Integrando as Redes de Sensores sem Fio à Internet

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1 Integrando as Redes de Sensores sem Fio à Internet Antonio Alfredo Ferreira Loureiro Departamento de Ciência da Computação Universidade Federal de Minas Gerais

2 Tecnologias de Sensoriamento Ar/Espaço Surperfície Submerso 2

3 Dispositivos de Sensoriamento Poucos, grandes, caros Muitos, pequenos, baratos Poderosos em sensoriamento e interfaces de comunicação Pouca capacidade de sensoriamento e interfaces de comunicação limitadas Satélites Data loggers, Controladores de tráfego, Sensores médicos RSSFs Etiquetas RFID Muita pesquisa 3

4 Futuro da Computação passa pelas RSSFs 4

5 5

6 Possíveis aplicações para RSSFs Monitoramento ambiental, industrial Agropecuária Rastreamento de objetos Segurança Biotecnologia Aplicações cognitivas 6

7 Possíveis aplicações para RSSFs Monitoramento ambiental Água: qualidade, volume, vazão, etc Detecção e prevenção de incêndio 7

8 Possíveis aplicações para RSSFs Monitoramento ambiental Monitoramento de habitat na Great Duck Island, Maine, USA (http://www.greatduckisland.net): 32 nós depositados na ilha Cada nó: microcontrolador, rádio de baixa potência, memória e baterias Sensores: temperatura, umidade, pressão barométrica, e infravermelho Objetivo: monitorar os microclimas de ninhos e vizinhanças usados por Storm Petrels 8

9 Possíveis aplicações para RSSFs Monitoramento ambiental: O caso Brasileiro Tem 10 a 20% das espécies conhecidas Está entre os 15 países com maior grau de diversidade Mamíferos, peixes de água doce e plantas (1º lugar) Anfíbios (2º lugar) Pássaros (3º lugar) Répteis (5º lugar) É um dos 5 países com o maior número de espécies endêmicas United Nations Environment Programme World Conservation Monitoring Centre forest/data/country/bra.htm 9

10 Possíveis aplicações para RSSFs Monitoramento ambiental: Anfíbios Amphibian distribution in the world [Fonte: Global Amphibian Assessment (2008)] 10

11 Possíveis aplicações para RSSFs Monitoramento ambiental: Anfíbios Qual anfíbio a ser monitorado? Sapo Candidato natural para indicar estresse ambiental Abundante Facilmente amostrado Estável em quantidade Sensível a distúrbios ambientais Indicador que pode existir um problema no meioambiente Sensor biológico altamente sensível 11

12 Possíveis aplicações para RSSFs Monitoramento ambiental: Anfíbios Baseado nos coaxos dos sapos, podemos identificar: espécies presentes sexo finalidade de cada vocalização Sapo dedo azul encontrado na Amazônia possui três vocalizações: 1. estabelecer limites territoriais 2. afastar intrusos machos 3. acasalar 12

13 RSSFs e Motivações Aplicabilidade desse tipo de rede Expande a nossa capacidade e habilidade de interagir com mundo físico: entidades pessoas processos ou seja, a obtenção e tratamento da informação 13

14 RSSFs e Motivações relacionadas ao Brasil Meio ambiente Economia Extremamente rico Clara vocação para a agropecuária Regras de mercado Estão cada vez mais incorporando aspectos tecnológicos 14

15 Objetivo das RSSFs Sensoriar ambientes e integrá-los à Internet Desafios: Projeto das RSSFs Integração entre dois mundos com características bem diferentes 15

16 Austrália usa sensor nuclear para monitorar corais 17/01/06, Jake Krausmann, da BBC Brasil Cientistas estão implementando uma rede de sensores na Grande Barreira de Corais da Austrália para monitorar e tentar impedir a degradação do sistema. Os sensores "inteligentes" foram originalmente desenvolvidos para o uso em usinas nucleares. O atual projeto, tocado pelo Instituto Australiano de Ciência Marinha (AIMS, na sigla em inglês) junto com a Universidade James CooK, tem como objetivo observar eventuais problemas antes que eles destruam os corais. Os sensores podem se comunicar entre si e monitorar alterações como a perda de cor dos corais. Salinidade, temperatura e nível de nutrientes na água também serão medidos. Ação. "Um dos problemas é nossa tendência (dos cientistas) de monitorar as coisas após elas terem acontecido, vendo portanto mais os efeitos do que as causas", diz Scott Bainbridge, coordenador de tecnologia e dados do Aims. "Um bom exemplo disso é o desbotamento dos corais", disse ele. "Quando a temperatura aumenta, vemos os corais se tornando brancos e começamos então a fazer medições quando não há mais nada a se fazer. O que precisamos é monitoramento constante desses sistemas." A intenção final é que o monitoramento ajude na preservação dos corais. 16

