura referente às RSSF responsável por emitir um conjunto de consultas ou queries que descrevem as características dos fenômenos físicos que o usuário deseja analisar. Os interesses das aplicações devem indicar os tipos de dados desejados, a freqüência com que esses dados devam ser coletados, a necessidade ou não dos dados sofrerem algum tipo de agregação, os requisitos de QoS (valores de atraso máximo ou precisão mínima desejados), os limiares a partir dos quais os dados devem ser transmitidos, ou ainda eventos que podem disparar algum comportamento particular da rede como a ativação de sensores específicos ou a alteração na taxa de sensoriamento. Procuramos dividir as áreas de atuação das aplicações em RSSF para podermos exemplificar de forma geral todas suas conexões. As aplicações foram divididas nas seguintes áreas: saúde, industrial, monitoramento ambiental e militar. Nos próximos parágrafos serão descritas aplicações em cada uma dessas áreas Aplicações Militares Uma característica inerente às redes de sensores sem fio é sua escalabilidade. Na maioria de suas arquiteturas uma elevada densidade de nós sensores de baixo custo são utilizados. Está característica é bastante chamativa para operações militares que necessitam de uma tolerância a falhas bastante rigorosas, como por exemplo, em regiões de campo de batalha.

28 CAPÍTULO 2. REDES DE SENSORES SEM FIO 19 É importante lembrar que foi às aplicações militares que impulsionaram as pesquisas inicias em redes de sensores sem fio. Vários setores militares podem usufruir das contribuições dessas redes. A rápida instalação e as características de auto-organização e tolerância a falhas nas RSSF fazem com que esta tecnologia seja uma ferramenta de sensoriamento bastante promissora para integrar sistemas militares de: Monitoramento. Forças amigas. Equipamentos e munição. Ambientes noturnos. Vigilância. Sistema de mira. Assistência médica em batalha. Reconhecimento de forças inimigas e do campo de batalha. Contaminação nuclear, biológica e química. O monitoramento das forças amigas e dos equipamentos com o uso das RSSF (Redes de Sensores sem Fio) podem ajudar aos comandantes e líderes da tropa a escolherem uma melhor estratégia durante o combate. Toda tropa, veículos, equipamentos e munição poderão ser monitorados com o o auxílio das RSSF. Os dados são captados e fundidos até serem disseminados pelos nós sink (nós de saída da rede) que têm a responsabilidade de comunicar a RSSF com um backbone externo. O processo de vigilância durante uma batalha é algo bastante crítico e perigoso. Áreas críticas, rotas de aproximação e caminhos estreitos podem ser preenchidos com nós sensores capazes de detectar a presença do inimigo. Vários estudos sobre vigilância em campos de batalha estão sendo pesquisados atualmente, como pode ser visto em Nemeroff et al. (2001). Estudos sobre a tropa inimiga e o terreno de batalha podem ser feitos com o uso das redes de sensores sem fio. Desta forma, ataques surpresa e métodos de defesa podem ser aperfeiçoados melhorando o rendimento do ataque e diminuindo porcentagens de baixas na tropa. Sistemas modernos de mira automática podem ser adicionados aos atuais equipamentos para obterem informação dos nós sensores, melhorando o rendimento no uso dos equipamentos e munição. Num futuro próximo, cada elemento da tropa levará consigo um nó sensor capaz de medir com precisão seus elementos vitais (pressão cardíaca, temperatura corporal, infecção, etc), onde assistências médicas poderão ocorrer de forma mais precisa e rápida. Um outro aspecto a ser levado em consideração são as contaminações nucleares, biológicas e químicas. Nós sensores espalhados pelo campo de batalha poderão ser usados para detectar sinais de agentes contaminadores emitindo alertas para tropa. Estas informações serão bastante úteis para diminuir drasticamente o número de baixas por contaminação. Para ilustrar esse domínio de aplicação é ilustrado na figura 2.2[Nemeroff et al. 2001] um mecanismo simbólico da representação do sistema de combate usando as RSSF. O sistema é formado por várias configurações, suportando uma densidade máxima de 100 nós. Como pode ser visto na figura 2.2 existem 3 tipos de nós sensores:

29 CAPÍTULO 2. REDES DE SENSORES SEM FIO 20 Nó C2 Nó de Localização e reconhecimento Nó ponteiro Os nós ponteiro são utilizados principalmente para detecção de alvos. Este nó sensor é constituído por sensores acústicos, sísmicos e magnéticos. Toda informação captada é transmitida aos nós de reconhecimento num link que pode variar da 100m a 400m. Os nós de reconhecimento e localização fazem a fusão dos dados (organizando-os de forma mais eficiente) e identificam as localizações de possíveis alvos. Toda informação coletada é enviada aos nós C2 num link que pode chegar a 7Km de distância. Os nós C2 funcionam como nós sink móveis. Figura 2.2: Exemplo de aplicação militar usando RSSF Aplicações de monitoramento ambiental Uma das grandes potencialidades nas redes de sensores é a questão do monitoramento de determinados fenômenos físicos. Aplicações que envolvam monitoramento de ambientes são excelentes campos de atuação para as redes de sensores sem fio. O monitoramento da migração de pássaros, movimentação de pequenos animais, insetos, condições que afetam a colheita, animais domésticos, irrigação, da Terra e dos planetas, entre outros são exemplos de alguns desses monitoramentos. Como se pode notar existem centenas de

30 CAPÍTULO 2. REDES DE SENSORES SEM FIO 21 aplicações relacionadas com o monitoramento ambiental que podem ser associadas às redes de sensores sem fio. Nos próximos parágrafos relataremos alguns exemplos de forma mais aprofundada. Atualmente os incêndios florestais queimam por ano uma grande quantidade de florestas, em sua grande maioria na época de verão, motivada pelas altas temperaturas e baixa umidade do clima. Várias soluções tem sido adotadas para reduzir e acabar com a destruição de áreas florestais pelas queimadas. Dois métodos tradicionais de detecção de incêndio em florestas são bastante utilizados, vigilância aérea e local. O primeiro método utiliza helicópteros e aviões para detecção de incêndios enquanto que o segundo método baseia-se em pontos de observação situados em locais estratégicos, que normalmente são localizados em cima de morros e colinas. Uma alternativa para tais métodos é encaixada perfeitamente pelas redes de sensores sem fio. Flexibilidade de instalação em regiões de difícil acesso, monitoramento remoto e detecção de eventos são armas poderosas das RSSF (Redes de Sensores sem Fio). Uma dificuldade para esta aplicação está vinculada principalmente ao acesso da região de monitoramento, que na maioria dos casos é em uma mata fechada. A solução é utilizar aviões ou mesmo helicópteros para que os nós sensores possam ser alojados na região. O problema é que os nós sensores devem ter resistência física suficiente para resistirem ao impacto da queda. Para solucionar o problema, Góes et al. (2004) propõe um designer arrojado nos nós sensores, como ilustrado na figura 2.3. Outros trabalhos sobre monitoramento em queimadas utilizando redes de sensores sem fio podem ser encontrados em Silva et al. (2005). Figura 2.3: Nó sensor com designer de sâmara Iremos descrever nas próximas linhas o monitoramento de habitats. O monitoramento de habitats representa uma classe de aplicação das redes de sensores sem fio com enorme benefícios para comunidade científica e para a sociedade como um todo. Mais uma vez as características de escalabilidade e de dinamismo das RSSF contribuem para mecanismos mais eficientes no controle de fenômenos físicos do que as técnicas tradicionais. Várias pesquisas tem sido feitas durante muitos anos sobre a interferência humana no monitoramento da fauna e flora de uma determinada região. Para algumas regiões é impossível não existir contato físico entre pesquisadores e a fauna ou a flora, como por exemplo, em uma pequena ilha onde várias espécies de animais isolam-se para se procriarem.

31 CAPÍTULO 2. REDES DE SENSORES SEM FIO 22 Várias espécies de aves procuram lugares isolados para fazerem seus ninhos, quase sempre longe da presença de humanos. Pesquisas feitas por Mainwaring et al. (2002) mostram que a presença de humanos, por 15 minutos, próximos dos ninhos acarretam em 20% de mortalidade dos filhotes das aves. As RSSF (Redes de Sensores sem Fio) podem atuar em tal situação melhorando a processo de monitoração de várias espécies de animais. Este domínio de aplicação foi explorado por Mainwaring et al. (2002) na ilha Great Duck, na costa do Maine (EUA). Uma rede de 150 nós sensores foram espalhados na região com a finalidade de monitorar as temperaturas próximas e em alguns casos dentro dos ninhos das aves, tais estudos podem explicar doenças e hábitos em espécies que estão ameaçadas de extinção. Todas as informações obtidas pelos nós sensores são dissemidadas até a rede de acesso para que as mesmas possam ser interligadas à Internet. Os dados obtidos podem ser analisados por pesquisadores sem o contato físico com as aves. Um esquema simbólico desta aplicação pode ser ilustrado pela figura 2.4. Figura 2.4: Monitoramento de aves Uma última aplicação que envolva monitoramento ambiental com rede de sensores será mencionada, agricultura de precisão. Este conceito também conhecido como "site specific management"descreve um grupo de novas tecnologias aplicadas ao manejo da agricultura comercial em larga escala. Essa nova tecnologia de precisão inclui, por exemplo: computadores pessoais, sistema de localização por satélite, sistemas de informações geográficas, controle automatizado de máquinas, dispositivos de sensoriamento remoto e sistemas de comunicação. Geralmente esta tecnologia conecta sistemas de posicionamento global(gps) com imagens das áreas de cultivo, permitindo que outros equipamentos ligados a este sistema possam ser configurados dinamicamente para controlar os níveis da irrigação e dos agrotóxicos. A agricultura de precisão promete maior produção e menores custos de insumos ao otimizar o manejo agrícola, reduzindo custos com perdas e com mão-de-obra. O uso das RSSF (Redes de Sensores sem Fio) em tal situação é bastante motivador. Recentemente pesquisas[holler 2006] tem adotado um mecanismo de controle de temperatura em vinhedos com o uso das RSSF. Outra linha de pesquisa que adota as RSSF é encontrada em

32 CAPÍTULO 2. REDES DE SENSORES SEM FIO 23 Ramanathan et al. (2006), onde o monitoramento relacionado com a qualidade da água utilizada para irrigação da agricultura é pesquisada Aplicações médicas Uma outra área de grande potencial para uso das redes de sensores sem fio é o setor médico. No futuro o avanço na tecnologia MEMS (Micro Elétrico Mecânico) fará com que os nós sensores sejam microscópicos, podendo ser inseridos em animais ou até mesmo em humanos. Permitindo a monitoração de vários aspectos vitais, como nível de oxigenação das células, insulina ou colesterol. Projeto desenvolvido por Jafari et al. (2005) utiliza as RSSF para monitorar a pressão e temperatura de pacientes. As informações coletadas de cada paciente são transmitidas para dispositivos palmtop que enviam as informações via Internet para os médicos, que podem diagnosticar precocemente algum estado de emergência. Um outro projeto também muito parecido com o citado anteriormente foi desenvolvido por Virone et al. (2006). A diferença está no fato que nesse projeto existe uma interação maior das RSSF (Redes de Sensores sem Fio) com sistemas já implementados em um determinado ambiente, como por exemplo o sistema de automatização domiciliar. Uma série de outras aplicações médicas envolvendo RSSF pode ser desenvolvidas, como descrito abaixo: Monitoramento de pacientes Realização de diagnósticos Administração de drogas em hospitais Monitoramento de dados fisiológicos humanos Monitoramento de uma planta nuclear Tecnologia nuclear tem sido utilizada pela indústria há vários anos, principalmente em plantas de usinas nucleares. Existem centenas de usinas nucleares espalhadas por todo mundo e em todas elas a questão da segurança no que se refere a vazamentos de materiais radioativos é sem dúvida uma questão de extrema importância. Vários fatores são monitorados em tais usinas com a finalidade de manter a segurança da planta como um todo. O monitoramento da temperatura no reator nuclear, vibração do reator, ruído do ambiente, radiação e de outros componentes são realizados para que esta segurança torne-se possível. Em todas as usinas nucleares sistemas de monitoramento controlados por operadores são utilizados para automatizar o processo relacionado com a segurança da planta. A característica do monitoramento remoto dos fatores citados no parágrafo anterior faz das RSSF uma tecnologia bastante promissora para este domínio de aplicação. Essas redes podem fornecer com grande eficiência o sensoriamento e monitoramento de serviços utilizados para gerência de segurança deste ambiente[lin et al. 2004]. A figura 2.5 ilustra uma arquitetura básica relacionando as RSSF com o monitoramento de plantas nucleares. Percebe-se nesta figura a grande contribuição desta tecnologia para monitorar

33 CAPÍTULO 2. REDES DE SENSORES SEM FIO 24 e disseminar informações por um determinado ambiente. Nós sensores podem ser espalhados por toda planta para captar os mais diferentes tipos de fenômenos físicos. No reator nuclear, por exemplo, nós sensores podem coletar dados de temperatura, vibração e velocidade e em seguida transmitir estas informações pela rede. Um gateway pode interconectar a RSSF com uma rede externa, fazendo com que a informação coletada seja enviada para o centro de controle da planta, onde os gerentes e os operadores realizam diagnósticos e operam a planta nuclear da forma mais segura possível. Figura 2.5: Monitoramento de uma planta nuclear com RSSF Uma outra característica que não foi mencionada acima é a questão do envelhecimento e desgaste dos equipamentos das plantas de usinas nucleares. Tais acontecimentos têm provocado sérios problemas na operação das usinas nucleares. Pequenos vazamentos radioativos tem sido detectados nos últimos anos principalmente por causa da deteriorização dos equipamentos. A corrosão destes é motivada principalmente pelas intensas atividades que os equipamentos são expostos. Um novo mecanismo que analisa a deteriorização de equipamentos em usinas nucleares tem sido proposto por Woods (2006), onde avaliações não destrutivas (NDE) são realizadas para criarem assinaturas em pontos de possíveis deteriorizações. As assinaturas podem ser coletadas por nós sensores e distribuídas por estações bases espalhadas pela planta nuclear. O desenvolvimento desta aplicação com o uso das redes de sensores sem fio deve suportar um certo grau de precisão. A saber, os nós sensores devem ser capazes de detectar mudanças nas estruturas físicas dos equipamentos provocadas por deteriorização na ordem de 20mm.

