Métodos de Coleta de Dados em Redes de Sensores Sem Fio

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1 Métodos de Coleta de Dados em Redes de Sensores Sem Fio Mário Toshio Rodrigues Saito 1, Bruno Bogaz Zarpelão 1 1 Departamento de Computação Universidade Estadual de Londrina (UEL) Caixa Postal CEP Londrina PR Brasil Abstract. The Wireless Sensor Networks (WSN) allows devices to communicate with the Internet. The WSN uses technologies such as COAP and 6LoWPAN to access the Internet using IPv6. This paper will propose a method of data collection in WSN based COAP and 6LoWPAN Resumo. As Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) são ferramentas importantes para a Internet das Coisas, criando uma conexão com o mundo físico e a Internet. Tecnologias como o CoAP e 6LoWPAN permitem que RSSF se comunique com a internet utilizando o protocolo IPv6. Este trabalho irá propor um método de coleta de dados em RSSF baseados no CoAP e 6LoWPAN. 1. Introdução Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) possuem um papel importante na Internet das Coisas. As RSSF têm como principal objetivo interligar os objetos do cotidiano com a Internet, estabelecendo uma ponte entre o mundo físico e o mundo real [9]. Essas tecnologias auxiliam o desenvolvimento de Cidades Inteligentes. Combinando funções governamentais, sociais e Tecnologia da Informação e Comunicação (TIC), a Cidade inteligente fornece serviços que buscam a solução dos problemas de grandes centros urbanos [4], visando sempre o crescimento econômico e a o bem estar dos cidadãos [8]. RSSF são compostas de grande quantidade de nós sensores que são implantados próximos ao fenômeno que se quer observar [3]. As RSSF ajudam no monitoramento das cidades tendo como alvo: o controle de tráfego, segurança, rede elétrica, esgoto, abastecimento de agua, tratamento de resíduos, esgoto entre outros [7], que são pontos fundamentais de cada cidade. Para obter os dados dos sensores são utilizadas tecnologias como o CoAP que é um protocolo de transferência para sistemas distribuídos, entre outras tecnologias que serão alvo de pesquisa deste trabalho. A Seção 2 apresenta o contexto do protocolo CoAP. A Seção 3 apresenta como serão explorado tais protocolos. A Seção 4 apresenta quais métodos e técnicas que serão analisadas.

2 2. Fundamentação Teórico-Metodológica e Estado da Arte As RSSF são compostas de pequenos nós sensores, formados por uma placa de circuito integrado, contem um ou mais sensores e possui capacidade de processamento e comunicação de dados [11]. Existem muitos desafios a serem superados nas RSSF, pois os nós são limitados na questão de energia, poder de processamento e memória [3]. Com essas limitações não é possível à reutilização de algoritmos tradicionais, tendo que ser desenvolvidos novos algoritmos. Existem muitas aplicações para o uso de uma RSSF, como por exemplo na agricultura, industrias, transporte, energia, medicina e uso militar. A figura 1 mostra uma estrutura básica de uma RSSF para monitoramento da saúde, composta por nós sensores que coletam parâmetros fisiológicos, como frequência cardíaca e os níveis de oxigênio no sangue, nós sensores que coletam dados ambientais e agem como uma infra-estrutura de comunicação, várias interfaces de usuário, como PCs e PDAs e um bancos de dados back-end utilizadas para gravar os dados usados para fazer analises sobre a saúde e as necessidades dos indivíduos. Figura 1. Exemplo de uma RSSF para monitoramento da saúde remotamente. [15] Para obter as informações de RSSF pode se utilizar o protocolo CoAP (Constrained Application Protocol). CoAP é um protocolo de transferência Web especializado para dispositivos embarcados de baixa potência, que leva em conta especialmente consumo de energia elétrica, por esse fator é muito utilizado em RSSF [2]. Este protocolo emprega a arquitetura REST (Representational State Transfer) para a transferência de dados com o protocolo de aplicação HTTP, sobre o protocolo de transporte UDP. Tem como principais características [13]: Baixo overhead de cabeçalho e baixa complexidade de análise Trocas de mensagens assíncronas

3 Proxy simples Capaciade de armazenamento em cache A figura 2 mostra basicamente como funciona uma RSSF com o CoAP. É possível estabelecer conexões diretamente com servidores CoAP ou utilizando um proxy que permite acessar servidores mais antigos [5]. Figura 2. Exemplo de arquitetura Web (REST) com HTTP e CoAP. [5]. A combinação de CoAP e 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks), permite comunicações bidirecionais baseadas na web entre dispositivos sensores e servidores de Internet [6]. O 6LoWPAN faz a compressão de cabeçalho (UDP e TCP) e especifica perfis de comunicação que permitem a implementação de endereçamento IPv6 [12]. Basicamente 6LoWPAN faz uma adaptação entre as camadas de rede e enlace. O 6LoWPAN atua sobre dispositivos com processamento limitado que utilizam o padrão de rede IEEE [14]. O IEEE é um padrão para a low-rate wireless personal area networks (LR-WPANs), que são redes sem fio com baixas taxas de transmissão [1], e visam o baixo consumo de energia [12]. O uso destas tecnologias, CoAP e 6LoWPAN, possibilita que sensores possam comunicar com dispositivos na internet utilizando IPv6. A figura 3 ilustra a comparação as pilhas de protocolos HTTP e CoAP e como é a combinação do CoAP e o protocolo 6LoWPAN.

