REDE DE SENSORES COMO SUPORTE À PESQUISA ANÁLISE AMBIENTAL INTEGRADA DA SUB-BACIA SANGUE-ARINOS(MT)

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1 REDE DE SENSORES COMO SUPORTE À PESQUISA ANÁLISE AMBIENTAL INTEGRADA DA SUB-BACIA SANGUE-ARINOS(MT) LUCAS ARRUDA RAMALHO RUY DE OLIVEIRA (orientador) Núcleo de Pesquisa em Geoprocessamento Ambiental - NPGA Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Mato Grosso IFMT toddy.lucas@gmail.com, ruy@cba.ifmt.edu.br RESUMO - O presente artigo propõe a implementação de uma rede de sensores ideal que auxilie, com coleta de dados ambientais, a pesquisa de análise ambiental integrada da sub-bacia Sangue-Arinos-MT. Nesse sentido, serão testadas várias tecnologias e topologias de sensores sem fio, a qual possibilitará selecionar a melhor combinação levando-se em consideração gasto energético, confiabilidade, coleta online de dados, entre outros. Criando assim um modelo de rede que reduza custos de deslocamento e estadia de pesquisadores ao local de monitoramento, otimize a pesquisa, visto que os dados serão coletados em tempo-real, além de servir de como padrão para aplicações semelhantes. ABSTRACT - The present article considers to the implementation of a sensor network ideal that assists, with collection of ambient data, the research of integrated ambient analysis of sub-basin Sangue-Arinos- MT. In this direction, some technologies and topologies of sensors wireless will be tested, which will make possible to select the best combination taking itself in consideration energy expense, collects online of data, among others. Thus creating a network model that reduces costs of displacement and stay of researchers to the monitored place, it optimizes the research, since the data will be collected in real-time, beyond serving of as standard for similar applications. 1 INTRODUÇÃO Nas sub-bacias dos rios Juruena-Arinos existe a presença das atividades agrícolas e pecuárias nas regiões de nascentes que tem gerado efeitos nos baixos cursos dos rios. O desmatamento descontrolado da cobertura vegetal, notadamente do Cerrado e das matas ciliares nas subbacias Juruena-Arinos (MT), associado ao uso intensivo de fertilizantes e de agrotóxicos, leva o transporte de sólidos e de cargas poluidoras difusas aos recursos hídricos comprometendo a qualidade das águas superficiais/ subterrâneas e solos, de vida da população local e do sistema produtivo. O estudo pautado na coleta de dados, modelagem e análise terá como objetivo apresentar medidas de caráter sustentável para conservação sócio-ambiental da área da bacia. Este trabalho propõe a implementação de uma rede de sensores e também de uma infra-estrutura necessária como suporte ao desenvolvimento da pesquisa na região. Nesse sentido, será implanta uma rede de sensores sem fio capaz de enviar dados do ambiente ao núcleo de pesquisa no IFMT a qualquer momento sem a necessidade de presença de pesquisadores na área, e como isso reduzindo custos do projeto. Serão testadas várias combinações de tecnologias relacionadas, para chegar a uma configuração modelo de rede de sensores sem fio para esse tipo de sensoriamento remoto. 2 JUSTIFICATIVA As redes de sensores estão se tornando cada vez mais populares em aplicações de monitoramento ambiental. Nesse tipo de aplicação, essas redes são formadas por sensores pequenos e normalmente fixos para capturar e transmitir dados relativos às características físicas do ambiente. As principais vantagens das redes de sensores são: (i) baixo custo, (ii) fácil implementação, (iii) possibilidade de configuração remota, minimizando a necessidade de intervenção humana e (iv) auto-suficiência energética por meio de energia solar. Uma vez coletadas as informações, estas serão transmitidas via internet para um dos laboratórios de pesquisa científica no Campus Central do Instituto