34 Capítulo 3 Arquiteturas de software e hardware para RSSF O desenvolvimento de projetos voltados para RSSF com relação às arquiteturas de software e hardware está propiciando avanços significativos para esta tecnologia. Neste capítulo será dada uma abordagem sobre estas arquiteturas. Os sistemas operacionais implementados e o desenvolvimento de middlewares serão as arquiteturas de software descritas enquanto que os principais projetos relacionados com nós sensores serão relacionados com a parte referente às arquiteturas de hardware. 3.1 Sistemas Operacionais O desenvolvimento de sistemas operacionais para as RSSF (Redes de Sensores sem Fio) é motivado principalmente para configurações mais flexíveis nos nós sensores. Os requisitos básicos para o desenvolvimento desses sistemas estão relacionados diretamente com as restrições físicas dos nós sensores. A limitação de memória torna impossível o armazenamento de todos os programas nesses nós, sendo desejável que o compartilhamento da armazenagem dos aplicativos possam ser distribuídos por todos os nós da rede. Nesta seção procuraremos descrever as características básicas dos principais sistemas operacionais relacionados com as RSSF. A listagem abaixo enumera alguns desses sistemas: TinyOs [Culler et al. 2006] Contiki [Dunkels et al. 2004] MantisOs [Group 2006] SOS [Barton-Sweeney et al. 2006] Yatos [de Almeida et al. 2004] Eyes [Dulman & Havinga 2002] Nano-QPLUS [Park et al. 2006] Bertha [Lifton et al. 2002] TinyOs O sistema operacional TinyOS foi desenvolvido por UC Berkeley com a finalidade de prover as RSSF a capacidade de concorrência através de escalonamentos dirigidos à

35 CAPÍTULO 3. ARQUITETURAS DE SOFTWARE E HARDWARE PARA RSSF 26 eventos. Atualmente é o sistema operacional mais utilizado por pesquisadores nas RSSF (Redes de Sensores sem Fio) face a grande quantidade de material e listas de discussões encontradas vinculados a exemplos de códigos fontes e configurações. O TinyOS encontra-se atualmente na versão 2.0 e sua instalação pode ser obtida gratuitamente por Culler et al. (2006). As aplicações são escritas no TinyOS com a utilização da linguagem NesC que é baseada em componentes. Com relação à compatibilidade de hardware com os nós sensores disponíveis no mercado, o TinyOS apresenta suporte para as seguintes plataformas: eyesifxv2, intelmote2, mica2, mica2dot, micaz, telosb, tinynode e btnode3. A versão 2.0 implementa a capacidade de mudanças na política de escalonamento do SO (Sistema Operacional). Desta forma, programadores podem adotar suas próprias políticas de acordo com a aplicação desenvolvida. O escalonamento é bastante importante para que a operação de concorrência seja implementada no sistema. Basicamente a concorrência é obtida a partir de um escalonamento em dois níveis, tarefas e eventos. O nível com prioridade mais baixa é representado pelas tarefas enquanto que o mais alto pelos eventos. O sistema ainda apresenta implementações relacionadas com temporizadores, interfaces de comunicação, portabilidade com sensores e um mecanismo de depuração bastante eficiente. Mais sem dúvida, uma característica bastante importante no TinyOS é a implementação do gerenciador de energia. Esta ferramenta é de grande importância para a otimização do tempo de vida útil para os nós sensores Contiki O sistema operacional Contiki foi desenvolvido por pesquisadores do Instituto de Ciências da Computação da Suécia com o objeto de projetar um SO (Sistema Operacional) com grande portabilidade, baseado em multi-tarefas e com restrições de memória. Além dessas características o Contiki apresenta um escalonamento baseado em eventos, gerenciamento das aplicações de forma dinâmica, suporte à pilha TCP/IP através da biblioteca µip e compatibilidade com mais de 20 tipos de nós sensores. Todas essas implementações foram feitas com a utilização da linguagem C. Contiki é um sistema inteiramente baseado em eventos onde um processo é implementado a partir de um manipulador de eventos (event handler). Um determinado bloco de código é executado dependendo da relação de seu handler com o evento ocorrido em um determinado instante. Ao contrario da maioria dos sistemas baseados em eventos, Contiki suporta multithreading através do método de escalonamento preemptivo. Esta funcionalidade permite que uma série de aplicações se torne possíveis de serem implementadas, como por exemplo, um mecanismo de criptografia. Um módulo de comunicação baseado em µip é implementado pelo Contiki. Este módulo é uma adaptação da arquitetura TCP/IP voltada para os requisitos das RSSF. O µip utiliza um buffer com capacidade reduzida para gerenciar pacotes recebidos e transmitidos na rede. O gerenciador µip é responsável por criar os cabeçalhos do pacote e por analisar a integridade do mesmo.

36 CAPÍTULO 3. ARQUITETURAS DE SOFTWARE E HARDWARE PARA RSSF MantisOS O sistema operacional MantisOs foi desenvolvido por pesquisadores da Universidade do Colorado com o objetivo de fornecer um SO (Sistema Operacional) baseado em multitarefas para as RSSF (Redes de Sensores sem Fio). O mecanismo de multithreading preemptivo fornece aos nós sensores a capacidade de processar diversas informações de forma mais eficiente. Relacionando com as características físicas, o sistema utiliza 500 Bytes de memória para sua instalação, já inclusos o kernel, o escalonador e a pilha de comunicação. Procedimentos responsáveis pela otimização do gasto de energia também são implementados no SO (função sleep). Todo desenvolvimento do sistema operacional MantisOS foi baseado na linguagem C. Uma das características principais deste SO (Sistema Operacional) é a facilidade da programação e a portabilidade de vários nós sensores SOS O sistema operacional SOS foi desenvolvido por pesquisadores da Universidade da Califórnia. O sistema foi projetado com um kernel simples, com procedimentos de trocas de mensagens, memória dinâmica, módulos de carga e descarga de processos além de vários outros serviços. A capacidade de reconfiguração dinâmica é a principal característica deste SO, sendo este um dos requisitos mais importantes para as RSSF. As outras funcionalidades do SOS estão enumeradas abaixo: Desenvolvimentos de sistemas heterogêneos Facilidade de programação Utilização da linguagem C Escalonamento por prioridades Suporte a depuração Grande portabilidade Yatos O sistema operacional Yatos foi desenvolvido por pesquisadores da Universidade Federal de Minas Gerais com o propósito de gerenciar o nó sensor BEAN. O sistema possui as seguintes características básicas: ser dirigido por eventos, ocupar pouca memória, possuir um gerenciador de energia, escalonamento multi-tarefa baseado em prioridades, sistema modular e fácil de usar. O funcionamento do Yatos é baseado em tarefas, que correspondem a blocos de código executáveis. Para que várias tarefas executem é necessário que um mecanismo de escalonamento seja implementado. Neste caso, foi desenvolvido um escalonamento cooperativo onde cada tarefa especifica o instante de sua preempção baseada em um determinado evento. Quanto a questões inerentes ao seu desenvolvimento, o sistema operacional Yatos foi desenvolvido com a utilização da linguagem C. A quantidade de memória utilizada para seu armazenamento é descrita abaixo:

37 CAPÍTULO 3. ARQUITETURAS DE SOFTWARE E HARDWARE PARA RSSF 28 Memória de código bytes Memória de dados bytes Memória de constantes bytes 3.2 Middleware para RSSF Esta seção descreverá brevemente o conceito de Middlewares aplicados em redes de sensores sem fio. Um aspecto inicial a ser levado em consideração nesta análise é que a escolha de uma determinada arquitetura genérica para as RSSF (Redes de Sensores sem Fio) pode influenciar negativamente uma aplicação. Nas diversas aplicações desenvolvidas com RSSF é observada uma escolha estática para suas arquiteturas. Este tipo de configuração motiva o desenvolvimento de métodos capazes de otimizar dinamicamente a escolha de uma arquitetura para uma determinada aplicação. Um outro fator inerente das aplicações em RSSF é a escolha de quais protocolos serão usados na comunicação com uma determinada aplicação. Geralmente esta é uma escolha bastante difícil para os usuários. Na maioria dos casos os projetistas apresentam um total domínio sobre os requisitos da aplicação, conhece todas as variáveis, fenômenos físicos utilizados, etc. Entretanto não apresentam conhecimentos avançados sobre os pormenores dos protocolos das RSSF, sendo esta uma grande barreira na adoção desta tecnologia em aplicações industriais. Nesse sentido, aparece a figura dos projetistas das RSSF como o elemento responsável por abstrair e tornar transparentes os protocolos e mecanismos dessas redes para os projetistas da aplicação. Estes requisitos motivam a adoção de mecanismos capazes de auto-configurar todos protocolos necessários para que uma aplicação possa rodar nas RSSF sem conhecimento prévio dessas técnicas e sem a intervenção dos projetistas das aplicações. Middleware é um exemplo de mecanismo utilizado para atender estas necessidades. Genericamente um middleware é visto com fornecedor de serviços. Uma RSSF que implementa um middleware é vista como uma fornecedora de serviços para as aplicações usuárias, onde as aplicações dinamicamente selecionam quais protocolos se adequam melhor aos seus requisitos. Um esquema de middleware aplicado em redes de sensores sem fio foi proposto por Delicato (2005), onde o middleware desenvolvido tem a finalidade de fornecer uma representação padrão, de alto nível, para os interesses da aplicação. Mensagens baseadas em XML são trocadas entre os nós sensores a fim de ajustar as características da rede às necessidades inerentes a cada aplicação. 3.3 Projetos de nós sensores Esta seção tem como objetivo descrever de forma sucinta os principais projetos relacionados com o desenvolvimento de nós sensores. As características de cada nó sensor serão descritas bem como seus domínios de aplicação.

38 CAPÍTULO 3. ARQUITETURAS DE SOFTWARE E HARDWARE PARA RSSF Família Motes A família de nós sensores Motes foi inicialmente desenvolvida por projetos de pesquisas na universidade de Berkeley (Califórnia - USA). O propósito deste projeto estava vinculado principalmente para o desenvolvimento de nós sensores com baixo consumo de energia. O primeiro nó sensor Motes foi desenvolvido por Hollar (2001) cujo nome foi designado de Cots Motes. Vários outros projetos de nós sensores foram propostos para esta família, como por exemplo, o Rene Motes. As pesquisas atuais da nova geração de nós sensores Motes estão voltados para as plataformas Mica Motes e Smart Dust [Kahan & J 2004]. As características básicas desta família de nós sensores é ilustrada na tabela 3.1. Características Processador Comunicação Sistema Operacional Memória Descrição Microcontrolador Atmel AT90LS MHz, 35 pinos (I/O), tensão máxima de 5.5V. Consome 19.2mW no modo ativo e 3 mw no modo Sleep Rádio de MHz com capacidade de transmissão em média de 10Kbps (expansível) TinyOS 8KB de memória programável, 512 Bytes de memória SRAM e 32KB de EEPROM Tabela 3.1: Características básicas da família Motes A primeira geração de nós sensores Motes foi desenvolvida a partir de expansões no projeto original desenvolvido por Hollar (2001). Basicamente os seguintes nós sensores foram desenvolvidos: WeC Motes, RF Motes, Laser Motes, CCR Motes, Mini Motes, MALT Motes e IrDA Motes. As diferenças entre esses nós estão relacionadas aos tipos de sensores e o mecanismo de comunicação que os mesmos utilizam, conforme descrição feita por Pister & Hollar (2006). As tabelas 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 descrevem os principais nós sensores da primeira geração desta família. A segunda geração dos nós sensores Motes é composta pelo nó Mica Motes, cujo direito de fabricação é concedido a Inc. (2006). A principal vantagem dessa nova geração quando comparada com a anterior está no fato de melhorias na capacidade de comunicação e na otimização do gasto de energia. Esta plataforma é constituída de um microcontrolador Atmel Atmega 128L com processamento de 4MHz, 128Kbytes de memória flash, 4kbytes de SRAM e EEPROM, suporte para o sistema operacional TinyOS, link de rádio(916 ou 433 MHz) com alcance de aproximadamente 45 metros e 2 baterias AA com capacidade de alimentação para 1 ano (dependendo da aplicação). A terceira geração desta família de nós sensores é constituída pelos nós: Mica2, Mica2Dot e MicaZ (figuras 3.1, 3.2 e 3.3 respectivamente). Essa geração apresenta vantagens principalmente no que se refere ao alcance do rádio, na capacidade de armazenamento e no suporte de vários tipos de sensores. Algumas dessas vantagens são enumeradas abaixo:

39 CAPÍTULO 3. ARQUITETURAS DE SOFTWARE E HARDWARE PARA RSSF 30 Características Nome Rádio Alcance Sensores Bateria RF Motes MHz, modulação OOK, taxa de transmissão de 5 Kbps 20 metros Magnetômetros, acelerômetros, umidade, temperatura e pressão Lítio, tensão nominal de 3V Descrição Tabela 3.2: Características básicas do nó RF Motes Características Nome Rádio Alcance Sensores Bateria Especial Descrição Laser Motes Baseado em laser Pode atingir alguns quilômetros, requer visado com o transmissor Luz, umidade, temperatura e pressão 2 baterias AA Possui um estado de baixo consumo de energia (< 1 µw) Tabela 3.3: Características básicas do nó Laser Motes Características Nome Rádio Alcance Sensores Bateria CCR Motes Comunicação passiva a Laser através de um dispositivo MEMS CCR (divergente) Função da intensidade do laser Temperatura Lítio, com tensão nominal de 3V Descrição Tabela 3.4: Características básicas do nó CCR Motes

40 CAPÍTULO 3. ARQUITETURAS DE SOFTWARE E HARDWARE PARA RSSF 31 Características Nome Rádio Alcance Sensores Bateria Especial WeC Motes Antena PCB (implementada em firmware) Alcance de 20m com uma taxa de 10Kbps Temperatura e luz Lítio, com tensão nominal de 3V Nó sensor mais poderoso da primeira geração da família Motes, pode ser reprogramável remotamente Descrição Tabela 3.5: Características básicas do nó WeC Motes Mica2-512Kbyes de memória flash MicaZ - Utiliza banda de 2.4 GHz com taxa de transmissão de aproximadamente 250Kbps e um alcance de 400 metros Mica2Dot - Tamanho reduzido Figura 3.1: Mica2 Figura 3.2: Mica2Dot Figura 3.3: MicaZ A quarta geração desta família é caracterizada pelos nós Intel Motes e Spec Motes. O nó Intel Motes, cujo direito de fabricação está licenciado para a Intel Inc., apresenta grande avanço no poder de processamento dos nós sensores. Processamento digital de sinais, aumento da confiabilidade na transmissão e otimização dos aspectos de segurança são as outras contribuições propostas por este nó sensor. Os avanços nesta geração também propiciaram a miniaturização dos nós sensores, como pode ser visto pelo nó Spec Motes (figura 3.4). Este nó é resultado do projeto SmartDust [Kahan & J 2004] cujo principal objetivo era projetar nós sensores com dimensões ínfimas.

