Gateway Mesh-RSSF: Sistema de Comunicação entre Redes de Sensores Sem Fio e Redes Mesh

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1 Gateway Mesh-RSSF: Sistema de Comunicação entre Redes de Sensores Sem Fio e Redes Mesh Leomário Machado, Dionne Monteiro Faculdade de Computação Universidade Federal do Pará (UFPA) leomariomachado@gmail.com, dionne@ufpa.br Abstract. Communication between wireless sensor networks (WSN) and mesh networking enables remote monitoring of environmental events such as monitoring temperature and humidity of the forest, enabling the detection of fires automatically. In this literature will be explained the process of developing a Gateway whose purpose is to transmit data from the coordinator node of sensor network for specific router acting on the mesh network. Resumo. A comunicação entre redes de sensores sem fio (RSSF) e redes Mesh possibilita o acompanhamento remoto de eventos ambientais tal como monitoramento da temperatura e umidade da floresta, possibilitando a detecção de queimadas automaticamente. Nesta literatura será exposto o processo de desenvolvimento de um Gateway cuja finalidade é transmitir dados do nó coordenador da rede de sensores para um roteador específico atuante na rede Mesh. 1. Introdução O desmatamento na Amazônia Legal cresce todos os meses e se dá principalmente por queimadas. O monitoramento das queimadas em florestas normalmente ocorre a partir de sensoriamento remoto utilizando imagens de satélite. Como estas imagens precisam ser processadas para detectar áreas de queimadas, existe um atraso de dias entre a ação da queimada de florestas e a detecção das mesmas pelos órgãos responsáveis pelo monitoramento de queimadas. Redes de sensores sem fio (RSSF) são utilizadas para monitoramento de grandezas físicas que a partir de um transdutor podem ter seu sinal monitorado e mensurado por meio de sinais elétricos. Basicamente uma RSSF contém três elementos: nó sensor (reduced function device RFD), nó roteador (full function device FFD) e nó coordenador. O nó sensor se localiza na borda da RSSF e tem como função coletar dados dos sensores e transmiti-los para o nó coordenador utilizando, caso necessário, os nós roteadores. Os nós roteadores são responsáveis por enviar informações coletadas nos nós sensores para o nó coordenador, utilizando protocolos de roteamento, tais como AODV e AODV-Fuzzy [Gomes et al, 2010], e pode ser utilizado também como nó sensor. O nó coordenador disponibiliza para uma rede IP o sinal dos sensores, normalmente utilizando uma porta serial ou porta USB. Como as RSSF são redes do tipo Ad Hoc os pontos de medição podem ser alocados sem critérios específicos, bastando que o sinal dos nós sensores e nós roteadores possam ter uma rota disponível até o nó coordenador.

2 Normalmente os nós coordenadores são conectados diretamente a um computador, o que não torna possível a sua aplicação direta em monitoramento de florestas, por estas estarem fora do alcance da Internet. Para resolução deste problema é necessário que um sistema leve o sinal da RSSF até pontos onde redes IP estejam disponíveis. Devido à dependência de um computador para integração entre redes, nesta pesquisa é descrito uma solução que faz uso de roteadores inseridos na rede Mesh cujo benefício é a melhor manutenção e adaptação do sistema por tratar-se de um hardware mais apropriado para determinadas condições de espaço e localização. 