Aldo Ivan Céspedes Arce 1 Adriano Rogério Bruno Tech 2 Sérgio Paulo Amaral Souto 3 Ernane José Xavier Costa 4

Transcrição

1 SIMULADOR DE DESLOCAMENTO DE REBANHO BOVINO PARA AVALIAÇÃO DE MONITORAMENTO BASEADO EM REDES DE SENSORES SEM FIO Aldo Ivan Céspedes Arce 1 Adriano Rogério Bruno Tech 2 Sérgio Paulo Amaral Souto 3 Ernane José Xavier Costa 4 RESUMO Este artigo sugere um método de otimização da distribuição espacial da infraestrutura de redes de sensores sem fio aplicadas à monitoração de bovinos através de um simulador de deslocamento do rebanho, que permite a redução do número de estações rádio base fixas necessárias para estabelecer comunicação com nós sensores sem fio carregados pelos animais. A funcionalidade do simulador foi testada em um projeto de infra-estrutura de monitoramento para uma área de pastagem da Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos da Universidade de São Paulo. Os resultados obtidos comprovaram a eficiência do simulador como uma ferramenta de auxílio no projeto de infra-estruturas de monitoramento de rebanhos bovinos possibilitando menor custo de implantação. Palavras chaves: bovino, sensores sem fio, deslocamento de rebanho, telemetria, simulador SIMULATING BOVINE HERD DISPLACEMENT FOR EVALUATION OF WIRELESS SENSOR NETWORK MONITORING ABSTRACT This article suggests a method to optimize the spatial distribution of the wireless network infrastructure applied to bovine herd monitoring through simulating their displacement decreasing the number of radio base stations. The functionality of this simulator was tested in a monitoring infrastructure project for a grazing area located at the Faculty of Zootechny and Food Engineering (FZEA), University of São Paulo. The tool proved efficient in assisting to achieve the minimum-cost infrastructure. Keywords: bovine, wireless sensors, herd displacement, telemetry, simulator 1 Mestrando em Zootecnia. acaid@usp.br. 2 Doutorando em Zootecnia. adriano.rogerio.tech@terra.com.br. 3 Doutor, Professor do Departamento de Ciências Básicas. ssouto@usp.br. 4 Doutor, Professor do Departamento de Ciências Básicas. ernane@usp.br. 1,2,3,4 Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos da Universidade de São Paulo.

2 2 1 INTRODUÇÃO O monitoramento de animais na pecuária do tipo extensiva é atualmente um desafio para a engenharia e uma necessidade para os estudos científicos na zootecnia de precisão. Em grandes áreas de criação extensiva com rebanhos de numerosos indivíduos, torna-se difícil o monitoramento manual de cada animal em experimentos etológicos ainda mais se esse monitoramento envolve coletas de dados fisiológicos que devem ser feitas preferencialmente sem interferir no comportamento natural dos animais em estudo. As redes de sensores sem fio possibilitam a automação dos processos de monitoração das atividades do rebanho (SILVA et al., 2005) e têm se mostrado eficientes nas tarefas de monitoramento animal (KET- TLEWELL et al., 1997). As redes sem fio, no entanto, podem representar um investimento muito elevado dado o atual custo desse tipo de tecnologia. Torna-se necessário então o desenvolvimento de uma ferramenta que auxilie na otimização da estrutura física da rede a fim de torná-la mais eficiente com o menor custo envolvido. O emprego de modelos computacionais na simulação de atividades animais é encontrado na literatura e reproduz de forma realística o comportamento animal. Arce et al. A ferramenta ora descrita utiliza um modelo de deslocamento de rebanhos bovinos e implementa o protocolo Rede de Sensores de Base Flutuante (Floating Base Sensor Network - FBSN) proposto por Silva (2005) em um simulador que permite dimensionar a quantidade de estações rádio base fixas (ERBF) homogeneamente distribuídas na área experimental necessárias para monitorar de forma contínua um rebanho de uma quantidade variável (N) de indivíduos. 2 DADOS E MÉTODOS 2.1 O COMPORTAMENTO SOCIAL DOS BOVINOS Os bovinos, como todos os herbívoros, são presas na cadeia alimentar e, por tanto, têm no seu comportamento uma forte motivação decorrente do medo. Socialmente o rebanho bovino se comporta como um grupo individualizado e hierarquizado. O vínculo que une seus membros é o conhecimento individual e existe uma ordenação hierárquica, que pode ser do tipo linear, tendente à linearidade ou complexa (Figura 1). Dentro do rebanho se destacam dois tipos de liderança: a liderança social, diretamente ligada à estrutura hierárquica do grupo, e a liderança espacial, associada ao animal que tem a iniciativa de efetuar algum movimento em resposta a um estímulo ou em função deste possuir maior conhecimento sobre a área de criação e seus recursos (SATO, 1982; TYLER, 1972; GREENWO- OD et al., 1997). A este último o rebanho segue naturalmente. Durante o deslocamento atuam duas forças opostas que afetam individualmente aos membros do rebanho e de cujo equilíbrio resulta a distância entre os indivíduos do grupo (COSTA, 2000). A força coesiva tende a ajuntar os animais e está relacionada aos diferentes níveis de associação (casais,