41 CAPÍTULO 3. ARQUITETURAS DE SOFTWARE E HARDWARE PARA RSSF 32 Figura 3.4: Spec Motes, nó sensor miniaturizado Família µamps A família de nós sensores µamps (µ - Adaptive Multi-domain Power Aware Sensores) foi desenvolvida por pesquisadores do MIT [Calhoun et al. 2006] onde o objetivo principal estava voltado para a transmissão eficiente de pacotes de dados em pequenas distâncias. Para realização desta otimização todas as camadas da arquitetura do nó sensor tiveram mudanças com relação ao consumo eficiente de energia. Basicamente o nó sensor busca adaptar-se ao meio em que esteja inserido para procurar um melhor método de transmitir informações com o menor gasto de energia possível. A tabela 3.6 descreve as principais características desse nó sensor. Características Nome Rádio Alcance Sensores Bateria Sistema Operacional Microprocessador µamps LMX3162 (National), com freqüência de 2.45 GHz 10 a 100m, taxas de transmissão por volta de 1 Mbps Acústicos e sísmicos Lítio, com tensão nominal de 3.6V µos ARM SA-1110, 59 MHz Descrição Tabela 3.6: Características básicas do nó µamps Família Wins A família de nós sensores Wins (Wireless Integrated Network Sensors) foi desenvolvida a partir de um projeto conjunto entre a Rockwell Science Center e pesquisadores da Universidade da Califórnia. Os principais aspectos levados em consideração no desenvolvimento deste nó sensor foram os seguintes: baixo custo, dimensões físicas reduzidas,

42 CAPÍTULO 3. ARQUITETURAS DE SOFTWARE E HARDWARE PARA RSSF 33 robustez e baixo consumo de energia. As aplicações relacionadas com monitoramento de ambientes foram as motivações iniciais para o desenvolvimento do projeto Wins, como por exemplo: monitoramento de pacientes e veículos. As características básicas deste nó sensor são descritas na tabela 3.7. Características Nome Rádio Alcance Sensores Bateria Sistema Operacional Microprocessador Wins Conexant RDSSS9M, com freqüência de 900 MHz 100m, taxas de transmissão por volta de 100 Kbps Acústicos, sísmicos, magnetômetros e acelerômetros Lítio, com tensão nominal de 9V OS II Intel StrongARM MHz Descrição Tabela 3.7: Características básicas do nó Wins Família Sensor Web Esta categoria de nós sensores foi desenvolvido pelo projeto Sensor Web [Delin & Jackson 2001] que tem como parceiros o Instituto Tecnológico da Califórnia - JPL (Jet Propulsion Laboratory) e a NASA. O objetivo do projeto foi o desenvolvimento de nós sensores com capacidade de comunicação multi-hop através de ambientes esparsos. O desenvolvimento do nó sensor foi realizado em 3 fases distintas, onde em cada fase novas características eram sendo adicionadas aos nós sensores. A primeira fase de desenvolvimento, chamada de Sensor Web 1, foi caracterizada por testes em laboratório das funcionalidades do nó sensor desenvolvido. Basicamente o nó sensor era dotado de sensores de temperatura e luminosidade, rádio com freqüência de 916 MHz, taxa de transmissão de aproximadamente 20 Kbps, alcance de 40 metros e tamanho reduzido (50g). A figura 3.5 ilustra o Sensor Web 1. Os resultados expressivos do Sensor Web 1 motivaram a criação do Sensor Web 2. Este nó sensor foi implementado com uma eficiência na transmissão e uma capacidade de armazenamento bem maiores que o Sensor Web 1. A saber, este novo nó sensor possui uma taxa de transmissão em torno de 50 kbps com alcance de 150m. Uma aplicação de monitoramento remoto de uma estufa foi implementado com o Sensor Web 2. O desenvolvimento do terceiro nó sensor desta família apresenta características muito próximas

43 CAPÍTULO 3. ARQUITETURAS DE SOFTWARE E HARDWARE PARA RSSF 34 Figura 3.5: Sensor Web 1 do Sensor Web 2, a única diferença é que o Sensor Web 3 apresenta uma sensibilidade maior para temperaturas mais altas. A figura 3.6 ilustra os Sensor Web 2 e 3. Figura 3.6: Sensor Web 2 e Família BEAN Esta família de nó sensor apresenta uma característica muito especial, é o primeiro e único projeto relacionado com o desenvolvimento de nós sensores no Brasil. O projeto é desenvolvido por pesquisadores da UFMG [Vieira 2004] cujo objetivo principal está relacionado com a construção de um protótipo de nó sensor com um consumo de energia e custo bastante reduzido. A plataforma foi chamada de BEAN (Brazilian Energy-Efficient Architectural Node). Uma das principais vantagens deste nó sensor está relacionado com a capacidade de medição de cada componente do nó sensor e da utilização de um microcontrolador (MSP430F169 da Texas Instruments) com baixíssimo consumo de energia. Além da característica de baixa potência este microcontrolador é constituído de um grupo bastante poderoso de conversores analógico-digitais com a capacidade de interligação com vários tipos de sensores. Memória flash externa e um relógio de tempo real também são

44 CAPÍTULO 3. ARQUITETURAS DE SOFTWARE E HARDWARE PARA RSSF 35 utilizados por este nó sensor. Por fim, o sistema operacional YATOS desenvolvido por de Almeida et al. (2004) foi utilizado pelo nó sensor BEAN. Este SO (Sistema Operacional) é dedicado ao hardware deste nó sensor, implementa uma funcionalidade de detecção de eventos bastante útil para o nó. A figura 3.7 ilustra a arquitetura implementada pelo nó sensor BEAN. Figura 3.7: Nó sensor BEAN

45 Capítulo 4 Aplicações em ambientes industriais de P&G O título deste capítulo traduz explicitamente o interesse primordial do referido trabalho. Os avanços tecnológicos em dispositivos MEMs (Sistemas Micro-Eletrônicos) têm provocado mudanças em ambientes industriais de forma muita intensa, principalmente no setor de petróleo e gás natural. A cada dia novos dispositivos de tamanho reduzidos e com elevada capacidade de atuação estão sendo encontrados no mercado. Novos protocolos de comunicação também têm trazido vários benefícios para as indústrias em geral. Nos últimos anos percebe-se uma explosão no avanço das tecnologias wireless em ambientes industriais, principalmente em setores onde a monitoração remota de variáveis deve otimizar a utilização do espaço físico, como ocorre em aplicações do setor de petróleo e gás natural. Os protocolos b (Wi-Fi), (Bluetooth) e vários outros que estendem desses estão sendo utilizados em tais ambientes. Alguns desses protocolos têm custos de implementação bastante alto além dos equipamentos que implementam tais tecnologias apresentarem um consumo de energia sensivelmente elevado. Uma solução para as características citadas acima foi sugerida no adendo (Zigbee), onde seus principais objetivos foram a adoção de uma padronização de comunicação wireless para dispositivos de baixo custo e complexidade, aliados a uma pequena capacidade de consumo de energia. O protocolo é aplicado nas redes de sensores sem fio onde se mostra bastante convidativo para aplicações em ambientes industriais, como por exemplo, em refinarias e plataformas de exploração de petróleo. Em geral, as redes em ambientes industriais que utilizam tais protocolos necessitam de uma série de fatores em seus desenvolvimentos, os mesmos são listados na tabela 4.1 A seguir descreveremos cada uma dessas peculiaridades. A primeira característica que levaremos em consideração será o alcance destas redes. Um dos fatores que afetam o alcance está relacionado com as interferências existentes no meio em que essas redes estão instaladas. Essas interferências podem ser físicas (obstáculos) ou podem ser geradas por outros dispositivos, como ocorre com alguns motores que provocam ruído eletromagnética no sinal. A taxa de transmissão é uma outra característica de grande importância para essas redes, principalmente para os requisitos das aplicações. Geralmente estas aplicações são caracterizadas por possuir baixas taxas de transmissão, com exceção daquelas que necessitam de jitter bastante baixo. Assim como as taxas de transmissão, a latência

46 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 37 Fatores Propriedades Alcance Mediano Taxa de Transmissão Baixa Latência Baixa Consumo de energia Baixo Segurança Alto Freqüência de operação , Complexidade do modelo Mediano Topologia da rede Estrela Número de dispositivos Alto Flexibilidade Alta Confiabilidade Alta Escalabilidade Alta Tabela 4.1: Características das redes em ambientes industriais é um outro fator, inerente dessas redes, que depende diretamente dos requisitos de uma determinada aplicação. Um fator que indiretamente influência na taxa de transmissão é a freqüência de operação das redes. Esta freqüência depende do protocolo adotado, como por exemplo, podemos citar o que apresenta suporte para as seguintes freqüências ISM : 868 MHz, MHz, 2.4 GHz. Idealmente todos dispositivos devem conter uma fonte de energia, neste caso uma pequena bateria. O consumo de energia deve ser o mais otimizado possível para evitar gastos desnecessários que possam provocar o desligamento prematuro de equipamentos por falta de energia. O aumento do tempo de vida dessas redes é um dos fatores que devem ser priorizados pelos projetistas nos desenvolvimentos das aplicações. Quanto menos interferência física ocorrerem em tais redes, melhores serão os seus benefícios. Mecanismos de segurança são um ponto de extrema importância na análise destas redes. Na maioria das aplicações em ambientes industriais informações sigilosas estão sendo trocadas o tempo todo por máquinas e usuários, modificações nessas informações podem provocar danos catastróficos. Para ilustrar esta característica tomaremos como base um poço de petróleo. Geralmente nesses poços existe um monitoramento remoto de alarmes para eventuais operações de riscos na utilização de algumas variáveis, como por exemplo, o fechamento de válvulas. Caso a informação da pressão de um determinado duto seja alterado por algum intruso no sistema (seja esta invasão de forma física ou por meio de software) alarmes falsos podem ser disparados provocando o fechamento errôneo de válvulas, provocando sérios acidentes na linha de produção. Sendo de suma importância que as informações trocadas apresentem técnicas de criptografia bastante robustas, sempre levando em consideração a otimização no uso da bateria. A complexidade do modelo da rede deve ser abstraída pelo usuário final e idealmente pelo desenvolvedor da aplicação, é responsabilidade do projetista da rede tornar isso possível. Uma série de topologias é suportada por esses protocolos, sendo de responsabilidade do projetista da rede associar determinada topologia com uma determinada aplica-

47 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 38 ção. A aplicação utilizada influência diretamento na quantidade de dispositivos utilizados por essas redes. É importante notar que na maioria dos casos uma grande quantidade de dispositivos fará com que uma aplicação adquira informações mais precisas, todavia este aumento tornará o custo da rede sensivelmente maior. Aplicações em ambientes industriais são caracterizadas principalmente por seu dinamismo, portanto, tais redes devem possuir mecanismos escaláveis e flexíveis para suportar tal robustez. Um último ponto nesta análise corresponde a confiabilidade, mecanismos toleráveis a falhas devem ser implementados por tais redes visando uma maior robustez da aplicação. Para exemplificar tais características, ilustramos na tabela 4.2 um comparativo entre o ZigBee e o Bluetooth, duas tecnologias que implementam tais protocolos, de acordo com os fatores categorizados acima. Características ZigBee Bluetooth Alcance m 10m kit - especial 400m 100m Taxa de Transmissão Kbps 1 Mbps Latência 15-30ms 2-20ms Bateria meses-anos dias Freqüência 868, MHz 2.4 ISM 2.4 GHz ISM Complexidade Simples Alta Topologia Adhoc, estrela Adhoc piconets malha, híbrida Dispositivos 2 a Escalabilidade Muito alta Baixa Flexibilidade Muito alta Depende do perfil Confiabilidade Muito alta Média Tabela 4.2: Comparativo entre ZigBee e o Bluetooth As indústrias em geral controlam em suas linhas e plantas de execução centenas de variáveis físicas, sendo de vital importância para seu funcionamento uma escalabilidade e controle de todos os processos monitorados. Os sistemas de monitoramento devem ser robustos suficientes para atender o fluxo de informação e possuir mecanismos de tolerância em caso de falhas. Na maioria dos casos, tais sistemas são desenvolvidos para situações específicas não podendo ser aproveitados em outras situações. Tais requisitos necessitam de uma constante troca de informações, fazendo com que sistemas extremamente robustos de comunicação sejam adotados pelas indústrias. Atualmente o mecanismo de sensoriamento utilizado para alimentar os sistemas de monitoração é feito através de sinais elétricos ou por redes digitais cabeadas. Uma desvantagem do segundo método esta no fato de ocuparem grande espaço físico, que em algumas situações é um requisito crítico para aplicações em ambientes industriais, principalmente para o setor de petróleo e gás natural, onde o espaço físico deve ser otimizado para melhorar a execução das atividades. Algumas soluções wireless mostradas nos pa-