2. Redes de Sensores Sem Fio Redes de sensores são redes com limitações de memória, desenvolvidas tipicamente para locais de difícil acesso, que realizam comunicação wireless para transferir dados entre pontos; possuem uma bateria como principal fonte de energia e um nó sensor. Redes de sensores sem fio tipicamente possuem baixa ou nenhuma infraestrutura e consiste em um numero de nós sensores que podem chegar a centenas trabalhando no monitoramento de alguma área ou região obtendo dados a partir do ambiente [Yick and Ghosal, 2008]. Loureiro [Loureiro et al, 2004] cita o uso de redes de sensores sem fio em engenharia de controle industrial, monitoramento residencial em casas e prédios, locais de difícil acesso como florestas, desertos, oceanos e vulcões; em se tratando de medicina, é possível monitorar o funcionamento de órgãos monitorando a presença de substâncias tóxicas; redes de sensores sem fio podem ser usadas também em equipamentos de segurança, engenharia de tráfego e para fins militares [Loureiro et al, 2004]. 3. Redes Mesh Redes Mesh são redes de múltiplos saltos, auto configuráveis, com topologia dinâmica, variável e de crescimento orgânico, constituídas por nós cuja comunicação, no nível físico, é feita através de uma das variantes do padrão IEEE (Wireless Local Area Network WLAN), e cujo roteamento é dinâmico [Nascimento and Abelém, 2007]. Esta topologia será usada tanto entre a rede de sensores, para manter a confiabilidade dos dados coletados pela rede, quanto para conexão entre o roteador e os demais nós da rede IP. 4. Componentes de Hardware e Software Em se tratando de Hardware, haverá a divisão em duas partes: Rede IP e RSSF. O radio da Linksys WRT54G é utilizado para se conectar a uma rede IP do tipo Mesh [Asadoorian, 2007] enquanto para a conexão com a RSSF é utilizado o hardware Xbee/Xbee-PRO ZB RF [Xbee, 2009] que pode ser configurado conforme a necessidade e para diversos tipos de RSSF, incluindo nó coordenador, nó roteador e nó sensor. Na camada de software teremos o Openwrt atuando como sistema operacional e as aplicações responsáveis pela aquisição de dados da rede de sensores para disponibilização a partir da abertura de um socket. O roteador Linksys (figura 1 a) possui como velocidade padrão em suas atuais versões 200 MHz de capacidade de processamento de sua CPU chegando ao pico de 250

3 MHz. Versões mais antigas possuem a velocidade padrão de 125 MHz e a máxima de 216 MHz, enquanto a versão mais recente, o WRT54GS possui o padrão de 266 MHz com máxima de 300 MHz fazendo uso de uma memória (conforme seu modelo) de 2, 4 ou 8MB. O módulo Xbee (figura 1 b) caracteriza-se pelo uso do padrão do IEEE que dita às diretrizes da tecnologia Zigbee que, configura-se como uma solução de baixo custo na qual sua bateria pode resistir por vários meses, ou mesmo anos [Kinney et al, 2010]. O mesmo irá atuar como nó coordenador da rede, coletando dados de todos os demais nós pertencente à rede de sensores exceto aqueles que por algum motivo não podem ser alcançados (por danos físicos, finalização do período útil da bateria, realocação geográfica acidental que não permita o alcance do sinal de outros sensores da rede e outros motivos). Figura 1: Componentes de Hardware. (a)roteador Linksys WRT54G, (b) Módulo de rádio Xbee. Os componentes de software dividem-se em duas categorias: Sistema operacional e aplicações. Como sistema operacional, será utilizado o Openwrt, um Linux específico para roteadores, pode substituir satisfatoriamente o firmware nativo do roteador Linksys WRT54G e possui um SDK (Kit de Desenvolvimento de Software) que permite a criação de aplicações para o roteador. As aplicações por sua vez são o servidor e os clientes, sendo que apenas o servidor será executado no Linksys, naturalmente o cliente executará remotamente em outro dispositivo computacional, seja ele um computador, celular ou palmtop; um detalhe importante é que o servidor atuará também como cliente da interface serial. O Openwrt é uma distribuição Linux de propósito geral para dispositivos embarcados com o intuito de substituir firmwares únicos e estáticos, fornecendo um sistema de arquivos com gerenciamento de pacotes permitindo maior liberdade de uso e personalização do equipamento para atender as necessidades do usuário [Openwrt, 2010]. Para desenvolvedores, o Openwrt permite o uso do equipamento sem que haja necessidade criar um novo firmware; esta característica foi conveniente, uma vez que neste projeto não foi necessário desenvolver esta tecnologia desde o início, bastando a instalação do novo sistema operacional, permitindo focar esforços nas aplicações de comunicação com a porta serial e criação do servidor de aplicação da rede de sensores. 