3 Simulador de deslocamento de rebanho bovino para avaliação de monitoramento baseado em redes de sensores sem fio 3 gêmeos, grupos filiais, etc), e determina a distância social (DS), que podemos definir como a maior distância à que um indivíduo em condições normais se separa do grupo. A força repulsiva tende a separar os animais, evitando que estes fiquem muito próximos, e determina a distância individual (DI), que é a distância mínima entre co-específicos (de 2 a 3m quando descansam e de 8 a 10m quando pastam) (Figura 2). Figura 1. Tipos de hierarquia do rebanho bovino. Figura 2. Forças que interagem no rebanho bovino.

4 4 A distância individual (DI) define o espaço individual que representa o espaço físico que o animal precisa para realizar movimentos básicos. Com estas informações podemos Arce et al. modelar o comportamento espacial de cada individuo no rebanho, considerando suas distâncias euclidianas calculadas no plano, conforme Equação 1. onde: = ( ) + ( ) ) ; (1) di z d di ; d ds z é líder n z n n z dn z = Distância euclidiana do animal n ao animal z; di n, di z = Distâncias individuais; ds = Distância social do animal n; n,, = Coordenadas cartesianas do animal n; = Coordenadas cartesianas do animal z. n 2.2 ESTRUTURAS DE REDES DE SENSORES SEM FIO Uma rede de sensores sem fio (Wireless Sensor Network - WSN) é uma rede de pequenos nós computacionais com sensores e dispositivos de comunicação telemétricos devidamente acoplados (MIN et al., 2002). Um exemplo de nó sensor em uma WSN é composto de um microcontrolador, um sistema de transmissão e recepção u- sando radiofreqüência, uma fonte de alimentação e um ou mais sensores acoplados (ASADA et al., 2000). Neste trabalho foi simulada uma rede sem fio composta de ERBF distribuídas na área monitorizada e nós sensores carregados pelos animais que são chamados de nós móveis. A ERBF pode estabelecer comunicação direta somente com aqueles nós móveis que estiverem dentro da área de cobertura, dentro da qual é possível estabelecer uma comunicação bilateral entre a ERBF e o nó móvel; sua dimensão depende, portanto, do raio de cobertura de ambos dispositivos, sendo que, o alcance dos nós móveis é normalmente reduzido em conseqüência da pouca energia disponível no dispositivo, aumentando, com isto, o custo da infraestrutura. O protocolo FBSN proposto por Silva (2005) é um protocolo de comunicação para redes sem fio, cuja principal característica é proporcionar aos nós móveis a capacidade de tornar-se uma estação rádio base temporária (ERBT). Nesse protocolo, o algoritmo de controle dinamicamente gerencia como os nós irão se comunicar na rede, ele-