48 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 39 rágrafos anteriores vem sendo adotadas como uma forma de eliminar espaços físicos no ambiente industrial que por sua vez já se encontra carregado de enormes máquinas que ocupam espaços muito grandes. As redes de sensores sem fio possuem características que se adaptam perfeitamente nas exigências que os ambientes industriais exigem. Seus principais desafios em tais regiões são: interação com o ambiente, alta densidade de nós, elevada capacidade de autoconfiguração, QoS (Qualidade de serviço), baixa latência (algumas aplicações exigem forte dependência de tempo real), centralização de dados, simplicidade, segurança. Uma série de aplicações em ambientes industriais são campos férteis para o uso das RSSF (Redes de Sensores sem Fio). A automação de construções e a automação industrial são fortes candidatos de usufruir as qualidades de tais redes. Gerenciamento de energia, controles HVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado), monitoramento de construções, controle de processos, monitoramento remoto, manutenção preventiva, instrumentação de precisão, controle de fluxos e níveis, e uma dezena de outras aplicações são exemplos de campos onde as RSSF podem atuar em tais ambientes. Nas próximas seções apresentaremos algumas dessas aplicações de forma mais detalhada. Procuramos enfocar as aplicações do setor industrial de petróleo e gás natural, como por exemplo: manutenção preventiva de motores, monitoramento de dutos, análise da estrutura física de plataformas e o monitoramento de geofones. 4.1 Manutenção preventiva de equipamentos O avanço tecnológico tem trazido recentemente várias discussões sobre a manutenção e o diagnóstico do status que os equipamentos industriais apresentam. Tais avanços têm trazido melhorias nas técnicas de diagnósticos cada vez mais precisos. Os procedimentos podem variar desde o monitoramento por uma análise de vibração até por uma análise de imagens infravermelho. A manutenção preditiva é considerada pelo setor industrial uma técnica bastante robusta e com bons resultados no gerenciamento da manutenção do maquinário industrial. Vários outros conceitos de manutenção e diagnósticos de equipamentos tem surgido atualmente, termos como RCM (manutenção centrada na confiabilidade), TPM (Manutenção produtiva total), manutenção produtiva total e JIT (manutenção Just-in-Time, que é esperado substituir as técnicas de manutenção preditiva nos próximos anos). A maioria das fábricas utiliza equipamentos mecânicos em suas linhas de produção, sendo bastante viável a adoção de técnicas por meio de vibração para a manutenção e os diagnósticos destes equipamentos. A complexidade de uma planta industrial é tamanha que apenas uma técnica não é suficiente para realizar uma manutenção eficiente em seus maquinários. Outras técnicas baseadas em ultra-som, ferrografia, tribologia, monitoramento de processos, inspeção visual e mais umas dezenas de outras são utilizadas. Uma das principais fatias no custo operacional em plantas industriais é garantida aos processos de manutenção e diagnósticos. Dependendo da área de atuação em que uma indústria esteja, tais cifras podem varias de 15% a 30% dos custos totais produzidos. Em indústrias de alimento, os custos médios da manutenção em equipamentos podem chegar a 15% do total de custos produzidos, enquanto que em indústrias siderúrgicas, papel e

49 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 40 celulose e em outras indústrias mais pesadas como é o caso do setor de petróleo e gás natural, tais proporções podem chegar a 30% do custo de produção. Alguns países chegam a gastar 200 bilhões de dólares todos os anos com manutenções nos maquinários das indústrias. Basicamente, na maioria das plantas industriais são utilizados 3 tipos de manutenção: corretiva, preventiva e a preditiva. Sendo a terceira muito utilizada atualmente, proporcionando resultados mais eficazes do que suas concorrentes. Nos próximos parágrafos falaremos de cada uma dessas técnicas. A manutenção corretiva é sem dúvida a mais simples e direta. A manutenção só é feita quando uma máquina quebra ou deixa de realizar suas funções principais. A maioria das empresas não adota este tipo de reatividade em seus processos de manutenção, os principais problemas na adoção de tal método são: altos custos de estoques de peças sobressalentes e de trabalho extra, elevado tempo na paralisação da máquina, e baixa disponibilidade de produção. Esta técnica é inviável para o setor de petróleo e gás, face as paralisações na linha de produção que podem ocorrer com a adoção dessa técnica. A manutenção preventiva ao contrário do método anterior, utiliza conceitos de prevenção em sua manutenção. Geralmente utiliza-se a variável tempo para que manutenções sejam feitas. Gráficos são traçados com os perfis das máquinas onde através de dados probabilísticos pode-se determinar possíveis manutenções. O problema é que tais gráficos dependem de como a máquina é usada. Imagine que determinada bomba de sucção possua um tempo de 10 meses para que uma manutenção seja feita, dependendo de como ela é usada, por exemplo, utilizada com água ou com minérios pesados, tal tempo pode diminuir ou aumentar, fazendo com que possíveis manutenções reativas aconteçam ou então materiais sejam desperdiçados. Os custos de uma manutenção preventiva é aproximadamente 3 vezes menores do que os custos na manutenção corretiva. A manutenção preditiva é basicamente uma extensão da manutenção preventiva, adotando métodos mais eficazes do que o tempo. Análise vibratória, infravermelho, termografia são utilizados. Seu princípio básico é o monitoramento regular das condições mecânicas reais, rendimento operacional, e outros indicadores da condição operativa das máquinas enquanto que sistemas de processo fornecerão os dados necessários para assegurar o intervalo máximo entre os reparos. Como podemos constatar, a manutenção preditiva é bastante robusta para métodos de diagnósticos de equipamentos. A monitoração do status de um equipamento a partir de dados coletados por sensores de vibração são campos ideais para as redes de sensores sem fio. Os principais benefícios do uso das RSSF (Redes de Sensores sem Fio) no monitoramento de equipamentos em ambientes industriais são: eliminar coletas de dados manuais eliminando erros humanos na manipulação dos dados (figura 4.1), e a significativa melhor relação custo x benefício em tal aplicação do que as soluções cabeadas. Baseado em tais características foram analisadas algumas aplicações relacionadas com o setor de petróleo e gás natural onde o uso das redes de sensores podessem ser aplicadas. O monitoramento de equipamentos em refinarias e o monitoramento da sala de máquinas de um navio tanque transportador de óleo serão descritos a seguir. Essas aplicações foram descritas a partir de Krishnamurthy et al. (2005). As referidas aplicações utilizam o processo de manutenção preditiva baseada na análise vibratória. Uma característica peculiar desse tipo de abordagem é o grande número

50 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 41 Figura 4.1: Medição manual de amostras de vibrações em máquinas de amostras coletadas em determinado instante de tempo. Os nós sensores terão que ser capazes de detectar fenômenos de vibração, sendo dotados de sensores de vibração. Figura 4.2: Componentes da plataforma Intel Motes Segundo Krishnamurthy et al. (2005) a plataforma adotada nesta aplicação foi o Intel Motes [Nachman et al. 2005]. Uma grande vantagem desta plataforma é seu excelente desempenho, uso eficaz da bateria, suporte a bluetooth scatternet 1 (utilizado para construção de redes com topologia em malha) e suporte para funcionamento em modo sleep, onde uma pequena quantidade de bateria é utilizada. O Intel Motes é construído numa placa de tamanho 3x3cm, com vários dispositivos embarcados: módulo Zeevo, antena 2.4 GHz, opções de entrada e saída via conectores stackable e múltiplos leds de status. O ponto central em tal plataforma é o módulo Zeevo. É formado por uma CPU 12MHz, transmissor bluetooth, 64kB SRAM, 512KB Flash. O alcance do rádio é de 30m, porém 1 Um grupo de piconets independentes e não-sincronizadas, que compartilham ao menos um dispositivo Bluetooth comum.

51 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 42 pode chegar a 100m com a utilização de uma antena unidirecional externa. O sistema operacional que será utilizado por esta plataforma é o TinyOS [Hill et al. 2000]. O motivo de tal escolha, segundo Krishnamurthy et al. (2005) está no fato deste sistema apresentar boa estabilidade, fornecer funcionalidades básicas e além de possuir várias comunidades de usuários, facilitando bastante na construção e depuração das aplicações. A plataforma Intel Mote é ilustrada na figuras 4.2 e 4.3. Figura 4.3: Dimensões da plataforma Intel Motes Uma característica não só dessa aplicação mais também das redes de sensores sem fio é a questão da auto-organização. Após a instalação física dos nós sensores a rede está pronta para ser inicializada, nesse momento uma descoberta distribuída de serviços [Bu & Naghdy 2005] e de procedimentos de conexão são realizadas. Concluída a fase inicial de auto-organização, os nós sensores estão aptos a trocar informação entre si. Mecanismo de reparos em caso de falhas nos nós sensores ou em links e a adoção de um modo de operação em baixa latência (sleep) são implementados. Nos próximos parágrafos falaremos um pouco sobre os requisitos básicos das redes, como por exemplo: formação da rede, roteamento e reparos, mecanismos de transporte e modo de operação sleep Formação da rede A formação da rede é baseada em um scatternet utilizando uma extensão do algoritmo proposto por Tan & Guttag (2000). Neste algoritmo, uma topologia em árvore é criada para rede, onde o nó root dessa árvore é determinado de forma estática. Inicialmente cada nó fica chaveando entre os modos de investigação e escaneamento. O primeiro modo procura achar nós vizinhos enquanto que o segundo busca analisar dados de tais nós vizinhos. Um nó sensor ao se conectar com outro nó, passa a trocar informações. Uma dessas informações corresponde a um flag que indica se o outro nó possui um caminho até o nó root. Se o caminho não existir, a conexão é desfeita e os nós passarão ao modo de chaveamento inicial. Se o caminho existir, o nó se junta ao outro com status de escravo. Um nó pode ligar-se diretamente ao nó root, sendo considerado um nó mestre de uma

52 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 43 possível piconet que poderá a ser formada. Nós que ainda não estão localizados na árvore são classificados de nós livres Roteamento e reparos No item anterior foi discutida uma topologia em árvore, um algoritmo foi utilizado para manter um caminho de um nó escravo até um nó mestre. O nó root, periodicamente envia pacotes de sinalização, chamados de beacon [Nachman et al. 2005], para seus nós escravos. Este envio é recursivo até que as mensagens cheguem nos nós folhas da árvore. Tal sinalização tem a finalidade principal de atualizar a tabela de rotas dos nós mestres e do root. Na camada inferior da tecnologia Bluetooth, está definido mensagens de manutenção dos links. Quando tais mensagens não são recebidas por um certo intervalo de tempo, a conexão é cortada. Nesse momento, sinais de alerta são recebidos pelo algoritmo de formação da scatternet informando que conexões foram rompidas. As seguintes situações envolvendo cancelamento de conexões podem ocorrer: Nó mestre perdeu conexão com nó escravo Nó escravo perdeu conexão com nó mestre No primeiro caso, o nó mestre atualiza sua tabela de rota indicando que o nó escravo e seus descendentes não são mais atingíveis pelo link. Enquanto que no segundo caso, o nó escravo assume que não pode alcançar mais o nó root e passa para classificação de nó livre. Sendo um nó livre, o mesmo passará por todos os procedimentos até conseguir se ligar na árvore novamente, inclusive por um link diferente ao que estava conectado. O problema deste segundo caso é que a desconexão é propagada por todos os nós descendentes do nó escravo, sendo de vital importância que o mecanismo de formação da rede apresente uma grande eficiência Mecanismos de transporte Foi definido um mecanismo de transporte confiável fim a fim, por Krishnamurthy et al. (2005), com a finalidade de transmitir grandes pacotes de informação. Tal mecanismo foi criado devido as características da aplicação. A análise de diagnósticos com métodos de vibração necessitam de grandes amostragens em cada medição. Neste ambiente transmissões confiáveis de 6KB são requisitadas. Visando reduzir o overhead da comunicação e os requisitos de hardware, é realizada fragmentação destes pacotes. A informação coletada é fragmentada em várias partes e transmitidas, na maioria das vezes, por vários nós sensores, até que a informação consiga chegar no destino. Perceba que no meio do caminho a informação pode ser alterada ou mesmo não conseguir chegar no nó destino. Sendo de vital importância a criação de um mecanismo de confiabilidade entre o emissor e o receptor. Para que a informação fragmentada possa utilizar vários links, é necessária uma negociação no momento que a conexão é criada. Neste momento o receptor terá o conhecimento do tamanho total da informação a ser transmitida, como também o tamanho dos pacotes fragmentados. Periodicamente, o receptor poderá enviar mensagens (NACK) ao emissor, informando-lhe que determinado pacote está faltando

53 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 44 ou contém erro. Um emissor só realiza uma retransmissão em caso de recebimentos de mensagens NACK. Como pode-se notar, tal protocolo é dividido em 3 fases distintas: fase de conexão, transferência de dados e fase de reconhecimento Modo de Operação sleep Foi implementado, por Krishnamurthy et al. (2005), um protocolo que visa o menor gasto de energia possível, para manter a rede em estado de latência. Tal estado é bastante interessante de acontecer logo após um ciclo de coleção de dados, geralmente são implementados quando o tempo de resposta da rede ultrapassa alguns minutos. O modo de operação sleep sempre é iniciado por um nó root. O nó root envia o comando sleep para todos seus escravos, estes enviam para todos seus descendentes até que cheguem nos nós folhas da árvore que representa a rede. Quando um nó folha recebe um comando de sleep, este envia um ACK para seu mestre. No momento que um nó mestre recebe ACKs de todos seus descendentes, este põe seus links em estado de hibernação por um período T, que geralmente é de 20s. Mensagens ACK são passadas para cima, caminhando pela hierarquia da árvore, até que um ACK chegue ao root. Caso o tempo T expire em algum nó, este verificará se seu flag de hibernação foi setado, caso contrario um outro tempo T é deflagrado novamente. Quando o nó root resolve acordar a rede, o mesmo envia o comando wake para todos seus descendentes. Fazendo uma analise sobre o tempo de hibernação, notamos que o tempo total para acordar a rede é aproximadamente igual a altura da arvore * T. Nos parágrafos anteriores foram discutidas a plataforma usada nos nós sensores da aplicação bem como possíveis configurações adotadas no seu manuseio. Passaremos a discutir os conceitos inerentemente voltados a implementação da rede e os testes realizados segundo Tan & Guttag (2000). Nesta aplicação as redes de sensores estão sendo usadas para o monitoramento de equipamentos em ambientes industriais voltados para o setor de petróleo e gás natural. Purificadores de água, compressores, reguladores, motores e uma dezena de outros equipamentos são monitorados por técnicas de vibração visando uma melhor manutenção preditiva desses equipamentos. Para facilitar o gerenciamento da rede e reduzir o número de saltos dos protocolos de roteamento de dados, a rede de sensores foi dividida em clusters. Cada clusters possuí um nó líder, que é responsável por realizar o esquema de comunicação e gerenciamento de energia dentro do cluster, tais líderes se comunicam com gateways [Xbow 2006](stargate) de forma serial. Os gateways estão conectados ao nó root por uma rede b. Os gateways possuem um equipamento bem mais robusto do que os nós sensores, alguns dos seus componentes são: I/O universais, , USB, ethernet, serial, conectores de ligação para os nós sensores, bateria ou linhas de força, processamento local. A figura 4.4 ilustra tal equipamento. Por fim, o nó root se comunica com a intranet responsável por conduzir os dados até os servidores da aplicação, onde as análises dos dados coletados serão processadas. A descrição desta aplicação, segundo Krishnamurthy et al. (2005), busca comprovar a utilidade das redes de sensores sem fio em ambientes industriais relacionados com o setor