5. O Sistema Embarcado A correlação entre os componentes será dada na soldagem do módulo de rádio Xbee ao roteador WRT54G fazendo uso da interface serial de ambos; o roteador possui duas interfaces seriais: /dev/tts/0 e /dev/tts/1. Cada interface serial dispõe de leitura (RX), escrita (TX), alimentação (VCC) e terra (GND); correspondentemente no módulo de

4 rádio, dos vinte pinos presentes no componente, o primeiro se refere à alimentação (VCC), o segundo refere-se à saída de dados seriais (DOUT), o terceiro refere-se à entrada de dados seriais (DIN) e o décimo corresponde ao aterramento (GND). Estes pinos serão conectados através da confecção de uma placa cujo encaixe de vinte pinos, os quatro citados estarão conectados a interface serial na correspondência direta do VCC e GND e inversa para os responsáveis por leitura e escrita, de forma que o TX seja conectado ao DIN e o RX seja conectado ao DOUT. Desta forma, será possível os dados fluírem do WRT54G para o Xbee, e do Xbee para o WRT54G. O esquema de conexão é mostrado na tabela 1. Tx (escrita) Rx (leitura) WRT54G Vcc (alimentação) GND (terra) Din (leitura) Xbee Dout (escrita) Vcc (alimentação) GND (terra) Tabela 1 Conexões do roteador com o módulo de rádio Xbee Utilizando da interface serial para comunicação com o módulo de rádio Xbee, será possível estabelecer a comunicação de um computador pessoal com a rede de sensores, uma vez que, o roteador devidamente conectado à rede Mesh pode receber ou enviar dados ao Xbee (através da comunicação serial) e este por sua vez envia ou recebe estes dados para a rede de sensores. Para estabelecer a conexão de rede, foi confeccionado um aplicativo atuando como servidor sendo executado sobre a plataforma Openwrt devidamente instalada no WRT54G. Utilizando a linguagem C, implementou-se esta comunicação fazendo uso da estrutura de socket refletindo em uma arquitetura cliente-servidor na qual o Linksys WRT54G atuará como servidor de dados e os clientes estarão dispostos em computadores desktop. A figura 2 mostra o esquema da arquitetura do servidor. Figura 2 Arquitetura do servidor A figura 2 descreve apenas um terço da arquitetura geral, visto que o sistema como um todo envolve também a rede de sensores sem fio e os clientes. Neste esquema, descreve-se o uso do servidor de aplicação rodando sobre a plataforma Openwrt acessando a porta de comunicação serial que por sua vez está conectada a partir da placa descrita anteriormente ao nó coordenador da rede de sensores; sobre a plataforma Openwrt são executados dois servidores, um para escrita de dados na porta serial, e um

5 para leitura dos mesmos. Cada servidor executa duas tarefas básicas, o primeiro lê os dados da porta serial e os transfere ao cliente; enquanto o outro recebe parâmetros do cliente e transfere os mesmos para a porta serial. O acesso à porta serial é realizado através do processo de manipulação de um descritor do arquivo referente à porta serial, seja /dev/tts/0 ou /dev/tts/1 lidando com dados de leitura e escrita em arquivo refletindo nas operações físicas de comunicação do hardware. O arquivo descrito transfere os dados para a porta serial, ou obtém estes dados dela; Uma das vantagens no uso de protocolos de rede é que a comunicação torna-se independente da linguagem, ou seja, embora o sistema operacional Openwrt tenha restrições de memória e processamento, sugerindo o uso da linguagem C para otimizar seus recursos devido a sua escassez, não obrigatoriamente os clientes devem ser desenvolvidos na mesma linguagem. O que permite que o uso de outras plataformas e linguagens estabeleçam conexão com o servidor obtendo assim os dados da rede de sensores. 