Redes de Sensores sem Fio: um levantamento *

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1 Redes de Sensores sem Fio: um levantamento * Douglas Machado Monteiro 1, Francisco Tiago Avelar 1 1 Curso de Ciência da Computação Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) {avelar, douglas}@inf.ufsm.br Resumo. Este artigo apresenta aspectos relacionados a redes de sensores sem fio envolvendo fatores influenciadores da rede e descrição de protocolos de redes móveis. Ao final consta um breve encerramento indicando alguns potenciais de desenvolvimento e pesquisa na área de redes móveis de sensores, representando um recente e importante campo de estudo em Ciência da Computação em ascensão no contexto de diversas ciências interessadas no monitoramento de ambientes e leitura de variáveis. 1. Introdução Recentes avanços na tecnologia de sistemas microeletrônicos tem possibilitado o desenvolvimento de componentes com menor custo, menor consumo de energia elétrica e com tamanho reduzido. Através disso, as redes de sensores sem fio se tornaram mais presentes em diversas aplicações envolvendo comunicação entre nós sensores e a interpretação de leituras por programas de computador escritos em linguagens de alto nível. A alternativa passa a ser mais eficiente quanto coleta dados em tempo real, favorecendo tomadas de ação que refletem em respostas imediatas e com grau de precisão satisfatório. Apesar das funcionalidades oferecidas por uma rede de sensores sem fio, ainda existem diversas questões que influenciam diretamente o funcionamento de uma rede, como o aspecto de consumo de energia elétrica e coerência de dados numa malha de nós. Protocolos foram desenvolvidos para solucionar os problemas envolvendo uma redes de sensores, porém ainda representam formas incompletas devido a complexidade envolvendo principalmente a disposição espacial e limitações físicas. 2. Aplicações das redes de sensores Redes de sensores consistem em diversos tipos, tais como sísmicos, magnéticos, térmicos, radar, acústico, etc. São capazes de monitorar uma grande variedade de condições de um ambiente, como temperatura, movimento de veículos, luminosidade, pressão, níveis de ruído, etc. Uma rede de sensores pode ser aplicada aos mais diversos * Resumo artigo Wireless Sensor Networks: a Survey. Disciplina de Sistemas de Computação Móvel (ELC1001) Curso de Ciência da Computação Universidade Federal de Santa Maria (UFSM).

2 contextos, como aplicações ambientais para rastreamento do movimento de animais, detecção de focos de incêndio, áreas desmatadas, entre outras. Além disso, aplicações militares envolvendo uso de sensores para sistemas de mísseis teleguiados e detecção de radioatividade são casos possíveis de uso de sensores sem fio. Na área da Medicina, pode representar sistemas de monitoramento de pacientes para administração de remédios em hospitais. Em se tratando de aplicações para residências, representa uma área promissora cujo objetivo é automatizar as funções de uma residência, como controle de temperatura, segurança, economia de energia elétrica, etc. 3. Fatores que influenciam numa rede de sensores em fio Uma rede de sensores sem fio é influenciada por fatores determinantes e de importância significativa para o funcionamento correto. Tais fatores envolvem: Tolerância a falhas: alguns sensores podem falhar, apresentar baixo nível de carga na bateria, sofrer algum dano físico ou restrições do ambiente. A falha de um sensor não deve afetar a malha de sensores. Um sistema de tolerância a falhas possui a responsabilidade de manter as funcionalidades de uma rede de sensores sem fio permanenentes sem qualquer interrupção devido a falha de algum sensor. Escalabilidade: o número de sensores podem ser na escala de centenas ou milhares dispostos numa malha sem fio. A quantidade está diretamente relacionada com o contexto de aplicação. A escalabilidade representa um atributo importante para compor protocolos de redes de sensores sem fio para transmissão de dados e gerenciamento no consumo de energia elétrica. Uma rede deve ser capaz de manter suas funcionalidades independe da quantidade de nós sensores presentes nesta rede. Custos de produção: uma vez que uma rede de sensores pode ser composta por diversos nós, o custo de um único sensor é muito importante para justificar o custo da rede como um todo. Se o custo de uma rede de sensores sem fio é maior que uma rede tradicional, então o projeto de implantação da rede passa a ser não justificável. Ambiente operacional: nós sensores são densamente dispostos tanto próximos quanto internos ao fenômeno a ser analisado. Muitos dos ambientes são inalcançáveis ou impróprios ao ser humano, como no interior de um furacão ou uma região radioativa. Outros ambientes podem ser mais amigáveis como o interior de residências ou vinculados a animais. Topologia de rede de sensor sem fio: a manutenção da topologia de rede é uma tarefa complexa devido ao considerável número de sensores inacessíveis suscetíveis a falhas. Além disso, existem casos que uma topologia não é conhecida previamente, levando a um arranjo lógico topológico que pode apresentar uma complexidade maior para o roteamento de dados.