54 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 45 Figura 4.4: Gateway utilizado na ligação dos nós sensores com o nó root de petróleo e gás natural. A motivação desta aplicação em tal setor foi exarcebada apartir de Tan & Guttag (2000). As simulações e os resultados que serão mostrados nas próximas seções são extensões desta análise. Para podermos comparar o nó sensor adotado, utilizaremos o nó sensor MICA2 [Inc. 2006] como forma de comparação dos resultados. Este nó sensor está ilustrado na figura 4.5. A análise feita da aplicação foi dividida nos seguintes passos: descrição da experiência, overhead na formação da rede, atraso na transferência dos dados, desempenho do rádio e o consumo de energia. Nos próximos parágrafos descreveremos os referidos itens. Figura 4.5: Mica2 - nó sensor usado para que se possa realizar comparações com o Intel Motes 4.2 Monitoramento de equipamentos em uma refinaria A primeira aplicação que discutiremos será o monitoramento de equipamentos da planta de uma refinaria petrolífera, cuja descrição foi realizada por Krishnamurthy et al. (2005). O maquinário deste setor pode produzir água pura, gases e processos que envolvam elementos com um alto grau de temperatura. As máquinas podem estar localizadas dentre e fora de determinados galpões. Nesta aplicação será adotado o uso de 3 clusters. Como também queremos comparar a eficiência dos nós sensores, a construção dos clusters foram feitas com os dois tipos de nós sugeridos. Cada cluster abrange determinada região da fábrica e são constituídos por 10 nós sensores, onde cada nó é formado por 5 sensores de vibração. A representação desta arquitetura é ilustrada na figura 4.6.

55 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 46 Figura 4.6: Arquitetura para aplicação de monitoramento de máquinas em refinarias A rede foi exaustivamente testada por 7 dias seguidos, de acordo descrição feita por Krishnamurthy et al. (2005), gerando significantes valores estatísticos. Nós sensores foram programados para hibernarem por 1 hora logo após realizarem coletas de dados. Cada coleção de dados corresponde a uma amostra de 3000 exemplos, fazendo com que um buffer de 6KB seja necessário para sua transmissão. Devido suas limitações físicas, memória RAM extra e um segundo processador foram adicionados ao MICA2 para que o mesmo suportasse tal aplicação Overhead na formação da rede A formação da rede é inicializada quando os nós líderes dos clusters são inicializados, é claro que o nó root também deve estar funcionando. Como as conexões são mantidas na fase de hibernação da rede, novas formações da rede não são requisitadas após esta operação. Esta fase é encerrada no momento que todos os nós sensores se ligam a árvore da topologia ou quando um valor de timeout é expirado. Nesta aplicação foi utilizado um timeout de 2 minutos. Durante os 7 dias em que a rede foi testada, segundo Krishnamurthy et al. (2005), 163 ciclos de coletas de dados foram realizadas onde 13 operações de formação da rede ocorreram. Algumas dessas formações são decorrentes do mecanismo de watchdog, que busca otimizar a rede principalmente em casos de loops. Os resultados mostraram que a média dos atrasos na formação da rede, para um cluster formado em média de 7 nós sensores, foi de 67s. Se pegarmos a média de todos os ciclos de coletas de dados chegaremos a uma média de 5.3s de atraso por coleção. Os resultado podem ser vistos na figura 4.7[Tan & Guttag 2000] Atraso na transferência dos dados A cada ciclo de coleta de dados, 3000 exemplos são captados por cada sensor, o que corresponde a aproximadamente 6KB de informação. Levando-se em consideração que

56 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 47 Figura 4.7: Overhead na formação das redes em aplicações de manutenção preditiva localizada em refinarias cada nó é constituído por 5 sensores de vibração, temos um total de dados equivalente a 30KB por nó sensor. No geral os nós Intel Mote demonstraram melhores médias na transmissão do que os MICA2, médias de 88s foram encontradas para transferir 30KB de informação. O número de fragmentações necessárias para transmitir 30KB de dados é de 320 (com fragmentos de 94B), entretanto, foi percebida uma média de 430 fragmentos por coleção, o que nos dá 34% de pacotes retransmitidos. Como esperado, foi percebido que este resultado é diretamente proporcional ao número de saltos necessário para que um pacote saia do emissor e chegue no receptor conforme ilustrado na figura 4.8. Os motivos de tais retransmissões estão vinculados à falta de sincronismo de mensagens NACK e de overflow nos buffers. Figura 4.8: Influência do número de saltos no roteamento na retransmissão de pacotes

57 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G Desempenho do rádio Para esta aplicação específica, alguns clusters apresentam nós localizados dentro e fora dos galpões. De acordo com a figura 4.9 é observado que o cluster 1 apresenta alguns nós sensores localizados na parte externa do galpão. Apesar da existência de barreiras entre nós sensores de alguns clusters os desempenhos apresentados foram bastante próximos. Figura 4.9: Clusters da aplicação que monitora equipamentos em refinarias Figura 4.10: Desempenho do rádio para os diferentes nós sensores Quando comparado o desempenho do nós Intel Mote com os MICA2 foi percebido que os primeiros apresentaram resultados mais consistentes para os vários tipos de coletas

58 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 49 de dados. A distribuição cumulativa dos Intel Motes apresentou uma variância bem menor do que os MICA2. A figura 4.10 ilustra tal comparação. A análise dos efeitos da distância física na confiabilidade da transmissão foi realizada através de vários experimentos [Tan & Guttag 2000]. Dois nós foram conectados diretamente, um representando o escravo e o outro o mestre. O nó escravo envia 3KB de dados para o nó mestre utilizando os protocolos citados anteriormente. Suas distâncias são incrementadas de 3m e em cada localização 8 transmissões são realizadas. A figura 4.11 mostra os valores médios, máximos e mínimos do tempo de transmissão dos pacotes como função da distância entre o emissor e o receptor medidas durantes estas transmissões. Através da figura 4.11 pode-se observar que a média no tempo de uma determinada transmissão em que a distância entre os dispositivos é inferior a 30m é de aproximadamente 1.2s. Se o emissor estiver configurado para transmitir 100 bytes de pacotes a cada 40ms, 1.2s é o tempo mínimo para transmitir o arquivo de 3KB. Distâncias acima de 30m são esperados tempos relativamente maiores e com um maior gasto de energia. Os testes de desempenho do rádio foram realizados em ambientes internos, onde existiam grandes fluxo de pessoas e presença de redes b. Figura 4.11: Influência da distância no tempo de transmissão

59 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G Consumo de energia A análise do consumo de energia será descrita nas diferentes fases de operação da rede (modo sleep, transmissão e leitura de dados). A tabela 4.3 mostra um comparativo do consumo de corrente em cada tipo de operação. Apartir dos requisitos da aplicação foi configurado um tempo de hibernação para os nós sensores bastante significativo. Desta forma o gasto de energia tem sua contribuição vinculada principalmente ao tempo de hibernação. Durante o tempo de hibernação o nó sensor consome muita pouca energia, todavia quando este tempo é grande o consumo de energia passa a ser significativo. Modo I(mA) t ciclo (s) Média(mA) Sleep Imote + rádio Imote + Sensor Imote + Sensor + AD Total Tabela 4.3: Consumo de energia dos nós sensores Foi adotado, segundo Krishnamurthy et al. (2005), nesta aplicação o uso de 4 baterias recarregáveis com capacidade de aproximadamente 9100mAh com fornecimento nominal de 6V. Para esta configuração o tempo de vida da rede é de aproximadamente 2 meses. A figura 4.12 ilustra o acoplamento do nó sensor bem como a instalação e localização das baterias no ambiente da aplicação. Várias melhorias podem ser feitas visando prolongar o tempo de vida da rede nesta aplicação. Uma delas corresponde a retirar ciclos de máquinas desnecessárias do processador onde o mesmo realiza algumas operações envolvendo timers. Neste método o consumo de energia no modo de operação sleep pode cair para 1.5mA, fazendo com que o tempo de vida da rede aumente para 6 meses. Uma outra solução é fazer com que os links da rede sejam rompidos após um ciclo de coleta de dados. Tal solução reduz o consumo de energia na operação sleep para 700µA, entretanto o cálculo do overhead deve ser levado em consideração para formações da rede. A figura 4.13 ilustra todos as soluções anteriores para o consumo eficaz da bateria, onde é mostrado a relação do tempo de vida e o tempo de hibernação com o consume de corrente. Melhorias na economia de energia é proposto por Lymberopoulos et al. (2005) onde um clock de tempo real externo é utilizado para praticamente desligar o nós sensores. Nesta técnica o nó sensor consome uma corrente na ordem de 10µA. Fazendo com que o tempo de vida da rede aumente para significantes 4 anos e meio. A tabela 4.4 descreve um resumo das principais características desta aplicação. 4.3 Monitoramento de máquinas em um navio tanque O monitoramento remoto de equipamentos em navios tanque é uma aplicação de grande interesse para o setor de petróleo e gás natural. As falhas em alguns equipamentos podem causar acidentes e atrasos no transporte dos produtos extraídos das plataformas e

60 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 51 Figura 4.12: Bateria utilizada pelos nós sensores Fatores Topologia Nó Sensor Sensores Tamanho dos dados Formação da Rede Tempo de Vida Segurança Propriedades Baseada em Cluster Mica2 e Intel Motes Vibração Grande 1-3 minutos 1-4 Meses Ausente Tabela 4.4: Características básicas relacionadas com a aplicação de Monitoramento de equipamentos em uma refinaria

61 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 52 Figura 4.13: Relação do consumo de energia com o tempo de vida e de hibernação poços. Procuramos descrever o monitoramento de motores e bombas presentes na sala de máquinas nos Tankers 2 como forma de otimização para análises de manutenções preventivas. O desenvolvimento de aplicações para o monitoramento de equipamentos em navios tanque foi inicialmente motivado por Krishnamurthy et al. (2005). Trabalhos envolvendo os desafios e consumo de energia dos nós sensores em tal aplicação podem ser encontrados respectivamente em Kevan (2006) e Discenzo & Chung (2006). O monitoramento de máquinas em navios tanque utilizando as RSSF apresentam uma série de desafios. A localização em que os nós sensores serão instalados apresentam problemas vinculados principalmente a interferências sofridas pelo rádio devido a quantidade de metal presente na sala de máquinas do navio tanque. Elevadas temperaturas e ruídos provocados pelas máquinas existentes no local são as outras interferências em que os nós sensores devem suportar. O monitoramento realizado por Krishnamurthy et al. (2005) no navio tanque Loch Rannoch, cuja propriedade é vinculada à British Petroleum, será a base dos resultados descritos nos próximos parágrafos. O Loch Rannoch é um Tanker de 304 metros de comprimento que um peso estimado de 132k toneladas. O navio apresenta uma série de compartimentos onde a comunicação entre os mesmos é feita através de portas lacradas através de escotilhas. Esta característica é um fator que deve ser levado em consideração na modelagem das RSSF para a aplicação do monitoramento das máquinas. Levandose em consideração que esses compartimentos estão lacrados fisicamente a comunicação dos nós sensores localizados em compartimentos diferentes só podem ocorrer quando as escotilhas de um determinado compartimento estiverem aberta. A figura 4.14 ilustra o Tanker Loch Rannoch bem como as instalações onde os nós sensores serão localizados. Esta aplicação tem o objetivo de otimizar o processo manual para medição de amostras vibratórias em equipamentos. O procedimento atual realizado nos navios tanque é realizado manualmente em intervalos de aproximadamente 500 horas. A medição realizada para uma amostra de vibração é feita com a utilização de dispositivos handheld conforme 2 Para o setor de petróleo e gás natural o termo navio tanque é mais conhecido pela termologia Tanker

62 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 53 Figura 4.14: Tanker Loch Rannoch - ambiente onde será desenvolvido à aplicação de monitoramento remoto de máquinas com RSSF ilustrado na figura 4.1. Este processo pode gerar sensíveis erros durante a leitura das amostras além de um tempo relativamente grande para realizar as medições de todos os equipamentos na planta. Um outro fator desvaforável deste procedimento leva em consideração a pequena amostra colhida durante os intervalos de medições, proporcionando resultados estatisticamente pouco favoráveis. A adoção das RSSF como tecnologia para realizar o monitoramento remoto de forma automatizada é sem dúvida um procedimento de grande benefício para esta aplicação. Os benefícios trazidos pelas RSSF estão relacionados principalmente com a melhoria dos dados coletados num intervalo de tempo menor e do aumento da confiabilidade dos dados quando comparados com o método manual Características básicas do problema O monitoramento de máquinas em navios tanque apesar de apresentar uma modelagem no que diz respeito ao hardware utilizado bem parecido com a aplicação da seção 4.2 possui características em geral diferentes. A primeira diferença está vinculada as desconexões ocorridas entre o nó root e os gateways. Essas desconexões são realizadas devido a localização física dessas entidades estarem em locais que apresentam um isolamento físico, o isolamento é quebrado quando escotilhas são abertas. Uma outra diferença está vinculada a capacidade de memória dos gateways, que neste caso devem possuir uma capacidade de armazenamento bem maior (aproximadamente 2 GB). Quando ocorrem desconexões entre os gateways e o root medições de dados feitas nos nós sensores são armazenadas na memória dos gateways até que a conexão com o root seja restaurada. Um watchdog 3 e um mecanismo de reinicialização automática foram adicionados aos gateways como forma de monitorar suas execuções. Estas duas técnicas são bastante interessantes, pois evitam riscos de paradas não projetadas do gateway, fazendo com que visitas físicas de técnicos nas instalações sejam evitadas. 3 Mecanismo muito utilizado na eletrônica para combater loops de informação nos dispositivos