5 Simulador de deslocamento de rebanho bovino para avaliação de monitoramento baseado em redes de sensores sem fio 5 gendo aleatoriamente nós móveis que possam ser configurados como ERBT e façam uma ponte do nó objetivo (nó N) a uma das ERBF. O protocolo FBSN é muito útil no monitoramento de rebanhos onde os animais interagem e se deslocam a distâncias curtas entre eles, pois possibilita a redução do número de ERBF necessárias. A Figura 3 mostra o diagrama esquemático de uma rede FBSN, cujo algoritmo está representado na Figura 4. Figura 3. Diagrama esquemático de uma rede FBSN. 2.3 METODOLOGIA A análise orientada a objetos oferece uma estrutura conceptual muito aplicável à modelagem de sistemas biológicos (CON- QUILLARD et al., 1997). Ela propõe, para vários domínios de conhecimento, um ponto de vista unificado do sistema e ajuda a resolver problemas de comunicação. A linguagem UML (Unified Modelling Language) (BOOCH et al., 1999) foi escolhida por causa da sua universalidade. Um modelo de simulação normalmente é baseado em um modelo individual (DE ANGELIS et al., 1992; HUSTON et al., 1988). Assim, as características de cada animal são preponderantes para a construção de um modelo matemático para o rebanho. Um modelo específico normalmente simula um aspecto específico de um sistema complexo. Um multimodelo de um sistema complexo pode ser entendido como uma composição de modelos especialistas com diversas abstrações. A analogia entre multimodelagem e programação orientada a objetos foi demonstrada por Cubert (1997). Além disso, multimodelos podem ser especificados pelo formalismo DEVS (Discrete Event System Specifications) que apresenta o embasamento matemático necessário para manipular a base conhecimento de problemas como o abordado neste artigo.

6 6 Arce et al. O software foi desenvolvido na linguagem C++ utilizando a ferramenta Borland C++ Builder Professional Versão 6.0. Figura 4. Algoritmo de controle da FBSN.

7 Simulador de deslocamento de rebanho bovino para avaliação de monitoramento baseado em redes de sensores sem fio 7 3 DESENVOLVIMENTO DO SIMULADOR 3.1 MODELO DE DESLOCAMEN- TO RANDOM WALK Esse modelo de movimento descreve o deslocamento do bovino líder utilizando um processo estocástico simples de seleção de nós aleatórios dentro de uma rede simétrica. Pode-se compreender rede simétrica como sendo uma base de referência por onde o líder se movimentará 5. O algoritmo random walk segue basicamente as seguintes regras (Equações 2 e 3): Existe um ponto de partida; A distância de um ponto no caminho a um próximo é constante; A direção de um ponto no caminho ao próximo é escolhida de forma randômica e nenhuma direção é mais provável do que outra. = + θ ; (2) = + θ ; (3) onde: = Coordenadas do próximo ponto. θ = Ângulo gerado de forma randômica (0-360º). d = Tamanho do passo definido na configuração dos parâmetros. 5 Um exemplo desse tipo de rede simétrica (em outra escala) poderia ser um papel milimetrado onde cada cruzamento das linhas identificaria um nó a ser ocupado por uma partícula em um instante t + 1. Durante seu deslocamento, o líder ocasionalmente se aproxima de alguns dos membros do rebanho conferindo-lhes um estímulo de fuga. Da mesma forma ao se afastar além da distância social do rebanho, o líder estimula o restante do rebanho a segui-lo. 3.2 MODELO DE DESLOCAMEN- TO PSEUDOBROWNIANO O movimento pseudobrowniano é uma implementação do modelo browniano proposto por Albert Einstein (1905) onde em lugar do choque das moléculas sobre um corpúsculo macroscópico, o estímulo vem do ambiente externo a um animal em forma de outros animais ou características da área de criação tais como: detalhes do relevo, obstáculos, áreas já pastadas, etc. O simulador permite desenhar na área de criação obstáculos naturais ou artificiais em tempo de execução que são reconhecidos automaticamente pelo rebanho. O líder recebe um estímulo inicial movimentando-se em uma direção aleatória. Sua trajetória é alterada pelos obstáculos desenhados no simulador e a interferência do restante do rebanho na sua distância individual (DI). 3.3 MODELO DE DOMÍNIO Na análise orientada a objetos, uma das primeiras tarefas é a construção de um modelo de domínio que represente a visão que o especialista tem do sistema em estudo (HILL, 1996). A Figura 5 mostra o modelo de domínio idealizado, formado por dois pacotes.

