MÁRIO TOSHIO RODRIGUES SAITO MÉTODOS DE COLETA DE DADOS EM REDES DE SENSORES SEM FIO

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1 MÁRIO TOSHIO RODRIGUES SAITO MÉTODOS DE COLETA DE DADOS EM REDES DE SENSORES SEM FIO LONDRINA PR 2013

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3 MÁRIO TOSHIO RODRIGUES SAITO MÉTODOS DE COLETA DE DADOS EM REDES DE SENSORES SEM FIO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Bacharelado em Ciência da Computação da Universidade Estadual de Londrina para obtenção do título de Bacharel em Ciência da Computação. Orientador: Prof(a). Dr(a). Nome do(a) Orientador(a) Coorientador: Prof(a). Dr(a). Nome do(a) Coorientador(a) LONDRINA PR 2013

4 Mário Toshio Rodrigues Saito Métodos de Coleta de Dados em Redes de Sensores Sem Fio/ Mário Toshio Rodrigues Saito. Londrina PR, p. : il. (algumas color.) ; 30 cm. Orientador: Prof(a). Dr(a). Nome do(a) Orientador(a) Universidade Estadual de Londrina, Palavra-chave1. 2. Palavra-chave2. I. Orientador. II. Universidade xxx. III. Faculdade de xxx. IV. Título CDU 02:141:005.7

5 MÁRIO TOSHIO RODRIGUES SAITO MÉTODOS DE COLETA DE DADOS EM REDES DE SENSORES SEM FIO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Bacharelado em Ciência da Computação da Universidade Estadual de Londrina para obtenção do título de Bacharel em Ciência da Computação. BANCA EXAMINADORA Prof(a). Dr(a). Nome do(a) Orientador(a) Universidade Estadual de Londrina Orientador Prof. Dr. Segundo Membro da Banca Universidade/Instituição do Segundo Membro da Banca Prof. Msc. Terceiro Membro da Banca Universidade/Instituição do Terceiro Membro da Banca Londrina PR, 24 de novembrode 2013 LONDRINA PR 2013

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7 Este trabalho é dedicado às crianças adultas que, quando pequenas, sonharam em se tornar cientistas.

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9 AGRADECIMENTOS Os agradecimentos principais são direcionados à Gerald Weber, Miguel Frasson, Leslie H. Watter, Bruno Parente Lima, Flávio de Vasconcellos Corrêa, Otavio Real Salvador, Renato Machnievscz 1 e todos aqueles que contribuíram para que a produção de trabalhos acadêmicos conforme as normas ABNT com L A TEX fosse possível. Agradecimentos especiais são direcionados ao Centro de Pesquisa em Arquitetura da Informação 2 da Universidade de Brasília (CPAI), ao grupo de usuários latex-br 3 e aos novos voluntários do grupo abntex2 4 que contribuíram e que ainda contribuirão para a evolução do abntex2. 1 Os nomes dos integrantes do primeiro projeto abntex foram extraídos de org.br/projects/abntex/ e

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11 Não vos amoldeis às estruturas deste mundo, mas transformai-vos pela renovação da mente, a fim de distinguir qual é a vontade de Deus: o que é bom, o que Lhe é agradável, o que é perfeito. (Bíblia Sagrada, Romanos 12, 2)

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13 SAITO, M. T. R.. Métodos de Coleta de Dados em Redes de Sensores Sem Fio. 35 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação). Bacharelado em Ciência da Computação Universidade Estadual de Londrina, RESUMO Segundo a??, , o resumo deve ressaltar o objetivo, o método, os resultados e as conclusões do documento. A ordem e a extensão destes itens dependem do tipo de resumo (informativo ou indicativo) e do tratamento que cada item recebe no documento original. O resumo deve ser precedido da referência do documento, com exceção do resumo inserido no próprio documento. (... ) As palavras-chave devem figurar logo abaixo do resumo, antecedidas da expressão Palavras-chave:, separadas entre si por ponto e finalizadas também por ponto. Palavras-chave: latex. abntex. editoração de texto.