6. Trabalhos Correlatos Loureiro [Loureiro et al, 2004] cita trabalhos que fazem uso da integração de redes de sensores e a internet (IPV4) através de um Gateway para que o uso dos dados ambientais beneficie aplicações como banco de dados, processamento de consultas, gerenciamento e observação por parte do usuário, em seu trabalho, Loureiro descreve fortemente o uso de redes de sensores para monitoramento ambiental. Igualmente, Nascimento [Nascimento, 2008] relata sobre o uso do serviço Profinet para integração entre redes IP e redes de sensores sem fio, onde tal atua na conversão dos dados e seguinte repasse. 7. Considerações Finais O gateway Mesh-RSSF desenvolvido apresenta a particularidade de permitir a integração entre hardware proprietário customizável utilizando software livre. A partir de pesquisas anteriores verifica-se a possibilidade de integração entre redes do tipo Mesh e redes Wi-Fi e redes óticas. Com o gateway Mesh-RSSF desenvolvido cria-se a possibilidade de integração entre redes de diferentes tipos e níveis: óticas, Wi-Fi, Mesh e RSSF. Isto permite que a informação coletada pela RSSF seja disponibilizada em tempo real para sistemas de monitoramento de queimadas, que é o foco principal desta pesquisa. Porém, este trabalho não limita somente a esta aplicação, podendo este gateway ser utilizado em qualquer tipo de RSSF existente no mercado, bastando para isto que a RSSF disponibilize um nó coordenador com comunicação serial. Com a utilização de software livre para o desenvolvimento deste gateway esta tecnologia se torna bastante democrática e poderá ser expandida facilmente para outros projetos que visem à utilização de tecnologia livre para o monitoramento de qualquer natureza, a um baixo custo, evitando-se assim a compra de hardware muito específico. Em próximos trabalhos deseja-se explorar a tolerância a falhas, uma vez que o nó coordenador da rede é único e, portanto, caso seu funcionamento deixe de acontecer, toda a rede será comprometida. Assim como se deseja também realizar a visualização da topologia da rede de sensores a partir de um grafo tridimensional com iteração baseada

6 em rotação, translação e escala dos objetos visíveis, permitindo assim uma visualização mais intuitiva para o usuário no momento em que desejar configurar a rede de sensores sem fio. Além destas, deseja-se construir uma API para armazenar o histórico de dados da rede em um banco de dados relacional interagindo via terminal desktop ou um celular devidamente conectado a internet, ou mesmo através o acesso a partir do navegador web. Referencias Gomes, R. L., Nunes, T., Monteiro, D. e Abelém, A. (2010). Maximização da vida útil de redes de sensores sem fio utilizando fusão de dados e roteamento fuzzy. In: XV Workshop de Gerência e Operação de Redes e Serviços. XXVIII Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos (SBRC 2010). Gramado, RS. Yick, J., Mukherjee, B. and Ghosal, D. (2008) Wireless sensor network survey. Loureiro, A., Nogueira, J., Ruiz. L., Mini, R., Nakamura, R. and Figueiredo, C. (2004) Redes de sensores sem fio Nascimento, V. e Abelém, A. (2007). Proposta de Adequação do Protocolo TCP a Redes Mesh utilizando Técnica Cross Layer. Asadoorian, P., Pesce, L. and Siles, Raúl. (2007) Linksys WRT54G Ultimate Hacking, 1ª Edição. XBee /XBee-PRO DigiMeshTM 2.4 OEM RF Modules. (2006). roductmanual.pdf, acessado em 16 de Janeiro de Kinney, P., Jamieson, P., Gutierrez, J. and Naeve M. (2003) "IEEE WPAN Task Group 4 (TG4)", acessado em 18 de março de Nascimento, L. (2008) Avaliação da utilização de tecnologia de comunicação sem fio em redes PROFIBUS e FOUNDATION Fieldbus.