17 Equipes encontram cinco corpos em povoado soterrado nas Filipinas 20/02/ h14, da Folha Online Equipes de resgate retiraram cinco corpos do local onde ficava uma escola primária no povoado rural de Guinsaugon, no centro das Filipinas, nesta segunda-feira. O vilarejo, que fica 675 km a sudeste de Manila, foi soterrado na sexta-feira (17) após um deslizamento de terra. "Não encontramos sobreviventes", afirmou Burrell Parmer, porta-voz da Corporação dos Marines, à rede de TV ABS-CBN. "Nossas tropas Equipes realizam buscas por encontraram cinco corpos. Eles cavam com suas próprias mãos." sobreviventes nas Filipinas; Efe Equipes realizam buscas por sobreviventes nas Filipinas; cinco cinco corpos foram encontrados corpos foram encontrados Na manhã desta segunda-feira, as equipes detectaram sons com a ajuda de sensores sísmicos que detectam vibrações debaixo da terra, o que fez crescer a esperança de que se encontrasse pessoas com vida. Um total de 84 corpos já foram retirados do local onde ficava o povoado. Autoridades filipinas temiam que cerca de pessoas tivessem morrido no deslizamento --praticamente toda a população de Guinsaugon. No entanto, nesta segunda-feira, a governadora da Província de Leyte, Rosette Lerias, afirmou que o número de mortes confirmadas chega a 76 e que o número de desaparecidos é 928. Segundo autoridades de Manila, estão desaparecidas. Não houve explicação oficial para a diferença. O número oficial de sobreviventes retirados com vida da lama também varia de 20 a

18 Oceano Índico tem sistema de alerta de tsunamis, diz Unesco 29/06/ h03, da France Presse, em Paris Um sistema de alerta de tsunamis entrou em funcionamento no Oceano Índico 18 meses depois da tragédia que deixou mais de 200 mil mortos, informou nesta quarta-feira o diretor-geral da Unesco (Organização das Nações Unidas para a Educação, Ciência e Cultura), Koichiro Matsuura. Segundo suas declarações, toda a região do Oceano Índico dispõe de um sistema capaz de receber e transmitir alertas relacionados a tsunamis durante 24 horas por dia. "A princípio, o sistema será capaz de detectar com confiabilidade e rapidez os grandes tremores de terra capazes de provocar tsunamis, encontrar os epicentros e os hipocentros dos sismos, confirmar a formação de uma tsunami após um grande sismo e emitir ou anular nos âmbitos local, regional ou geral os anúncios de alerta", disse. Atualmente, 26 dos 28 centros nacionais com capacidade para receber e difundir informação sobre tsunamis já estão ativos, a rede sismográfica melhorou e existem sensores de precisão em águas profundas. "Estamos orgulhosos do que se conseguiu, embora o trabalho não esteja terminado. No último ano, a natureza nos deu oportunidades de detectar eventuais pontos fracos", disse Matsuura perante o COI (Comissão Oceanográfica Intergovernamental da Unesco), que realizou nesta semana sua reunião anual em Paris. A região do oceano Pacífico possui, há 40 anos, um sistema de alerta de maremotos em tempo real bem estruturado do qual fazem parte 26 países --entre eles Chile, Colômbia, Costa Rica, Equador, El Salvador, Guatemala, México, Nicarágua e Peru. Após a tragédia que devastou a Ásia em 2004, a Unesco articulou rapidamente os esforços internacionais para criar um sistema de alerta semelhante no oceano Índico "e em todos os demais oceanos do mundo", nas palavras do chileno Patricio Bernal, encarregado da COI. Segundo Matsuura, as tarefas mais urgentes são reforçar a coordenação internacional, o intercâmbio de dados e a compatibilidade entre sistemas nacionais, além de investir a longo prazo no sistema para que este possa garantir a difusão da informação dos centros de alerta até as populações e comunidades em áreas de risco. As formas de se conseguir estes objetivos e o futuro desenvolvimento do sistema serão discutidas durante encontro de uma comissão intergovernamental deste sistema de alerta contra tsunamis no Oceano Índico, realizada na Indonésia entre 31 de julho e 2 de agosto. 18