3 Restrições de hardware: sensores são componenentes muito limitados de memória e processamento, dessa forma os programas desenvolvidos devem ser otimizados para apresentar execução eficiente e ocupar reduzido espaço de armazenamento. Essas restrições se fazem importantes devido a grande limitação no consumo de energia no propósito em aumentar a vida útil da bateria. Transmissão: em uma rede de sensores com múltiplos saltos, a comunicação é feita sem fio. O vínculo pode ser estabelecido por ondas de rádio, canal infravermelho ou óptico. Para que a rede possa funcionar em âmbito global, o meio de transmissão deve estar disponível como um todo, de acordo com a malha de nós. Consumo de energia elétrica: nós em uma rede de sensores sem fio são equipados com uma fonte de energia limitada (< 0,5 Ah e 1,2 volts). Em uma rede de sensores com múltiplos saltos, cada nó atua como um elemento que origina os dados e também é responsável pelo roteamento. Esse aspecto pode causar mudanças significativas de topologia e pode exigir uma reorganização da rede. Por essa razão, conservação de energia apresenta uma importância adicional. O esforço no desenvolvimento de protocolos visa atender os requisitos de vida útil da bateria de um sensor de forma a dispor um mecanismo eficiente e equalitário de consumo de energia entre os nós da malha de sensores. 4. Arquitetura das redes de sensores sem fio Nós sensores são usualmente espalhados num arranjo conhecido como campo de sensores, sem uma organização previamente conhecida. Cada nó posicionado possui capacidade de reunir dados e direcioná los para o pivô ou usuários finais. O pivô pode ser constituído por uma antena ou unidade de transmissão dotada com maior capacidade de receber energia e transmitir dados. Através dos nós, o dado é transmitido em múltiplos saltos, o qual corresponde à ponte de conexão aérea sem fio entre dois nós. Em detrimento de resolver, ao menos que parcialmente, a complexidade envolvendo os diferentes aspectos de uma rede de sensores sem fio, como consumo de energia e coerência de dados, protocolos têm sido desenvolvidos e constantemente melhorados para garantir um funcionamento coerente de rede. Uma abstração disposta em camadas de resolução é o modelo apresentado para arranjar os domínios de abordagem, os quais valem a pena serem descritos: 4.1. Camada de aplicação: adaptável de acordo com as atividades de sensoriamento, sendo como uma interface para o software que faz uso de uma rede de sensores. Contempla três protocolos funcionais: SMP (Sensor Management Protocol): utilizado por administradores de sistema para interagir com redes de sensores. Ao invés de utilizar a abordagem de identificadores globais, como ocorre no protocolo IP, o acesso aos nós é feito através de

4 nomeação de atributos e endereçamento de locais. SMP contempla funções de software com as seguintes funcionalidades: Introduz regras relacionadas a agregação de dados, nomeação baseada em atributos e aglomeração de nós; Intercâmbio de dados relacionado à algoritmos de busca; Sincronização de tempo entre nós; Mobilidade de sensores; Ativando e desativando sensores (liga e desliga); Consulta à rede de sensores a respeito de configurações e situação dos nós; Autenticação, distribuição e segurança em comunicação de dados TADAP (Task Assignment and Data Advertisement Protocol ): responsável por definição de interesse na leitura de um dado para um nó em particular, um subconjunto de sensores ou a rede inteira. Além disso, possui a funcionalidade de anunciar um dado disponível em um nó para estabelecer uma troca, caso houver manifestação por outro nó SQDDP (Sensor Query and Data Dissemination Protocol): permite que aplicações realizem consultas numa rede de sensores sem fio. Não é freqüente a consulta do valor de um único nó. Ao invés disso, formas mais abrangentes são comuns, como "locais que apresentam temperaturas maiores que 50 graus centígrados" ou "locais com luminescência menor que 300 lúmens" Camada de transporte: auxilia a manter o fluxo de dados de acordo com uma requisição originada a partir de uma aplicação. Além disso, é necessária para comunicação entre diferentes redes de sensores sem fio, assim como redes clássicas como Internet. A comunicação da rede com o pivô pode ser feito utilizando TCP/UDP, ao passo que, devido a limitação de memória, a comunicação entre o pivô e os nós é estabelecida através de UDP Camada de rede: responsável pelo roteamento dos dados através da camada de transporte. Uma vez que sensores são espalhados densamente numa região, como por exemplo no interior da região do fênomeno a ser monitorado, protocolos envolvendo comunicação com múltiplos saltos são necessários. A camada de rede é projetada de acordo com alguns princípios: Eficiência energética sempre é uma questão crucial; Redes de sensores sem fio, em sua maioria, são centrados aos dados; Agregação de dados é útil somente se não sobrepõe a colaboração entre nós;