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15 SAITO, M. T. R.. A Data Collection Methods in Wireless Sensor Networks. 35 p. Final Project (Undergraduation). Bachelor of Science in Computer Science State University of Londrina, ABSTRACT This is the english abstract. The Abstract in English should be faithful to the Resumo in Portuguese, but not a literal translation. Keywords: latex. abntex. text editoration.

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17 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 Exemplo de um nó sensor( Mica2 mote) [1] Figura 2 Exemplo de um nó sensor(smart Dust) Figura 3 RSSF - Rede ad-hoc [2] Figura 4 Exemplo de uma RSSF para monitoramento da saúde remotamente. [1] 31 Figura 5 Topologias estrelas e peer-to-peer. [3]

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19 LISTA DE TABELAS

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21 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS Fig. Area of the i th component 456 Isto é um número 123 Isto é outro número lauro cesar este é o meu nome

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23 LISTA DE SÍMBOLOS Γ Λ ζ Letra grega Gama Lambda Letra grega minúscula zeta Pertence

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25 SUMÁRIO Introdução I Preparação da pesquisa 27 1 Redes de Sensores Sem Fio Neste capitulo serão abordados conceitos importantes sobre RSSF. 1.1 Introdução IEEE Topologia de Rede Referências

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27 25 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 [4]. 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 [5], visando sempre o crescimento econômico e a o bem estar dos cidadãos [6]. RSSF são compostas de grande quantidade de nós sensores que são implantados próximos ao fenômeno que se quer observar [2]. 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.

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29 Parte I Preparação da pesquisa

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31 29 1 REDES DE SENSORES SEM FIO Neste capitulo serão abordados conceitos importantes sobre RSSF. 1.1 INTRODUÇÃO As RSSF são compostas de vários pequenos equipamentos (na ordem de grandeza de milímetros cúbicos a centímetros cúbicos), formados por uma placa de circuito integrado, contem um ou mais sensores e possui capacidade de processamento, comunicação de dados e energia própria [8]. Cada um desses pequenos equipamentos de uma RSSF são chamados nós [2]. Na figura 1 e Figure 3 mostram exemplos nós sensores. Figura 1 Exemplo de um nó sensor( Mica2 mote) [1]. Figura 2 Exemplo de um nó sensor(smart Dust). As RSSF possuem um grande número nós, operam de forma autonoma, tem energia limitada, e são auto-gerenciadas (auto-configuração, autoproteção, etc.) pois podem trabalhar em áreas remotas. Como os nós são limitados na questão de energia, poder

32 30 Capítulo 1. Redes de Sensores Sem Fio de processamento e memória [2], não é possível à reutilização de algoritmos tradicionais, tendo que ser desenvolvidos novos algoritmos. Em uma RSSF os nós sensores são implantados próximos ao fenômeno que se quer observar [2], e formam uma rede sem fio ad hoc que coleta dados de interesse, realiza processamento local, e dissemina as informações para um ponto de acesso chamado nó sorvedouro (sink) [2] em um esquema de comunicação multi-saltos (multi-hop). Na Figure 3 ilustra a rede ad-hoc com o nó sink. Figura 3 RSSF - Rede ad-hoc [2] A Figure 4 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.

33 1.1. Introdução 31 Figura 4 Exemplo de uma RSSF para monitoramento da saúde remotamente. [1] Basicamete RSSF tem aplicação nas seguintes áreas: Controle. Para prover algum mecanismo de controle. Por exemplo em uma industria, sensores sem fio podem ser embutidos em peças numa linha de montagem para fazer testes no processo de manufatura. Ambiente. Para monitorar variáveis ambientais tanto internas, como uma residencia quanto externos, um deserto por exemplo. Tráfego. Para monitorar tráfego de veículos em rodovias, em vias urbanas, etc. Segurança. Para prover segurança em centros comerciais, lojas, etc. Medicina/Biologia. Para monitorar o funcionamento de órgãos como o coração, detectar a presença de substância que indicam um risco biológico. Militar. Para detectar movimentos inimigos, explosões, a presença de material perigoso como gás venenoso ou radiação, etc. Neste tipo de aplicação, os requisitos de segurança são fundamentais. Atualmente já existem exemplos práticos de aplicações de RSSFs [8]: Produção Industrial. Em indústrias petroquímicas, monitoramento de fluxo, pressão, temperatura e nível, identificando problemas como vazamento e aquecimento.