8 8 Arce et al. Figura 5. Diagrama UML do domínio. O pacote rebanho descreve o conjunto de animais monitorados pelo sistema. Este pacote é composto por sua vez por dois sub pacotes: 1. O pacote Boi descreve os membros do rebanho cujas distâncias espaciais são regidas por modelos baseados nos parâmetros de distância individual e social. Cada um desses membros representa ao mesmo tempo um nó móvel WSN. 2. O pacote líder descreve os animais do rebanho que tem iniciativa própria de efetuar um deslocamento. O pacote WSN representa a infraestrutura de nós fixos ou ERBF necessários para efetuar o monitoramento do rebanho e os nós móveis associados aos animais do rebanho. O desenho do simulador de deslocamento bovino está principalmente focado nas interações espaciais dos animais entre si e dos lideres executando um deslocamento. O líder é a entidade decisória do sistema, ele determina o deslocamento do restante do rebanho baseado nos modelos random walk e o pseudobrowniano, enquanto sua interação espacial com o resto do rebanho é mantida. 3.4 ARQUITETURA DO SOFTWARE Como mostrado na Figura 6, o simulador foi estruturado em 6 pacotes: Pacote Rebanho derivado da análise de domínio e acrescido de um pacote de eventos gerados durante a simulação: OnBoiMove GeraAnimais Reorganiza Onrequested Pacote modelos contém os modelos matemáticos de movimento (random walk e pseudobrowniano) e os modelos de interação espacial dos animais. Pacote interface fornece a interface gráfica para a configuração dos parâmetros do sistema: número de animais do rebanho, distância social máxima, distância individual mínima, tamanho do passo (random walk), desenho de obstá-

9 Simulador de deslocamento de rebanho bovino para avaliação de monitoramento baseado em redes de sensores sem fio 9 culos na área de deslocamento e raio de cobertura de um nó fixo. sim como, a apresentação gráfica da e- volução dos processos de simulação. Pacote de técnicas contém as classes que gerenciam o kernel do simulador. Pacote de saída contém os recursos para saída de informações do simulador, as- Pacote WSN derivado da análise de domínio contém o algoritmo de controle da FBSN. Figura 6. Arquitetura do simulador Os parâmetros iniciais requeridos pelo simulador são: Número de animais do rebanho. Distância social máxima. Distância individual mínima. Tamanho do passo (somente para Random Walk). Raio de cobertura dos nós fixos. Raio de cobertura dos nós móveis. Tipo de movimento (Random Walk ou Pseudobrowniano) Obstáculos na área de deslocamento (é possível desenhar na tela de simulação obstáculos que representem obstáculos reais que interferem no deslocamento do rebanho) Dessa forma, a exploração dos recursos da orientação a objetos permitiu criar animais virtuais com comportamento independente mas, restrito ao âmbito do rebanho. Assim, um objeto O 1 pertencente a uma classe boi e à superclasse rebanho reage à penetração do seu espaço individual 6 por um dos seus congêneres através do método onboimove do objeto rebanho, movimentando-se em uma direção oposta +- 0~45º ( θ fuga ) segundo a posição da origem do estímulo. 45(1 + 2η ) θ fuga = θ ; (4) 2 6 Espaço individual é a área do circulo de raio DI (Distância individual) com centro nas coordenadas (X,Y) definidas na propriedade posição do objeto boi.