63 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G Instalação da Rede Será utilizado nesta aplicação o nó sensor intel mote, apresentando na figura 4.2. A diferença que irá existir no nó sensor está vinculado ao tipo de sensor utilizado e na freqüência de rádio adotada, neste caso acelerômetros e 868 MHz respectivamente. Figura 4.15: Máquinas monitoradas no Tanker Para aplicação proposta serão utilizados 150 acelerômetros, 26 nós sensores, 4 gateways e 1 PC. Os acelerômetros serão utilizados para realizarem medições de vibração nos motores e bombas presentes na sala de máquinas do navio tanque (figura Os 26 nós sensores são distribuídos em 3 cluster, cada cluster apresenta um gateway como responsável. O outro gateway que não tem responsabilidade com nenhum cluster será categorizado como o nó root da aplicação e fará a ligação com o servidor(pc) localizado em um dos escritório no Tanker. O PC estará rodando o software supervisório para esta aplicação. A figura 4.16 ilustra à arquitetura adotada para esta aplicação. Figura 4.16: Arquitetura da aplicação do monitoramento em Tankers A rede foi organizada em duas áreas de atuação. Dois clusters foram implementados em níveis mais altos do navio, enquanto o outro cluster foi construído no nível mais inferior. Vários testes foram feitos com cada cluster, dependendo de suas localizações. O

64 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 55 cluster localizado no nível inferior sofre grande influência de desconexões com o nó root já que está lacrado por uma escotilha selada, fazendo com que o gateway deste cluster não possa em alguns instantes de tempo comunicar-se com o nó root. As escotilhas são aberta em períodos de tempo aleatório fazendo com que a conexão possa fluir entre o nó root e o gateway. Nesse instante, todas as informações coletadas pelo gateway durante o período de desconexão são transmitidas. Os clusters que estão localizados nos níveis mais próximos da superfície do navio não sofrem tanto problema da interferência devido as portas desses níveis permanecerem abertas o tempo todo, não existindo desconexão entre os gateways e o nó root. O tempo total de um ciclo de coleta de dados é determinado pelo tempo de hibernação mais o tempo em que a coleta de dados ocorreu. O tempo de hibernação é bastante interessante para aumentar a vida útil da rede. O tempo de hibernação foi configurado de acordo com a localização dos clusters. O cluster localizado na parte inferior do Tanker foi configurado com um tempo de sleep de aproximadamente 5 horas e com um tempo destinado à coleta de dados de 7 horas (sleep + t ativo ). Nesta configuração esse cluster (03 - figura 4.16 apresenta um tempo de vida útil de aproximadamente 21 dias. A configuração dos cluster localizados nas áreas mais próximas da superfície do Tanker foram configuradas com um tempo de sleep de 18 horas e com um período de coleta de dados por volta de 20.5 horas. Nesta configuração os cluster apresentam um tempo de vida útil de aproximadamente de 82 dias. Figura 4.17: Esquema de como adquirir energia através do ambiente para nós sensores O gasto de energia é um desafio que deve ser otimizado nas RSSF. Trabalho proposto por Discenzo & Chung (2006) oferece um mecanismo para absorver energia a partir do

65 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 56 ambiente em que nós sensores estão instalados. Conforme ilustrado em 4.17 percebemos módulos na estrutura física do nó sensor responsável por converter por exemplo energia rotacional em energia elétrica através de micro-geradores. O trabalho citado anteriormente foi aplicado no mesmo ambiente da aplicação que está sendo descrita nesta seção. Ainda levando em consideração o gasto de energia dos nós sensores, devemos observar que as amostras de dados coletadas pelos acelerômetros são inerentemente sinais de vibração. A escolha da localização em que o processamento dos sinais será feito é de extrema importância visto a grande proporção de energia gasta na transmissão de grandes quantidades de informação. Um pequeno processamento local desses sinais poderá contribuir sensivelmente para uma otimização no gasto de energia. Para tanto o procedimento de uma FFT deve ser implementado em hardware para que o processamento seja feito. A figura 4.18 mostra um comparativo do tempo e da energia gasta para os principais procedimentos do nó sensor nesta aplicação. Figura 4.18: Comparativo entre o tempo e o gasto de energia das principais operações dos nós sensores Para finalizar a descrição da instalação desta aplicação iremos comentar um pouco sobre a aplicação supervisória localizado no servidor. Todas as informações coletadas são disseminadas pela rede até que as mesmas cheguem ao PC supervisório localizado num dos escritórios do navio tanque. Neste computador vários scripts analisam os dados coletados, o status de cada nó sensor também pode ser observado na tela do PC. Um diagnóstico sobre a coleta contínua de dados é traçado para cada nó de um determinado cluster com exceção para o cluster localizado na parte inferior do Tanker, onde uma análise contínua não pode ser analisada devido as desconexões ocorridas. O servidor também é responsável por realizar um mecanismo de backup periodicamente. O mecanismo de backup é de grande importância por questões de segurança e também para análises futuras dos dados coletados Desempenho da Rede O desempenho da rede foi avaliado sobre dois aspectos: habilidade de coletar e entregar dados ao PC (Servidor) e a habilidade de retransmitir um pacote em caso de perdas ou erros. O cluster 3 foi executado por 6 semanas até que sua energia exaurir-se completamente, enquanto que os clusters 1 e 2 foram executados por 19 semanas. Este resultado

66 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 57 reflete diretamente no tempo de hibernação configurados nos clusters. O cluster 3 foi configurado com um tempo de hibernação bem menor que os clusters 1 e 2 propiciando um gasto de energia bem maior e fazendo com que a rede tenha uma morte prematura quando comparada com os outros clusters. Figura 4.19: Número total de amostras dos nós localizados no cluster 3 As figuras 4.19 e 4.20 mostram o histórico do número de amostras recebidas pelo PC dos clusters. O resultado encontrado para o cluster 3(figura 4.19 apresentou um número de recepções bem menor que os clusters 1 e 2 (figura 4.20, este resultado está vinculado as desconexões ocorridas e como conseqüência ao overflow de memória ocorrida no gateway provocando perdas em algumas amostras de dados. Comparando as duas figuras pode-se observar que aproximadamente 80% dos pacotes foram entregues ao servidor. Figura 4.20: Número total de amostras dos nós localizados nos clusters 1 e 2 A tabela 4.5 faz um resumo das principais características desta aplicação. 4.4 Monitoramento da estrutura de plataformas offshore O monitoramento das estruturas físicas (SHM ) é uma aplicação inerentemente voltada para o setor da indústria civil. Recentemente com o avanço das tecnologias wireless uma

67 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 58 Fatores Topologia Nó Sensor Sensores Capacidade de armazenamento Interferência externa Tempo de Vida Segurança Propriedades Cluster e Árvore Intel Motes Vibração Grande Alta 2 Meses Ausente Tabela 4.5: Características básicas relacionadas com a aplicação de Monitoramento de máquinas em um navio tanque série de requisitos flexíveis podem ser inseridos no contexto desta aplicação. O monitoramento em estruturas físicas é motivado principalmente para otimização de consertos e como conseqüência a prevenção de acidentes. Os vários componentes de equipamentos, automóveis, prédios, pontes, plataformas offshore dentre outros sofrem ao longo do tempo a ação de forças repetitivas. Estas forças podem gerar pequenas tensões nesses materiais fazendo com que diminutas fraturas apareçam em suas estruturas. O acúmulo de processos repetitivos seguidos de algumas fraturas em uma estrutura é normalmente chamado de fadiga. O fenômeno relacionado com a fadiga [Taier et al. 2002] vem sendo pesquisado há mais de 175 anos por vários trabalhos no mundo inteiro, sendo este fenômeno um dos mais importantes no projeto de manutenção em estruturas físicas. Para o contexto da aplicação inserida nesta seção, descreveremos uma breve análise do monitoramento em plataformas offshore. De acordo com OU & LI (2004) é estimado que aproximadamente 50% dos custos totais de monitoramento das condições em serviços das plataformas offshore estão relacionadas com inspeções que averiguam trincas criadas por fadigas. Sendo de extrema importância que o aprimoramento desses procedimentos avaliem análises estruturais com uma confiabilidade e precisão. No processo de avaliação das fadigas em plataformas offshore devem ser levados em consideração todas as ações que provocam variação de tensões na estrutura das plataformas, tais como: ondas, vento, correntes, pressão hidrostática variável, guindaste, etc. Segundo [Taier et al. 2002] em uma plataforma offshore as cargas de ondas são as maiores fontes causadoras de fadigas. Para darmos uma visão mais geral sobre o processo de SHM em plataformas offshore, descreveremos de forma geral os principais tipos de plataformas offshore[petrobras 2006] como pode ser visto abaixo: Fixas Auto-Eleváveis Plataforma de Pernas Atirantadas ( Tension-Leg Platform - TLP) Semi-Submersíveis Navio Sonda FPSO As plataformas fixas foram as primeiras unidades utilizadas na exploração do

68 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 59 petróleo. Geralmente tem sido utilizadas nos campos localizados em lâminas d água de até 200m. Estas plataformas são constituídas de estruturas modulares de aço, instaladas no local de operação com estacas cravadas no fundo do mar. As plataformas fixas são projetadas para receber todos os equipamentos de perfuração, estocagem de materiais, alojamento de pessoal, bem como todas as instalações necessárias para a produção dos poços. As plataformas auto-eleváveis são constituídas basicamente de uma balsa equipada com estrutura de apoio, ou pernas, que, acionadas mecânica ou hidraulicamente, movimentam-se para baixo até atingirem o fundo do mar. Em seguida, inicia-se a elevação da plataforma acima do nível da água, a uma altura segura e fora da ação das ondas. Essas plataformas são móveis, sendo transportadas por rebocadores ou por propulsão própria. Destinam-se à perfuração de poços exploratórios na plataforma continental, em lâmina d água que variam de 5 a 130m. As plataformas semi-submersíveis são compostas de uma estrutura de um ou mais conveses 4, apoiada em flutuadores submersos. Uma unidade flutuante sofre movimentações devido à ação das ondas, correntes e ventos, com possibilidade de danificar os equipamentos a serem descidos no poço. Por isso, torna-se necessário que ela fique posicionada na superfície do mar, dentro de um círculo com raio de tolerância ditado pelos equipamentos de subsuperfície, operação esta a ser realizada em lâmina d água. Dois tipos de sistema são responsáveis pelo posicionamento da unidade flutuante: o sistema de ancoragem e o sistema de posicionamento dinâmico. O sistema de ancoragem é constituído de 8 a 12 âncoras e cabos e/ou correntes, atuando como molas que produzem esforços capazes de restaurar a posição do flutuante quando é modificada pela ação das ondas, ventos e correntes. No sistema de posicionamento dinâmico, não existe ligação física da plataforma com o fundo do mar, exceto a dos equipamentos de perfuração. Sensores acústicos determinam a deriva, e propulsores no casco acionados por computador restauram a posição da plataforma. As plataformas semi-submersíveis podem ou não ter propulsão própria. De qualquer forma, apresentam grande mobilidade, sendo as preferidas para a perfuração de poços exploratórios. As plataforma tension-leg são unidades flutuantes utilizadas para a produção de petróleo. Sua estrutura é bastante semelhante à da plataforma semi-submersível. Porém, sua ancoragem ao fundo mar é diferente: as TLPs são ancoradas por estruturas tubulares, com os tendões fixos ao fundo do mar por estacas e mantidos esticados pelo excesso de flutuação da plataforma, o que reduz severamente os movimentos da mesma. Desta forma, as operações de perfuração e de completação são iguais às das plataformas fixas. Navio-sonda é um navio projetado para a perfuração de poços submarinos. Sua torre de perfuração localiza-se no centro do navio, onde uma abertura no casco permite a passagem da coluna de perfuração. O sistema de posicionamento do navio-sonda, composto por sensores acústicos, propulsores e computadores, anula os efeitos do vento, ondas e correntes que tendem a deslocar o navio de sua posição. 4 Conveses: a parte da cobertura superior do navio compreendida entre o mastro do traquete e o grande, onde os passageiros conversam e passeiam.