2 Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Mato Grosso IFMT, em Cuiabá, onde haverá um banco de dados em que tais dados serão armazenados. Posteriormente essas informações serão disponibilizadas online não apenas para os pesquisadores envolvidos no projeto, mas também para outros pesquisadores da área e agricultores da região. O projeto terá com o grande objetivo implementar uma rede de sensores eficiente para suporte remoto e monitoramento reduzindo custos, como o envio de pesquisadores até a área, e que contribua ao modelo integrado água-solo-vegetação-atmosfera, para a elaboração de propostas de zoneamento agro territorial tendo por base a sustentabilidade sócio-econômica e ambiental na região. 3 OBJETIVOS A rede proposta servirá de suporte ao banco de dados dos pesquisadores ambientais do projeto. Para isso são definidos os seguintes tópicos: 1. Monitoramento online de dados ambientais via rede de sensores; 2. Minimizar custos de deslocamento de pesquisadores; Figura 1 - Possíveis topologias da rede de sensores 3. Oferecer uma coleta confiável de parâmetros ambientais; 4. Definir uma rede de sensores ideal para essa aplicação; 5. Implementação de rede de transmissão de dados desde os sensores no campo até o Campus do IFMT em Campo Novo do Parecis. A interligação até Cuiabá será feita via Internet. 4 CENÁRIO PROPOSTO Inicialmente, será montada uma arquitetura de pequeno porte constituída por aproximadamente dez nós para as avaliações preliminares. Essa rede será implementada na região agrícola próxima da cidade de Campo Novo do Parecis, especificamente em propriedades rurais cujos os proprietários têm interesse no projeto. As informações coletadas no campo serão transmitidas ao Campus do IFMT na região, e de lá enviadas via internet, por uma conexão de alta velocidade, para o Campus Cuiabá. A fim de determinar a topologia mais apropriada ao projeto, as seguintes alternativas, mostradas na figura 1, serão avaliadas: Mesh (Malha): são redes dinâmicas constituídas por nós cuja comunicação, no nível físico, é feita através de uma das variantes do padrão IEEE , cujo roteamento é dinâmico; Star (Estrela): é composta por um nó coordenador, que é responsável pelo gerenciamento da rede, e pelos dispositivos finais (end-devices). Os dispositivos podem mandar mensagens para o coordenador e, se quiserem enviar mensagens uns para os outros, dependem também do coordenador para efetuarem a transmissão; Cluster Tree(Árvore): é um caso especial de uma rede ponto a ponto, onde a maioria dos dispositivos são mais completos (FFD - Full-Function Device)[4] e um dispositivo de menor capacidade (RFD Reduced- Function Device) pode conectar-se no final de um ramo. Qualquer FFD pode agir como um coordenador e prover serviços de sincronização para outros dispositivos e