10 10 Arce et al. η = 0 < número randomico <1; ( ) asin y 2 2 θ = ; d = x + y ; d = ; y = y n yz onde: θ = Ângulo entre o animal e a origem do estímulo; d = Distância ao animal causador do estímulo de fuga; = Coordenadas do objeto O 1; = Coordenadas do objeto causador do estímulo de fuga. Por sua vez o objeto O 1 ao se movimentar dispara um evento que é tratado pelo método onboimove do objeto rebanho e pode servir de estímulo para outros objetos cujo espaço individual seja invadido. Por outro lado, quando a distância de um objeto O L identificado como líder espacial com relação ao grupo supera a distância social, o restante do rebanho tende a acompanhá-lo adotando uma direção θ ) que melhor o aproxime do líder. ( ( ) asin y θ aprox. = θ + 90 ; θ = (5) d d x = x n x ; 2 2 = x + y ; Lider onde: θ = Ângulo entre o animal e a origem do estímulo; d = Distância ao animal causador do estímulo de coesão; = Coordenadas do objeto estimulado; = Coordenadas do objeto causador do estímulo. A Figura 7 mostra a estrutura das classes rebanho e boi implementadas no simulador. Dessa forma, o rebanho virtual mantém-se coeso respeitando os limites das distâncias individuais dos animais e se desloca acompanhando o movimento de um dos líderes espaciais. 3.5 SIMULADOR DA REDE DE SENSORES FBSN Partindo dos gráficos de propagação das antenas das estações rádio base fixas (raio de cobertura) e dos nós móveis carregados pelos animais, o simulador gera no espaço de criação uma distribuição de nós fixos para um rebanho unitário, isto é, um único animal em qualquer posição da área de criação estaria sempre dentro da área de cobertura da infra-estrutura de nós fixos. y = y n y Lider

11 Simulador de deslocamento de rebanho bovino para avaliação de monitoramento baseado em redes de sensores sem fio 11 Figura 7. Classes rebanho e boi do simulador. Com o rebanho virtual em movimento utilizando o simulador de deslocamento configurado com qualquer um dos modelos implementados, é possível reduzir progressivamente a quantidade de estações fixas (ERBF) e acompanhar seu efeito no desempenho geral da rede. A situação ótima é aquela em que todos os animais podem ser alcançados se necessário através da rede de ERBT, mas um mínimo de indivíduos deve estar dentro da área de cobertura das ERBF 7 (Figura 8). 4 RESULTADOS A Figura 9 mostra uma área escolhida para testar o simulador. Trata-se de uma área de pastagem localizada na Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos da Universidade de São Paulo (21º59 S, 7 O simulador não considera interferências de sinais externos nem protocolos de comunicação paralelos. 47º27 W). No simulador foram configurados os parâmetros mostrados na Tabela 1. Os obstáculos artificiais (cercas) e naturais (restos de floresta) presentes na área real, foram representados na interface do programa. Em seguida, o software gerou uma distribuição de ERBF s para monitorar um rebanho unitário 8 (Figura 10) e criou o rebanho virtual a partir dos parâmetros configurados. Finalmente, o programa simulou o deslocamento do rebanho dentro da área de teste (Figura 11) e assim foi possível diminuir o número de ERBF até chegar à distribuição mostrada na Figura 12. Estes resultados mostram a eficiência do simulador na simulação do deslocamento do rebanho. Em estudos futuros, serão comparados os resultados do simulador 8 Esta etapa distribui as ERBF necessárias para alcançar qualquer animal sem considerar a possibilidade de ponte através das ERBT.

12 12 Arce et al. com o deslocamento de um rebanho real e será feita uma análise para determinar qual dos dois modelos de deslocamento implementados representa melhor este deslocamento. Figura 8. Situação ótima de distribuição de nós fixos. Tabela 1 Parâmetros utilizados no simulador. Parâmetro Valor Número de animais do rebanho 100 Distância social máxima 10m Distância individual mínima 7m Modelo de deslocamento Mov. Browniano Raio de cobertura ERBF 150m Cobertura dos nós sensores 50m

13 Simulador de deslocamento de rebanho bovino para avaliação de monitoramento baseado em redes de sensores sem fio 13 Figura 9. Área escolhida para teste do simulador. Figura 10. Tela do simulador com a infra-estrutura para monitorar um animal isolado.