19 Boeing fecha contrato milionário de segurança fronteiriça com os EUA 20/09/ h50, Jake Krausmann, da Ansa, em Washington A empresa aérea Boeing venceu a licitação do governo norte-americano e fechou um contrato milionário para modernizar cerca de km da fronteira dos Estados Unidos com México e Canadá, medida adotada contra a imigração ilegal, segundo informações publicadas nesta quarta-feira pelo jornal "The Washington Post". O contrato prevê a construção de uma rede de torres equipadas com sensores, câmeras de vídeo e detectores de calor e movimento. De acordo com o jornal, que baseia sua informação em fontes da indústria e do Congresso, os primeiros trabalhos serão realizados na fronteira com o México, principalmente na área desértica que divide o estado do Arizona com o mexicano Sonora, considerado o principal corredor de entrada de pessoas ilegais. A empresa estima que o programa denominado SBInet [que pode-se traduzir como rede da iniciativa da segurança fronteiriça] levará quatro anos para ficar pronto e terá um custo estimado em US$ 2,5 bilhões. O jornal informa ainda que o governo dos EUA anunciará formalmente a contratação da Boeing amanhã. A Boeing venceu a licitação que concorria ao lado de outros colossos da indústria, como o fabricante de mísseis Lockheed Martin e os grupos Northrop Gumman, Raytheon e Ericsson. O "Washington Post" acrescentou que a obtenção da licitação significa uma vitória importante para a Boeing que, nos últimos anos, sofreu vários reveses, como o escândalo do favorecimento de contratos no Pentágono e, mais recentemente, quando perdeu a construção do próximo ônibus espacial da Nasa (agência espacial dos EUA). 19

20 Agenda de pesquisa internacional envolvendo RSSFs A Report to the National Science Foundation. National Workshop on Future Sensing Systems: Living, Nonliving, and Energy Systems, Lake Tahoe, Granlibakken Conference Center August 26-28, The scope of this workshop encompassed discussions of research needs, current and emerging technologies, and efficacious partnerships required to develop and implement future sensing systems. The workshop was planned to stimulate synergistic ideas and directions generated by industrial, scientific and government participants, and to start planning a long-term road map for R&D projects related to emerging needs and technologies. Furthermore, this workshop started strategic partnerships among industry, scientific community, and agencies that are developing government innovative and cross-pollinating sensor systems capable of converting raw data into useful information about myriad environments. 20

21 Agenda de pesquisa internacional envolvendo RSSFs National Science Foundation. Report of the National Science Foundation Workshop on Fundamental Research in Networking. April 24-25, Foram identificadas seis áreas principais, sendo uma delas redes de sensores sem fio e a outra teoria de redes, incluindo os fundamentos para redes de sensores sem fio 21

22 Agenda de pesquisa internacional envolvendo RSSFs Grand Research Challenges in Information Systems, CRA,

23 Agenda de pesquisa internacional envolvendo RSSFs Computational Science: Ensuring America s Competitiveness We also recommend that our computational science R&D be rebalanced to focus on improved software, systems with high sustained performance, and sensor- and data-intensive applications. 23

24 Agenda de pesquisa internacional envolvendo RSSFs UK Computing Research Committee and British Computer Society, 2005 Ubiquitous Computing: Experience, Design and Mind 24

25 Rede de sensores e seus componentes Dados são processados e roteados para o Gateway Estação Satélite Outras fontes de dados podem ser usadas para auxiliar as funções da RSSF Avião não-tripulado Arara Gateway MICA2/MICAz ObservadorCrossbow Canal para enviar dados e receber Imagens Relatórios comandos da Internet Dado Processado Banco de dados Comando/ Consulta Internet Meteorológica RSSF Nó sensor Dados Dados coletados pela RSSF Aplicação a ser monitorada por uma RSSF 25

26 Arquitetura típica de um nó sensor Tempo de vida limitado Memória limitada Elemento de Sensoriamento F O N T E E N R G I D A E S E N S O R E S Baixa velocidade Elemento de Processamento MEMÓRIA A D C MICRO PROCESSADOR Comunicação R Á D I O ALGORITMOS Requer supervisão Processador mais lento SO TEMPO REAL 26

27 Projeto das RSSFs Dividido em três partes: 1. Ambiente 3. Aplicação 5. Rede 27

28 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede 1. Que tipo de ambiente será monitorado? Definir as características físicas de operação (temperatura, umidade, pressão, etc), qualidade da comunicação sem fio,... Interno Externo 28

29 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede 1. Qual é a abrangência espacial da área a ser monitorada? Dimensão de monitoramento dos eventos Formato da área a ser monitorada Forma da área regular Aproximação da área irregular Área Área 3D Irregular 2D Regular Círculo Círculo Esfera Esfera Quadrado Quadrado Cubo Cubo

30 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede 1. Que restrição de acesso haverá à área monitorada? Não é possível ter acesso à área monitorada É possível ter acesso 30

31 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede Como será a deposição dos nós sensores na área a ser monitorada? Aleatória Determinística 31

32 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede Qual é o comportamento do fenômeno a ser monitorado? Pontual Pontual crescente Móvel 32