4 Figura 3. Pilha de protocolo HTTP e CoAP. O modelo proposto para a coleta de dados em redes de sensores será baseado em RSSF com o sistema operacional TinyOS. Desenvolvido especialmente para redes de sensores de baixa potência, TinyOS não é um sistema operacional tradicional, é uma estrutura de programação e um conjunto de componentes que permite a construção de aplicações específicas para sistemas embarcados [10]. Para o desenvolvimento do modelo será utilizado a linguagem de programção Java. Para simular os sensores o será usado programa TOSSIM (TinyOS Simulator), um simulador de dispositivos equipados com TinyOS.. O TOSSIM é uma ferramenta baseada em eventos discretos e consegue emular hardwares como por exemplo conversores A/D e sensores [10].

5 3. Objetivos O objetivo deste trabalho é propor um modelo de coleta de dados em uma RSSF baseado em CoAP e avaliar sua performace.

6 4. Procedimentos metodológicos/métodos e técnicas Será feita uma pesquisa bibliográfica em anais de conferencias, revistas, livros e periódicos acadêmicos sobre os métodos apresentados. A pesquisa será dividida em: Estudos sobre RSSF. Estudos sobre TinyOS. Estudos sobre simulador de TinyOS. Estudos sobre CoAP. Implementação do modelo. Testes. Estudos dos resultados obtidos. Testes e ajustes finais.

7 5. Cronograma de Execução Atividades: 1. Estudos sobre RSSF 2. Estudos sobre TinyOS 3. Estudos sobre CoAP 4. Testes 5. Conclusão e revisão Tabela 1. Cronograma de Execução fev mar abr mai jun jul ago set out nov Atividade 1 x x x Atividade 2 x x x x x x Atividade 3 x x x x x x Atividade 4 x x x Atividade 5 x x

8 6. Contribuições e/ou Resultados esperados Deste trabalho espera-se obter um modelo de coleta de dados em uma RSSF, contribuindo para o desenvolvimento das RSSF tornando-as mais acessíveis e colaborando com a evolução para a Cidade Inteligente e outros interesses ligados ao assunto. Também contribuir com os resultados das analises do método CoAP mostrando as principais características e dificuldades.

9 7. Espaço para assinaturas Londrina, 5 de Julho de Aluno Orientador

10 Referências [1] Ieee standard for information technology - telecommunications and information exchange between systems - local and metropolitan area networks specific requirements part 15.4: Wireless medium access control (mac) and physical layer (phy) specifications for low-rate wireless personal area networks (lr-wpans). IEEE Std , pages , [2] Ribeiro A. A. de L. Arquitetura para publicação e universalização do acesso a transdutores inteligentes. 194f. Tese (Doutorado em Automação). Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, São Paulo, [3] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayirci. Wireless sensor networks: a survey. Comput. Netw., 38(4): , March [4] E. Asimakopoulou and N. Bessis. Buildings and crowds: Forming smart cities for more effective disaster management. In Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing (IMIS), 2011 Fifth International Conference on, pages , [5] C. Bormann, A.P. Castellani, and Z. Shelby. Coap: An application protocol for billions of tiny internet nodes. Internet Computing, IEEE, 16(2):62 67, [6] Angelo P. Castellani, Michele Rossi, and Michele Zorzi. Back pressure congestion control for coap/6lowpan networks. Ad Hoc Networks, (0):, [7] D.T. Ferrandis, S.S. Climent, and V.M.S. Payaá. Enabling quick deployment wireless sensor networks for smart cities. In Factory Communication Systems (WFCS), th IEEE International Workshop on, pages 83 86, [8] IBM. Cidades inteligentes. Disponível em : smarterplanet/br/pt/smarter_cities/overview/, Acesso em: 11 mai [9] ITU. ITU Internet Reports 2005 the Internet of Things. International Telecommunication Union, [10] Philip Levis, Sam Madden, Joseph Polastre, Robert Szewczyk, Kamin Whitehouse, Alec Woo, David Gay, Jason Hill, Matt Welsh, Eric Brewer, et al. Tinyos: An operating system for sensor networks. In Ambient intelligence, pages Springer, [11] Antonio AF Loureiro, José Marcos S Nogueira, Linnyer Beatrys Ruiz, Raquel Aparecida de Freitas Mini, Eduardo Freire Nakamura, and Carlos Maurıcio Seródio Figueiredo. Redes de sensores sem fio. In Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores (SBRC), pages , [12] G Montenegro, N Kushalnagar, J Hui, and D Culler. Rfc Transmission of IPv6 packets over IEEE, 802(4). [13] Z. Shelby. Constrained application protocol (coap) - draft-ietf-core-coap-13. orlando: The internet engineering task force ietf. Disponível em org/html/draft-ietf-core-coap-16, Acesso em: 10 mai [14] Zach Shelby and Carsten Bormann. 6LoWPAN: The wireless embedded Internet, volume 43. Wiley, 2011.

11 [15] J.A. Stankovic. Wireless sensor networks. Computer, 41(10):92 95, 2008.

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