14 14 Arce et al. Figura 11. Tela do simulador mostrando o rebanho virtual em movimento (Modelo Browniano). Figura 12. Infra-estrutura otimizada.

15 Simulador de deslocamento de rebanho bovino para avaliação de monitoramento baseado em redes de sensores sem fio 15 5 CONCLUSÃO O simulador desenvolvido permitiu reproduzir de forma realística as características do deslocamento de um rebanho bovino. Foram gerados rebanhos de 20 a 200 indivíduos e foi possível observar as interações espaciais entre os animais virtuais. Com o rebanho virtual em movimento a ferramenta apresentada nos permitiu dimensionar de forma ótima a infra-estrutura de uma rede FBSN experimental. É de singular ajuda o emprego de ferramentas como o simulador ora descrito na viabilização de técnicas de monitoramento, principalmente de rebanhos numerosos em grandes áreas de criação extensiva. Outras aplicações para essa ferramenta podem ser vislumbradas, como por exemplo, a simulação do consumo de pastos e os efeitos que a edificação de obstáculos possam causar no comportamento social animal. REFERÊNCIAS ASADA, G.; BHATTI, I.; LIN, T.H.; NAT- KUNANTHANAN, S.; NEWBERG, F.; ROFOUGARAN, R.; SIPOS, A.; VALOFF, S.; POTTIE, G.J.; KAISER, W.J. Wireless Integrated Network Sensors (WINS). Proc. of SPIE, v.3673, p , BOOCH, G.; RUMBAUGH, J.; JACOB- SON, J. The Unified Modeling Language User Guide. Addison-Wesley CONQUILLARD, P.; HILL, D.R.C. Modelisation et Simulation des Ecosystemes. Masson. Paris COSTA, M. J. R. P. Ambiência na produção de bovinos de corte a pasto. Anais de Etologia, v.18, p.26-42, CUBERT, R.M.; GOKTEKIN, T.; FISH- WICK, P. A. MOOSE: Architecture for an Object-Oriented Multimodeling Simulation System. Enabling Technology for Simulation Science. SPIE. AeroSense, Conference. Orlando. FL DE ANGELIS, D. L. J. G. Individual- Based Models and Approaches in Ecology: Populations Communities and Ecosystems. Chapman and Hall. New York EINSTEIN, A. Investigations on the theory of the Brownian Movement. Edited with notes by R. Furth. Translated by A. D. Cowper. Dover Publications, INC GREENWOOD, P. T.; RITTENHOUSE, L. R. Feeding area selection: the leaderfollower phenomena. Proc. West. Sect. Am. Soc. Anim. Sci. v.48, p , HILL, D.R.C. Object-Oriented Analysis and Simulation. Addison-Wesley HUSTON, M.; DE ANGELIS, D.; POST, W. New computer models unify ecological theory. Computer simulations shows that many ecological patterns can be explained by interactions among individual organisms. BioScience v.38 (10), p , KETTLEWELL, P. J.; MITCHELL, M. A.; MEEKS. I. R. An implantable radiotelemetry system for remote monitoring of heart rate and deep body temperature in poultry. Computers and Electronics in Agriculture. V.17, p ,1997.

16 16 Arce et al. MIN, R. B.; CHO, M. S.; ICKES, N.; SHIH, E.; SINHA, A.; WANG, A.; CHANDRAKASAN, A. Energy-centric enabling technologies for wireless sensor networks. IEEE Wireless Communications. v.9(4), p , SATO, S. Leadership during actual grazing in a small herd of cattle. Appl. Anim. Ethol. v.8, p.53-65, SILVA A.C.S.; ARCE A. C.; SOUTO S.; COSTA E.J.X. A wireless floating base sensor network for physiological response to livestock. Computers and Electronics in Agriculture. v.49(2), p , TYLER, S. J. The behaviour and social organization of the New Forest ponies. Anim. Behav. Monogr. v.5, p , 1972.