3 coordenadores, porém somente um desses coordenadores será o coordenador da rede sem fio local. 4.2 Protocolos de Comunicação A comunicação eficiente das redes de sensores depende de protocolos de comunicação apropriados para cada caso. Nessa aplicação serão utilizados dois protocolos principais: Homerf: nesse protocolo as interfaces de rede se comunicam diretamente, sem o uso de um ponto de acesso. Isso diminui o custo da rede, mas também compromete o alcance do sinal, que é de (em condições ideais) apenas 50 metros. É possível criar redes HomeRF com até 127 nós, mas como o mesmo canal é compartilhado por todos, quanto mais nós houver, mais baixa será a velocidade. O ideal seria criar redes com no máximo 10 nós, segundo fabricantes. IEEE (Zigbee): esse protocolo foi especialmente desenvolvido para ser empregado em projetos de sensoriamento e monitoramento. Os componentes que operam em conformidade com o ZigBee consomem pouca energia, são baratos, possuem drivers extremamente enxutos e tem o alcance de 100m. Também operam com baixas taxas de transferências de dados, atingindo, no máximo, 250 kbps, suficiente para atuação de sensores de temperatura, por exemplo. Que será utilizada em na rede devido ao suporte à vários nós e ao baixo custo de energia. O protocolo ZigBee define três tipos de dispositivos de acordo com as funcionalidades oferecidas e consumo de energia, conforme o fornecedor ZIKA CONTROLS[4]: o Coordenador FFD (Full Function Device): Responsável pela formação da rede ZigBee. O Coordenador estabelece um canal de operação com seus repectivos parâmetros, podendo formar uma rede que integre roteadores e dispositivos finais. Seqüencialmente o coordenador funciona como um roteador, podendo atuar como uma fonte ou destino de pacotes de dados. o Roteador (Router): Dispositivo que cria e/ou mantém as informações da rede e a utiliza para determinar a melhor rota para um pacote de dados. Os roteadores podem participar no redirecionamento de pacotes de dados para os seus dispositivos vizinhos. o Dispositivo Final RFD (End Device Reduced Function Device): Dispositivo que sempre interage com o seu nó pai (ou um roteador ou um coordenador) na rede para receber ou transmitir dados podendo funcionar como uma fonte ou destino de dados, porém, não possui capacidade de redirecionamento de informações. O estágio experimental da rede será feito com o protocolo homerf, que é ideal para estruturas wireless de pequeno porte. Após a implementação e familiarização com o funcionamento da topologia, será feita a migração para o protocolo Zigbee, o qual suporta maior número de sensores. Após a verificada a combinação mais adequada de topologia de rede e tipo de sensor, será feita a documentação dessa rede como rede ideal para o monitoramento ambiental em áreas rurais agrícolas. 4.3 Energia Um dos grandes desafios das redes de sensores é o consumo de energia elétrica dos dispositivos envolvidos. Neste projeto, os sensores serão alimentados por baterias. Com o protocolo Zigbee, as baterias duram cerca de mil dias, como afirma MALAFAYA [5]. Segundo o fornecedor ZIGBEE ZIKA CONTROLS [4], isso ocorre porque com o ZigBee os dispositivos que não estão transmitindo ou recebendo dados, entram num estado de dormência ou em "Sleep", em que o consumo de energia é mínimo. No entanto, alguns nós da rede consumirão maior quantidade de energia devido à atividade contínua de transferência de dados, como é o caso do nó coordenador. Dessa forma, serão utilizados painéis solares para alimentar esses dispositivos. 4.4 Implementação Serão testadas todas as combinações possíveis entre as topologias e as tecnologias. Assim será feito um modelo ideal de rede se sensores para monitoramento ambiental de áreas rurais. Esse modelo deverá ter baixo consumo de energia, ter confiabilidade, conectividade, acesso online aos dados, configuração remota e baixo índice de manutenção. Uma vez definida a melhor rede para esta aplicação, a mesma será configurada de modo que os dados de monitoramento serão passados até o nó coordenador, também denominado como SINK, conforme ilustrado na figura 2. O nó coordenador enviará os dados para a torre de transmissão que encaminhará ao Campus do IFMT na região. Os dados seguirão por um link confiável de internet até o Campus Cuiabá, onde serão armazenados.

4 Figura 2 Arquitetura de rede proposta 5 CONCLUSÕES O presente artigo propõe a implantação de uma rede de sensores eficiente na coletar dados ambientais de forma confiável e online, visto que as informações serão passadas em tempo real aos pesquisadores do projeto. Além de reduzir custos de pesquisa, pois não haverá a necessidade de gastos com deslocamento e estadia de pesquisadores na área para fazer a coleta de dados que desejarem. A rede de sensores deverá, após vários testes, servir como modelo ideal para monitoramento em áreas e situações semelhantes, fornecendo dados e configuração remota, baixo custo energético, confiabilidade de informações e baixo índice de manutenção. Além de coletar parâmetros ambientais para que os pesquisadores do IFMT possam analisar os impactos ambientais sobre a sub-bacia sejam diagnosticados. Sendo assim, com o diagnóstico pronto, sugestões de cunho sustentável serão feitas para a preservação da área. REFERÊNCIAS [1]MOREIRA, Marcelo D. D. - marcelo@gta.ufrj.br Introdução à rede de sensores sem fio - [2] RUIZ, Linnyer Beatrys et AL. - Arquiteturas para Redes de Sensores Sem Fio - Departamento de Ciência da Computação da UFMG, Departamento de Informática da PUCPR, Departamento de Ciência da Computação da UFLA, Fundação Centro de Análise, Pesquisa e Inovação Tecnológica FUCAPI, Departamento de Engenharia Elétrica da UFMG [3]PEREIRA, Marluce R.; AMORIM, Cláudio L. de; CASTRO, Maria C. S.;Tutorial sobre Redes de Sensores - clicia.pdf

5 [4]Artigo Zigbee Zika Controls - VIKA CONTROLS COM. DE INSTR. E SIST. LTDA. Vika_Controls.pdf [5] MALAFAYA, Hugo; TOMÁS, Luís; SOUZA, João Paulo - Sensorização sem fios sobre ZigBee e IEEE Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - tronica/poster%20e/136.pdf