69 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 60 Os FPSOs são navios com capacidade para processar e armazenar o petróleo, e prover a transferência do petróleo e/ou gás natural. No convés do navio, é instalada um planta de processo para separar e tratar os fluidos produzidos pelos poços. Depois de separado da água e do gás, o petróleo é armazenado nos tanques do próprio navio, sendo transferido para um navio aliviador de tempos em tempos. O navio aliviador é um petroleiro que atraca na popa da FPSO para receber petróleo que foi armazenado em seus tanques e transportá-lo para terra. O gás comprimido é enviado para terra através de gasodutos e/ou re-injetado no reservatório. Os maiores FP- SOs têm sua capacidade de processo em torno de 200 mil barris de petróleo por dia, com produção associada de gás de aproximadamente 2 milhões de metros cúbicos por dia. Os principais tipos de plataformas offshore são ilustrados na figura 4.21 Figura 4.21: Principais plataformas offshore - A) Plataforma Fixa, B) FPSO, C) Navio Sonda, D) Plataformas Semi-submersíveis, E) Plataformas auto-eleváveis, F) TLP Nos próximos parágrafos descreveremos os principais conceitos necessários para um melhor entendimento da aplicação de SHM em plataformas offshore. A saber, serão descritas uma visão geral da aplicação, caracterização do hardware utilizado, questões inerentes a aplicação como confiabilidade, sincronismo e compressão de dados Visão Geral As RSSF apresentam como uma de suas características mais fortes a capacidade de monitorarem variáveis de forma remota. Combinado com seu elevado grau de flexibilidade, as RSSF possuem um excelente nível de granularidade permitindo que aplicações de SHM possam ser implementadas com níveis bastante altos de otimização. A grande quantidade de trabalhos encontrado relacionados com esta aplicação [Lynch et al. 2006, Swartz et al. 2005, Caffrey et al. 2004, Kim et al. n.d., OU & LI 2004, Taier et al. 2002] demonstra o grande interesse por melhorias tecnológicas neste setor. A motivação da elaboração de aplicações com RSSF relacionadas com plataformas offshore foram extraída destes trabalhos. SHM possui seu foco de desenvolvimento voltado para tecnologias que avaliam a estrutura de construções, pontes, plataformas offshore, etc. A grande maioria dos sistemas SHM implementados atualmente utilizam o meio cabeado para transportar as informações coletadas a partir de uma análise vibratória da estrutura física estudada. Esta análise vibratória pode ser obtida através de excitações naturais (ventos fortes, terremotos) ou por excitações artificiais (passagens de carros pesados, atuadores). Após medições de vibrações serem realizadas e armazenadas, estas serão enviadas a uma estação central para

70 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 61 que uma avaliação dos resultados possa ser feita. O grande problema neste ambiente de desenvolvimento é a questão que estas estruturas apresentam tamanho físico relativamente grande. Mudanças no layout da aplicação exigem que toda estrutura de cabos seja alterada para que a aquisição de dados possa ocorrer, e em muitos casos esta mudança necessita que buracos e tubos sejam inseridos na estrutura para permitir a passagem dos cabos. Desta forma, tornando a otimização da aplicação com o uso de cabos para transmitir os dados adquiridos bastante cara e proibitiva. Baseado nessas características é que a motivação para o uso das RSSF nesta aplicação foi exarcebada. As RSSF prometem grandes benefícios relacionados com a facilidade e flexibilidade no desenvolvimento da aplicação bem como na redução da manutenção e no custo do sistema. Lynch et al. (2001) foi um dos primeiros trabalhos relacionados com o desenvolvimento de aplicações em SHM com RSSF. O mesmo realizou a modelagem e a prova de como um sensoriamento que utilizasse baixa potência poderia ser utilizado para medir dados da estrutura física, no caso do exemplo desenvolvido por ele, de uma ponte. Na aplicação desenvolvida um nó sensor ligado diretamente (simples hop) à estação base fornecia dados para a aplicação cliente. Em contraste com o sistema descrito anteriormente, o projeto Wisden [Caffrey et al. 2004] apresenta grande melhoria para o desenvolvimento das SHM. Primeiramente foi implementada a funcionalidade de transporte utilizando multi-hop. Esta implementação proporciona grande flexibilidade para a disseminação de informações coletadas em áreas geograficamente distantes. Um fator intrínseco do transporte multi-hop é a questão da confiabilidade dos dados transmitidos. Para as aplicações de SHM é esperado que os dados transmitidos apresentem um elevado grau de confiabilidade, mudanças na integridade da informação não deve ser suportado. Um terceiro fator implementado no sistema Wisden foi a questão do sincronismo. Devido a grande granularidade das RSSF, vários sensores podem coletar informações em instantes de tempos diferentes, por isso que um mecanismo de sincronismo deve ser implementado para que a estação base possa determinar em que instante de tempo determinado nó sensor gerou uma informação. Para o desenvolvimento da aplicação de SHM em plataformas offshore será adotado o sistema Wisden. Na nossa aplicação dezenas de nós sensores serão espalhados por uma plataforma offshore em diferentes localizações. Cada nó sensor é dotado de acelerômetros com capacidade de sensoriamento de vibração nos 3 eixos (3 canais de dados). Uma estação base localizada em uma sala na plataforma, funciona com o servidor da aplicação. Nesta estação os dados dos nós sensores serão impressos para que técnicos possam avaliar os resultados de uma determinada experiência. Os nós sensores estão configurados para se auto-configurar em uma topologia em árvore e então enviarem os dados coletados para o nó sink da rede. O nó sink é responsável por encaminhar a informação para a estação base. Um ponto importante é que esta informação disseminada pelo nó sink deve ter sua integridade bastante confiável além de requisitos de sincronismo citados anteriormente. Nós sensores podem ser adicionados e removidos da rede sem muita dificuldade, fazendo com que a aplicação possua grande flexibilidade no que refere-se a instalação. O aumento do número de nós sensores deve ser realizado com um certo cuidado. É importante notar que cada nó sensor apresenta 3 canais destinados para coleta de dados. O aumento exorbitante dos nós sensores pode exceder os limites de transmissão das RSSF.

71 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 62 Para exemplificar esta situação basta analisar que um acelerômetro (3 eixos) gera amostras de dados (16 bits) em uma freqüência de 100Hz (esta freqüência é típica de aplicações SHM) fazendo com que um fluxo de dados gere transmissões aproximadamente de 5 kbps. Para uma rede com 20 nós sensores esta taxa pode chegar a 100kbps. O rádio Chipcon, presente nos Mica2s (nó sensor suportado pelo Wisden), apresenta uma limitação com relação a taxa de transmissão de 19.9 kbps, entretanto na prática é percebido que esta taxa apresenta-se mais próxima da faixa de 10kbps. Claramente é notado que a aquisição contínua de dados para umas dezenas de nós sensores é inviável quando relacionado a limitação da taxa de transmissão. Felizmente, a grande maioria das aplicações SHM necessita que coleções de dados sejam feita apenas em determinados instantes de tempo. Estas medições podem ser feitas quando determinados eventos ocorrem, estes eventos podem ser naturais ou artificiais. Quando os nós sensores não estão transmitindo, os mesmos podem entrar em um modo de funcionamento de baixo consumo de energia (sleep) ou então podem coletar dados e armazená-los em memória local para uma posterior compressão de dados (será falado mais na frente). Os novos desenvolvimentos de rádios ZigBee estão propiciando que a limitação da taxa de transferência sejam um pouco alargadas ( 250kbps) fazendo com que o desenvolvimento da aplicação possa suportar de nós sensores Características do hardware Nossa aplicação é modelada baseada no sistema Wisden que adota como nó sensor a plataforma Mica2. Para realizar medições de vibração é necessário que o nó sensor possua acelerômetros. Esses acelerômetros são caracterizados por várias propriedades, dentre as quais podemos citar: sensibilidade (capacidade de realizar medições com um certo grau de precisão) cuja grandeza de medição é o g (aceleração da gravidade), faixa de medição (faixa de acelerações que o dispositivo pode medir em g s) e o ruído (expresso como função da freqüência de vibração). Geralmente as aplicações SHM adotam em suas propriedades acelerômetros com grande capacidade de medição (faixa de medição variando de 1-2 g s, sensibilidade na faixa dos µg e baixa incidência de ruído). Sabendo que os Mica2 não são dotados de acelerômetros com um grau de precisão necessário para esta aplicação foi adotado um cartão de expansão para o nó sensor com a capacidade de sensoriar vibrações com um nível relativamente alto de precisão. O cartão permite que amostras de vibração sejam coletadas numa freqüência de Hz (o cartão possui implementado em firmware filtros anti-alising) com dados de 16 bits a partir de 4 entradas analógicas. Os dados provindos dessas entradas passam por um conversor analógico/digital de 16 bits localizado na placa de desenvolvimento do Mica2. O cartão também possui a capacidade de medir vibração nos 3 eixos com uma faixa de valores variando de -2.5g a 2.5g. Toda informação gerado pode ser armazena na memória(sram) interna do Mica2, cuja capacidade é de aproximadamente 64k bytes. Com relação ao consumo de energia, o cartão de expansão foi modelado para funcionar com um baixo consumo de energia, desta forma otimizando a vida útil do nó sensor. O nó sensor é alimento por duas baterias controladas cujo funcionamento total

72 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 63 só é configurado durante a transmissão dos dados. Em outras operações existe apenas o funcionamento de uma delas. O consumo de energia durante a transmissão é estimado em torno de 100mA com uma tensão nominal nas baterias por volta de 5V. Para otimização do gasto de energia foi implementado um tempo de hibernação do nó sensor para que o mesmo seja praticamente desligado, nesta configuração o consumo de energia pode cair para aproximadamente 50µA Confiabilidade dos dados transmitidos A transmissão de dados com precisão da integridade é um requisito fundamental para as aplicações que envolvem SHM. O nó sink ao entregar os dados ao servidor, deve garantir que estas informações possuam um elevado grau de confiabilidade. Para que este requisito seja atingido foi desenvolvido um mecanismo que mistura as técnicas de recuperação de erros baseadas em hop-by-hop e end-to-end. Esta mistura foi necessária devido as perdas de pacotes de dados existentes nas RSSF poderem chegar a índices de 30% conforme demonstrado em Zhao & Govindan (2003). Nesta seção descreveremos o procedimento de entrega confiável dos pacotes de dados e a configuração da topologia em que a rede está inserida. O primeiro procedimento que descreveremos será configuração da topologia. Como a aplicação de SHM voltada para plataformas offshore que estamos modelando é baseada no sistema Wisden, procuraremos adotar a mesma topologia que este sistema implementa. Os nós sensores procuram uma auto-configuração baseado em uma estrutura de árvore onde o nó root é representado pelo nó sink da rede. A modelagem em árvore para esta aplicação foi desenvolvida por A. et al. (2003). Nesta visão os nós selecionam seus pais na árvore baseado em métricas da rede, para este exemplo de aplicação foi utilizado o nível de confiabilidade do pai com relação as perdas de pacotes transmitidos como a métrica escolhida para seleções. A confiabilidade da entrega de dados será o outro ponto descrito nesta seção. Como havíamos citado anteriormente, esta confiabilidade é garantida através da mistura das técnicas hop-by-hop e end-to-end. Cada nó sensor transmite para seu respectivo pai amostras de vibração contidas em sua memória. Os pais por sua vez guardam em memória o histórico dos pacotes de seus filhos. Quando um gap é encontrado entre as seqüências de pacotes transmitidos para um determinado filho é criada a ocorrência de uma perda de pacote. Neste instante uma tupla contendo o identificador do nó e número da seqüência do pacote perdido é inserido em uma lista. Mensagens de recuperações são enviadas baseadas em tais listas. Nós sensores guardam um pequeno cache com os pacotes transmitidos recentemente, tornando possível a recuperação de informação perdida. As perdas de pacotes são geralmente recuperadas pela técnica hop-by-hop cuja demonstração foi descrita anteriormente. Entretanto a existência de 2 fatores fazem com que exista a necessidade da implementação da técnica end-to-end. O primeiro fator está relacionado com o grande número de pacotes perdidos. A ocorrência deste fenômeno pode provocar o overflow de memória provocado pela grande tamanho das listas de perdas de pacotes. O segundo fator está relacionado com a mudança de topologia. Um mecanismo de whatchdog pode ser implementado para limpar memória e até mesmo atualizar o sta-

73 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 64 tus de nós na topologia, fazendo com que conexões sejam desfeitas. Nó momento em que a topologia muda, determinados nós podem apresentar dados inconsistentes em suas listas de perdas de pacotes, fazendo com que determinadas informações não possam ser recuperadas. Por exemplo, quando um nó seleciona um novo pai, o seu pai antigo não mais conseguirá recuperar algum pacote perdido deste nó, pois este não estará mais em sua tabela de roteamento. O mecanismo de recuperação de pacotes baseado na técnica end-to-end é bastante parecido com a técnica anterior, entretanto a técnica descrita neste parágrafo apresenta uma visão mais global da recuperação. Esta técnica é baseada na grande capacidade de armazenamento do nó sink quando comparado com os outros nós da rede. Tal característica faz com que o nó sink possa guardar informações de todas as perdas de pacotes geradas na rede, tratando a recuperação como um hop-by-hop global. Dessa maneira, quando um nó filho do sink descobre que uma perda ocorreu, mensagens de recuperação são transmitidas para baixo na árvore em direção aos seus nós filhos até que a informação do pacote perdido seja descoberta e esta possa ser recuperada Compressão dos dados Nesta seção descreveremos o segundo aspecto levado em consideração na modelagem da aplicação de SHM em plataformas offshore. Enquanto que alguns trabalhos[i. et al. 2000] buscam na agregação de dados com escolhas de melhores caminhos de roteamento para aumentar o tempo de vida da rede procuraremos em nossa modelagem adotar um mecanismo de compressão dos dados para otimização da rede. Os dois principais motivos desta compressão estão vinculadas a limitação do rádio e alta latência das transmissões. Como foi mostrado na seção 4.4.1, uma pequena quantidade de nós sensores podem facilmente consumir uma considerável fração da faixa de transmissão disponível do rádio. Para que essas quantidades de nós sensores transmitam essas informações dentro da faixa limitada pelo rádio é necessário que a latência de transmissão não seja um requisito crítico da aplicação, fato que não ocorre na nossa aplicação. A técnica de compressão foi escolhida a partir dos testes realizados pelo sistema Wisden. Uma amostra de uma determinada medição de vibração em um teste realizado por Caffrey et al. (2004) (figura 4.22) apresentou uma maior concentração de energia em baixas freqüências. Esta característica motiva a adoção do método de compressão por Wavelet[da Fonseca 2004], que é especializado para compressão de sinais cuja energia é concentrada em baixas freqüências. Basicamente o procedimento por Wavelet utiliza uma determinada função como base, geralmente a literatura[da Fonseca 2004] chama esta função de Wavelet mãe ou Wavelet base. Este procedimento apresenta sua análise tanto no domínio da freqüência como no tempo. O domínio do tempo é caracterizado por uma contração de base Wavelet em alta freqüência enquanto que o domínio da freqüência é analisado a partir da expansão da base Wavelet em baixa freqüência. Como os dados originais coletados pelos nós sensores podem ser representados em termos de uma expansão de Wavelet (usando coeficientes em uma combinação linear das funções Wavelet) é possível representar a informação de maneira mais esparsa desde que sejam escolhidos coeficientes próximos de zero. Ou-

74 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 65 Figura 4.22: Amostra de vibração coletado pelo sistema Wisden tra otimização pode ser realizada a partir de truncamentos baseados em um determinado limiar. Os esquemas de compressão de dados apresentam dois principais tipos: com perdas e sem perdas. No método com perdas as informações ao serem reconstruídas após uma descompressão apresentam perdas de dados quando comparadas com a informação original enquanto que no método sem perdas ocorre o contrário. Para a aplicação de SHM em plataformas offshore foi adotado o mecanismo de compressão com perdas de dados devido este método estar mais relacionado com as restrições de hardware presentes no nós sensores. A figura 4.23 ilustra o modelo genérico para o processo de compressão de dados. Pode-se perceber a existência de 3 fases distintas: transformada, quantização e codificação. Na fase de transformada o esquema do procedimento por Wavelet descrito anteriormente é implementado, onde a eliminação das redundâncias (correlações) existente no sinal é o seu principal objetivo. Durante a fase de quantização os coeficientes de Wavelet gerados na fase anterior são substituídos por uma variável quantizada com valores finitos numa determinada faixa de números reais. Os coeficientes quantizados são codificados em números finitos de bits de maneira que a taxa de distorção seja otimizada. Por fim, durante a fase de codificação os dados são ordenados de maneira adequada para que sejam armazenados e transmitidos.