34 32 Capítulo 1. Redes de Sensores Sem Fio Distribuição de energia, gás e água. Monitoramento de de fluxo, pressão, temperatura e nível. Áreas industriais. Monitoramento de dados em área de difícil acesso ou perigosa. 1.2 IEEE O principal padrão de rede que uma RSSF utiliza é o IEEE , que é um padrão para a low-rate wireless personal area networks (LR-WPANs), que são redes sem fio com baixas taxas de transmissão [3], e visam o baixo consumo de energia [9]. O padrão IEEE surgiu para suprir a necessidade das RSSF que utilizam dispositivos de baixo custo e consumo de energia. O IEEE define especificações para a camada física (PHY, do inglês physical) e para a subcamada de acesso ao meio (MAC, Media Access Control, ou Controle de Acesso ao Meio). Os principais objetivos do padrão IEEE são de ter uma facilidade na instalação, transferência de dados confiáveis, operar em curta distância, visa dispositivos de custo baixo, visa o baixo consumo das baterias, manter um protocolo simples e flexível [3]. Principais características do padrão IEEE são: Taxas de transmissão de 250Kbps, 40Kbps e 20Kbps; Topologias em estrela e ponto-a-ponto(peer-to-peer); Endereçamento de 16 bits (curto) ou 64 bits (estendido); Alocação garantida de time slots; Acesso ao meio utilizando CSMA-CA; Protocolo de reconhecimento para transferência confiável; Baixo consumo de energia; Detecção de energia; Indicação de qualidade de enlace; 16 canais na banda de 2450MHz, 10 canais na banda de 915MHz e 01 canal na banda de 868MHz Topologia de Rede Conforme a aplicação uma LR-WPAN pode utilizar duas topologias: topologia peer-to-peer e em estrela.

35 1.2. IEEE Na topologia em estrela, existe um nó coordenador central chamado de coordenador PAN (Personal Area Network coordinator), na rede os demais nós se comunicam com esse nó central que tem como funções específicas iniciar, terminar ou encaminhar a comunicação na rede [3]. O nó coordenador PAN é um dispositivo FFD( Full-Function Device), como um roteador, que controla a rede, logo possui uma maior carga de trabalho, e consome mais energia, geralmente é alimentado por meios externos de energia. Na topologia peer-to-peer também existe o coordenador PAN, mas é diferente da topologia em estrela, pois os demais nós podem se comunicar diretamente entre si (se estiver no raio de alcance), essa característica permite a implementação de redes mais complexas, como a topologia em malha, comum em RSSF. A Figure 5 ilustra as topologias em estrela e peer-to-peer. Figura 5 Topologias estrelas e peer-to-peer. [3]

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37 35 REFERÊNCIAS 1 STANKOVIC, J. Wireless sensor networks. Computer, v. 41, n. 10, p , ISSN AKYILDIZ, I. F. et al. Wireless sensor networks: a survey. Comput. Netw., Elsevier North-Holland, Inc., New York, NY, USA, v. 38, n. 4, p , mar ISSN Disponível em: < 3 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 , p , ITU. ITU Internet Reports 2005 the Internet of Things. [S.l.]: International Telecommunication Union, ASIMAKOPOULOU, E.; BESSIS, N. 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. [S.l.: s.n.], p IBM. Cidades Inteligentes Disponível em : smarterplanet/br/pt/smarter_cities/overview/. Acesso em: 11 mai FERRANDIS, D.; CLIMENT, S.; PAYAá, V. Enabling quick deployment wireless sensor networks for smart cities. In: Factory Communication Systems (WFCS), th IEEE International Workshop on. [S.l.: s.n.], p ISSN Pending. 8 LOUREIRO, A. A. et al. Redes de sensores sem fio. In: Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores (SBRC). [S.l.: s.n.], p MONTENEGRO, G. et al. Rfc Transmission of IPv6 packets over IEEE, v. 802, n. 4.