33 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede Qual é a abrangência temporal dos eventos a serem monitorados? 24x7 Período do dia 33

34 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede Como é o tipo de dado coletado? Valores numéricos Valores alfanuméricos Áudio Imagem Vídeo 30 XYZ82 34

35 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede Qual é a freqüência de coleta de dados? Coleta contínua ou periódica Coleta dirigida a evento Coleta sob-demanda Coleta por amostragem V 35

36 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede Que tipo de capacidade de movimentação cada nó sensor e o gateway possuem? Estático Móvel Nós Nós estáticos móveis Flying Onithoper 36

37 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede Que tipo de cooperação pode haver entre nós sensores? Dado mais relevante para a aplicação Dado de gerenciamento 37

38 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede Qual é a confiabilidade associada ao dado transmitido? O dado pode não chegar ao gateway O dado pode chegar duplicado ao gateway O dado pode ser entregue ao gateway fora de ordem O dado pode ser corrompido ao chegar ao gateway Os dados podem chegar com diferentes atrasos ao gateway

39 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede 1. Qual é o tempo de vida esperado da aplicação de monitoramento? 39

40 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede 1. Que funções podem ser associadas à aplicação? Localização Agregação (fusão de dados) (x,y,z)? (x,y,z)? (x,y,z)? (x,y,z)? 28 40

41 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede 1. Que tipos de nós sensores serão depositados na rede? Homogêneos Heterogêneos Heterogêneo Homogêneo 41

42 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede 1. Como a rede será organizada? Plana Hierárquica 42

43 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede 1. Quantos nós sensores devem ser depositados? 43

44 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede 1. Que algoritmos devem existir associados à aplicação? Precisão dos dados Tolerância a falhas Cooperação entre nós sensores Reconfiguração da rede 44

45 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede 1. Que algoritmos devem existir associados à rede? Arquitetura Tempo de vida da rede Tolerância a falhas Cooperação Reconfiguração Segurança dos dados Sincronização dos dados Localização dos nós 45

46 Projeto da aplicação: Ambiente Aplicação Rede 1. Que tipo de controle espera-se sobre a RSSF? Arquitetura Tempo de vida da rede 46

47 Projeto RSSF x Arquitetura TCP/IP Todas as questões anteriores afetam um projeto integrado com a Internet Internet Arquitetura TCP/IP 47

48 Projeto RSSF x Arquitetura TCP/IP Algumas questões importantes: QoS Endereçamento Gerenciamento 48

49 Projeto RSSF x Arquitetura TCP/IP QoS Nenhum padrão de QoS (RSSF) x Best-effort (Internet) Suponha uma aplicação de monitoramento de foco de incêndio Suponha uma consulta recebida pela RSSF Situação normal x Incêndio detectado Requisitos da rede de sensores podem variar bastante Suponha uma consulta enviada pela RSSF Que garantias esperar? 49

50 Projeto RSSF x Arquitetura TCP/IP Endereçamento RSSFs: Internet Centrado nos dados Endereço IP Como compatibilizar? 50

51 Projeto RSSF x Arquitetura TCP/IP Gerenciamento RSSFs: Internet Devem ser auto-organizáveis e auto-gerenciáveis Pode definir como as RSSFs devem operar Como definir soluções dinâmicas? 51

52 Conclusões RSSFs e a Economia Brasileira Economia e regras de mercado No futuro, será decisivo para o país ter a capacidade de rastrear a qualidade do produto agrícola desde a colheita no campo até a mesa do consumidor União Européia e o projeto de Segurança Alimentar (1999): Food Safety: From the Farm to the Fork Programas de avaliação genética de bovinos de corte Processos industriais Indústria siderúrgica, mineração,... 52

53 RSSFs e Desafios Científicos 53

54 RSSFs e Desafios Científicos Do ponto de vista científico, há muito por ser feito: São redes com características bem distintas das redes tradicionais como a Internet Projetar aplicações para essas redes é desafiante devido à larga escala e várias restrições (físicas, operacionais) Não temos ainda fundamentos e modelos apropriados Interagem com várias outras áreas do conhecimento humano (aplicações) Esses modelos não estão claros ainda 54

55 RSSFs e a Ciência Brasileira Claramente permite criar uma agenda de pesquisa de longo prazo Tem o potencial de estabelecer avanços significativos para a CC e outras áreas do conhecimento É estratégico para o Brasil 55

56 RSSFs e a Ciência Brasileira Academia: Ciências exatas (CC,...), humanas, sociais, engenharias Agências governamentais: EMBRAPA, Inst de Pesquisas da Amazônia,... Indústrias... 56

57 Obrigado!

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