75 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 66 Figura 4.23: Princípio básico do processo de compressão dos dados Sincronização dos dados Geralmente os sistemas de monitoramento remoto implementados com RSSF fornecem nos servidores das aplicações um sistema supervisório capaz de detectar as informações coletadas pelos nós sensores. As informações contêm o instante aproximado em que foram coletadas. Para que esta característica seja implementada na rede é de fundamental importância que mecanismos de sincronização sejam utilizados. Um mecanismo clássico para sincronização é o GPS, entretanto o adicionamento do mesmo nos nós sensores é inviável. Uma outra solução esta relacionada com a sincronização global de todos os clocks dos nós sensores. Esta solução adiciona um grande overhead na transmissão dos pacotes além de poder provocar sensíveis desvios na qualidade do sincronismo. A solução proposta para aplicação de SHM em plataformas offshore será baseada na adição de pequenos custos ao pacote de dados durante a passagem pelos diversos nós sensores. Na medida que nós sensores vão coletando dados a hora de seus clocks vão sendo armazenadas na memória juntamente com os dados coletados. Este procedimento é necessário para que os nós sensores possam determinar o instante de tempo em que determinada informação foi gerada. No momento da transmissão de um pacote a hora armazenada em memória para este pacote é subtraída do tempo atual no clock e o resultado é adicionado ao pacote de dados. Para o contexto da sincronização desta aplicação o tempo de transmissão de um pacote enviado de um nó sensor para um outro pode ser desprezado. Durante o roteamento do pacote são adicionadas medições para o tempo de residência deste pacote em cada nó sensor. Para que o nó sink possa estimar o tempo em que determinada informação foi gerada é realizada a subtração da hora atual do nó sink pelo valor acumulado no pacote de dados correspondente ao tempo de residência total.

76 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 67 O mecanismo de sincronização pode ser ilustrado pela equação 4.1 que está baseada na figura No nosso exemplo o tempo t p pode ser desprezado enquanto que o tempo de residência t n é constantemente calculado pela equação. Para o exemplo da figura 4.24 o nó sink calculará o tempo aproximado em que o nó sensor A gerou uma determinada informação como sendo igual a: S tempoatual - T A i 3 T A tn ia i 0 i 3 tp ia (4.1) i 0 Figura 4.24: Sincronização dos dados A tabela 4.6 faz um resumo das principais características desta aplicação. Fatores Confiabilidade Sincronismo da informação Granularidade Topologia Nó sensor Fluxo de informação Segurança Compressão de dados Consumo de energia Tempo de vida Propriedades Alta Preciso Alta Baseada em árvore Mica2 Baixo Ausente Presente Alto Dias Tabela 4.6: Características básicas relacionadas com a aplicação de Monitoramento de plataformas offshore 4.5 Monitoramento de dados sísmicos Nesta seção descreveremos basicamente uma aplicação de monitoramento remoto dos dados coletados por processos sísmicos em reservatórios de hidrocarbonetos. A prospec-

77 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 68 ção sísmica em reservatórios tem apresentado nos últimos anos como uma das melhores ferramentas indiretas na exploração de hidrocarbonetos. Basicamente o processo busca adquirir através de dados sísmicos propriedades das rochas presentes no interior da terra para que uma análise da presença de hidrocarbonetos em uma determinada região possa ser realizada. O funcionamento do processo é baseado na geração de ondas sísmicas em ambientes onshore e offshore apartir de explosões de dinamite e canhões de ar comprimido respectivamente. As ondas geradas são propagadas no interior da terra e em seguida refletidas até serem capturadas por geofones ou hidrofones. A aplicação sugerida nesta seção busca monitorar as informações coletadas por estes geofones ou hidrofones através das RSSF. A seção é dividida basicamente em duas partes, a primeira contendo uma introdução um pouco mais técnica do problema enquanto que a segunda apresenta uma modelagem das RSSF adotada na aplicação Visão Geral A Geofísica é uma área de pesquisa que busca estudar a Terra baseada em variáveis físicas coletadas em sua superfície. Os dados coletados inferem sobre determinadas propriedades da estrutura e composição geológica nas mais diversas áreas. O grande avanço apresentado por esta área de pesquisa tem proporcionado grande aplicabilidade para exploração de hidrocarbonetos. Como exemplo de aplicação podemos citar o método de exploração sísmica por reflexão. O método de exploração sísmica por reflexão é baseado na geração de ondas sísmicas artificiais através de explosivos, canhões de ar comprimido, caminhões vibradores ou outras fontes sísmicas. As ondas geradas são propagadas para o interior da terra podendo ser refletidas ou refratadas durante suas trajetórias. A onda é refletida no momento em que se encontra com camadas que apresentam características elásticas diferentes e logo em seguida é capturada por geofones ou hidrofones. Segundo de Matos (2004) os tempos de chegada de cada reflexão são relacionados com as velocidades de propagação da onda sísmica em cada camada enquanto que a amplitude da onda está vinculada ao efeito da impedância acústica. Estas duas características são de fundamental importância para análise dos comportamentos das estruturas no interior da terra possam ser estudadas. O método de exploração por sísmica apresenta uma complexidade relativamente alta, entretanto para um melhor entendimento do seu funcionamento o mesmo pode ser dividida em 3 partes: Aquisição sísmica Processamento sísmico Interpretação sísmica A aquisição sísmica é uma das tarefas mais importantes para a modelagem do método de exploração por sísmica. Esta fase é responsável por adquirir informação das estruturas geológicas apartir das ondas refletidas que foram geradas por fontes sísmicas.

78 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 69 Um levantamento sísmico padrão é formado por vários tiros sísmicos originados de diversas localizações. A figura 4.25 ilustra o processo de aquisição sísmica terrestre e marinha onde pode-se perceber a função vital de absorção de dados para os geofones e hidrofones. Um outro fator de grande interesse para aquisição sísmica esta relacionado com sua classificação. Quando a aquisição sísmica é realizada em uma única linha, conforme a figura 4.25 diz-se que a aquisição é do tipo 2D. Quando a modelagem é realizada com linhas em paralelo é caracterizada uma aquisição 3D. Atualmente sísmica 4D[Risso & Schiozer 2006] está sendo utilizada para comparação das reservas de hidrocarbonetos nas regiões em diferentes épocas. Este novo tipo nada mais é do que uma extensão da sísmica 3D onde a variável tempo é inserida para adicionar a outra dimensão. Figura 4.25: Aquisição sísmica terrestre e marinha A fase de processamento sísmico tem a responsabilidade de otimizar o sinal coletado principalmente com ajustes relacionados com as posições dos geofones ou hidrofones para que os dados possam representar estruturas geológicas mais precisas. Melhorias com relação ao nível do ruído relacionado com o sinal também são analisados por esta fase. A fase de interpretação sísmica é a última fase no desenvolvimento da exploração sísmica por reflexão. Durante esta fase análises dos dados obtidos nas fases anteriores são realizados por peritos para que inferências sobre a ocorrência de hidrocarbonetos nos reservatórios possam ser realizadas. Estas inferências são os principais objetivos da análise da exploração sísmica por reflexão. Poços de petróleo são perfurados baseados em tais informações. Para o contexto das RSSF procuraremos enfatizar a fase de aquisição sísmica para a exploração sísmica por reflexão, conforme ilustrado na figura A grande diversidade de geofones ou hidrofones e o processo de comunicação destes com a estação base são as motivações da inserção das RSSF em tal ambiente. Atualmente a comunicação dos geofones com a estação base é realizada através de cabos fazendo com que a manutenção

79 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 70 do sistema para uma densidade grande de geofones seja realizada com grande esforço físico. Nesta aplicação a latência de transmissão dos dados não é um requisito critico entretanto a confiabilidade dos dados deve possuir uma grande prioridade de QoS. Figura 4.26: Domínio das RSSF em exploração sísmica por reflexão Modelagem da aplicação Nesta seção procuraremos descrever a arquitetura da aplicação bem como seus requisitos e protocolos utilizados. Como havíamos adiantado na seção anterior, as RSSF serão utilizadas na exploração sísmica por reflexão durante a fase de aquisição sísmica. A modelagem da aplicação será voltada para a exploração sísmica por reflexão em ambientes onshore onde a utilização de explosões por dinamites ou caminhões vibratórios é usado como fonte de ondas sísmicas. A modelagem em ambientes offshore não será utilizada por este trabalho devido as mudanças significativas que deveriam ser implementadas nas RSSF, como por exemplo a comunicação acústica sob a água. Alguns trabalhos com redes de sensores com comunicação acústica podem ser encontrados na literatura [Akyildiz et al. 2006, Heidemann et al. 2006]. As características básicas da fase de aquisição sísmica estão relacionadas principalmente com a grande densidade de geofones e pela dificuldade de manutenção e instalação do sistema. As RSSF para esta aplicação será formada por nós sensores dotados de geofones e com grande capacidade de armazenamento. Um mecanismo de confiabilidade deve ser implementado na rede para que informações sejam disseminadas com um mínimo de erro possível, sendo este um dos requisitos críticos da aplicação. Na estação base usuários remotamente acionam fontes de ondas sísmicas no campo enquanto que a grande densidade de nós sensores captam informações de ondas refletidas do interior da terra. Os dados coletados são transmitidos para os nós líderes dos clusters que se responsabilizam por transmitir a informação ao nó sink. Este nó está conectado ao gateway que realiza a comunicação da RSSF com a estação base por um link wi-fi. A figura 4.27 ilustra a modelagem descrita anteriormente Arquitetura baseada em agentes A modelagem descrita na seção foi fundamental para dar uma visão geral das RSSF na aplicação de exploração sísmica por reflexão. A arquitetura adotada para esta aplicação foi baseada em tal modelagem onde o conceito de agentes [Hussain et al. 2006]

80 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 71 Figura 4.27: Arquitetura das RSSF em aplicações de exploração sísmica por reflexão será introduzido nas RSSF. Segundo Martins (2002) um agente é uma entidade que atua como representante de outra entidade com o propósito de desempenhar ações benéficas para a parte representada, desta forma agentes podem atuar de forma autônoma interagindo com determinados ambientes. Agentes nas RSSF podem atuar na comunicação com todos nós sensores, criação de clusters, designação de nós líderes, monitoramento do status descritos nos nós sensores e análises de decisões baseado num funcionamento de elevada autonomia. Desta forma, os agentes podem atuar como o intermediador entre as aplicações usuárias e as RSSF abstraindo informações complexas de protocolos para os usuários. Trabalho bastante parecido com a descrição dos agentes foi implementado por Delicato et al. (2004) onde a abordagem de middlawares foi descrita como forma de abstrair para o usuário a melhor escolha de protocolos para uma determinada aplicação em RSSF. A arquitetura baseada em agentes para aplicação das RSSF em exploração sísmica por reflexão é descrita na figura Como pode-ser perceber esta arquitetura é baseada em 4 partes principais: usuário, aplicação usuária, softwares agentes e as redes de sensores. O usuário é a entidade que administra a rede, realiza requisições através da aplicação para RSSF visando determinar configurações nos nós sensores. Agentes como descritos anteriormente são entidades que apresentam relativa inteligência computacional sendo utilizadas para processar as requisições das aplicações. Por fim os nós sensores são as entidades responsáveis por monitorar os fenômenos físicos no ambiente desejado. O agente roteador é uma entidade implementada na estação base que possui grande utilidade para otimização dos mecanismos relacionados com o roteamento de dados. Apresenta grande capacidade de processamento, como veremos a seguir uma implementação de um algoritmo genético é realizada nesta entidade para que criações de clusters e o gerenciamento otimizados dos nós sensores possa ser realizados. O agente query é a entidade responsável por entregar requisições da aplicação para as

81 CAPÍTULO 4. APLICAÇÕES EM AMBIENTES INDUSTRIAIS DE P&G 72 Figura 4.28: Arquitetura baseada em agentes para RSSF RSSF. As respostas destas requisições são entregues a esta entidade. Nos nós sensores são implementados agentes query proxy com a finalidade de realizar requisições de mais baixo nível aos sensores, estes query devem ser implementados com requisitos de baixo consumo de energia e com uma alta confiabilidade dos dados. Um outro mecanismo implementado nos nós sensores é o agente roteador proxy cuja função está vinculado principalmente no roteamento de dados por parte dos nós sensores com o agente roteador. A aplicação funciona basicamente de duas maneiras: usuário ou nó sensor inicialmente envia requisições. Quando o usuário envia uma requisição através da interação com a aplicação, a entidade representada pela aplicação envia por sua vez uma requisição para o agente query. O agente query propaga esta requisição para o agente roteador que através de um mecanismo de roteamento transmite a informação para a RSSF. A requisição é enviada para um determinado cluster, que neste caso é representado por seu nó líder. O nó líder é responsável por transmitir a requisição para o nó sensor responsável por responder esta requisição. O nó sensor faz o tratamento desta requisição através do agente roteador proxy e do agente query proxy, ambos representados na figura O caminho inverso é realizado para que a resposta chegue até a aplicação cliente. A última unidade que descreveremos para a arquitetura de agentes será o agente roteador. Conforme a figura 4.28 é percebido que esta unidade é formada por 4 entidades: aprendizagem, resolução de problemas, gerenciador de tarefas e comunicação. A entidade de aprendizagem utiliza um algoritmo genético para realizar uma configuração otimizada do número de nós e de transmissões. O algoritmo funciona da seguinte forma, inicialmente é criada uma população inicial com um grande número de clusters, com a quantidade de nós sensores atuais e suas capacidades de energia. Essas informações são obtidas do banco de dados implementado no agente roteador. Várias gerações são criadas para que cromossomos ótimos apresentem um valor de convergência para a

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