5 Uma rede de sensores ideal é baseada no endereçamento de atributos e localidade. Um aspecto importante está relacionado à implosão de dados, o qual representa a situação de mensagens duplicadas que são mandadas para o mesmo nó. Para evitar esse problema, a técnica de agregação de dados é utilizada com a abordagem de uma árvore de atribuição múltipla reversa. Em outras palavras, o nó pivô pergunta aos nós sobre a condição de ambiente do fenômeno monitorado. Os dados oriundos de diversos sensores são agregados como se fossem os mesmos atributos do fenômeno quando atingem o mesmo nó de roteamento no caminho de retorno ao pivô. De modo a padronizar os diferentes esquemas propostos na camada de rede, algumas aproximações tem sido estabelecidas: SMECN (Small Minimum Energy Communication Network): enxerga a malha de nós como um grafo cujo objetivo é selecionar grafos menores de acordo com o critério do menor consumo de energia Inundação (Flooding): técnica antiga cujo princípio é propagar os pacotes de dados por difusão (broadcast) até o destino. Apresenta deficiências devido a replicação de dados num mesmo nó, assim como demasiado consumo de energia Gossiping: uma derivação da técnica de inundação, cuja finalidade é escolher um nó vizinho de forma aleatória para propagar o dado SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation): envia um pedido de interesse (sinal ADV) ao nó vizinho para transmitir o dado. Caso exista interesse, o destinatário responde (sinal REQ) para que o conteúdo possa ser transmitido (sinal DATA) LEACH (Low energy Adaptive Clustering Hierarchy): representa aglomerados de sensores com o objetivo de minimizar o consumo de energia através da criação de múltiplas rotas de percurso de dados. Além disso, oferece um mecanismo eficiente de tolerância a falhas, caso um nó apresente algum problema e seja desativado da malha de sensores Camada de enlace: uma vez que o ambiente em que os sensores estão dispostos pode apresentar ruídos e os sensores apresentarem mobilidade, a camada de enlace possui o protocolo MAC (Media Access Control) com o propósito de minimizar colisões de dados com a transmissão de dados aos nós vizinhos. Dessa forma, o esforço principal é poupar o consumo de energia devido a uma transmissão de pacote perdido. Além disso, a camada de enlace é responsável por realizar a multiplexação do fluxo de dados, detecção do quadro de dados e verificação de erros de transmissão. Garante comunicação ponto a ponto e ponto multiponto de forma confiável.

6 4.5. Camada física: envolve implementação de técnicas simples e robustas de modulação, assim como transmissão e recebimento de pacotes de dados envolvendo um canal de segurança. A camada física está mais relacionada mais diretamente com características intrínsecas aos dispositivos de hardware. 5. Conclusão A grande flexibilidade das redes de sensores sem fios permite a integração de diversos sistemas em diferentes áreas de conhecimento, como geologia, engenharia e medicina. Desse modo, a possibilidade de sistemas utilizando malhas de sensores está cada vez mais próxima de representar soluções práticas para problemas desafiadores de monitoramento de fenômenos. Em contrapartida, ainda existem diversos desafios para tornar uma rede de sensores sem fio potencialmente efetivas em termos da durabilidade da fonte de energia de cada nó, assim como a coerência e roteamento de dados numa rede de múltiplos saltos. Alternativas foram criadas, como sensores que apresentam fontes de energia renováveis, como a luz solar, além de diversos protocolos para realizar um arranjo lógico de rede. O fato é que os esforços são necessários para garantir confiabilidade e precisão de medida nos mais diversos âmbitos de aplicação. Referências AKYILDIZ, SU, SANKARASUBRAMANIAM, CAYIRCI; I.F., W., Y., E. Wireless Sensor Networks: a Survey. Broadband and Wireless Networking Laboratory, School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology,Atlanta, GA 30332, USA. Received 12 December 2001; accepted 20 December 2001.