Nó Flutuante de Rede Sem Fio Para Monitoramento Aquático

Transcrição

1 Centro Universitário Do Norte Escola de Exatas Nó Flutuante de Rede Sem Fio Para Monitoramento Aquático Walter Charles Sousa Seiffert Simões Rikson Pereira de Oliveira

2 Roteiro Introdução Trabalhos Relacionados Concepção da Arquitetura Implementação do Modelo Proposto Testes e Resultados Considerações Finais 2

3 Introdução Problema Como as tecnologias de monitoramento de meios aquáticos podem ser utilizadas para auxiliar nas atividades de monitoramento físico-químico, segurança de navegação e controle do tráfego de embarcações, de forma precisa e em tempo real? 3

4 Introdução Problema Alguns dos problemas a serem tratados: Degradação das águas, principalmente em áreas de criação de peixes; Conhecimento de características físico-químicas das áreas abrangidas (vento, corrente aquática, profundidade, etc.) Percepção de animais de grande porte em áreas de balneários; Checkin de controle de posicionamento de embarcações em suas rotas; Abordagens realizadas possuem custo elevado de aquisição ou manutenção; Construções realizadas sem projetos; 4

5 Introdução UM BREVE RETRATO DOS PROBLEMAS TRATADOS 5

6 Introdução Problema - temperatura aquática Figura 1: Pescador rema em meio a peixes mortos em decorrência da seca no Amazonas, 50 Toneladas no Municípios de Manaquiri e Fonte Boa. Fonte: Portal de Nóticias g1.globo.com/ Sindpesca-AM (2015). 6

7 Problema - animais de grande porte em praias Introdução 7

8 Introdução Problema bancos de areia na seca dos rios Fonte: Portal de Nóticias (2016). 8

9 Introdução Problema bancos de areia na seca dos rios 9

10 Introdução Problema quedas de barrancos Careiro da Várzea Queda de barrancos 10

11 Objetivos Objetivo Geral do Projeto Especificar, construir e validar um Nó Flutuante de Rede Sem Fio, para coletar dados, armazená-los localmente transmiti-los através de rede DTN a um Nó Estação base para disponibilizar a base a pesquisadores e interessados. 11

12 Objetivos Objetivos Específicos Identificar um conjunto de técnicas e ferramentas para construção de nós de redes para sistemas de monitoramento em áreas fora de cobertura de sinal; Definir as hipóteses e estratégias a serem utilizadas nas construções do nó flutuante e nos sensoriamentos; Experimentar o uso do nó flutuante no monitoramento de grandezas físicoquímicas; Coletar e analisar os dados resultantes da aplicação dos métodos adotados. 12

13 Roteiro Introdução Trabalhos Relacionados Concepção da Arquitetura Implementação do Modelo Proposto Testes e Resultados Considerações Finais 13

14 Introdução Segundo Loureiro (2013), o avanço que tem ocorrido na área de microprocessadores, novos materiais de sensoriamento, microssistemas eletromecânicos (MEMS Micro Electro-Mecanical Systems) e comunicação sem fio tem estimulado o desenvolvimento e uso de sensores inteligentes em áreas ligadas a processos físicos, químicos, biológicos, dentre outros. 14

15 Introdução Segundo Sadraque et al., (2013), a pesquisa de redes de sensores aquáticos (RSAs) está ganhando atenção devido às aplicações em vários cenários, como na preservação do ecossistema, prevenção de desastres ambientais, exploração de petróleo e gás e monitoramento de reservatórios de água doce. Os principais elementos de uma RSA são os nós sensores aquáticos (NSAs). 15

16 Introdução Segundo Souza (2013), Depois de configurar os dispositivos, a fim de criar uma RSSF ponto a ponto, procedemos com os experimentos em três situações diferentes: Entre prédios, em mata fechada e em campo aberto. No primeiro experimento queríamos saber a influencia que edifícios e paredes poderiam ter no sinal e esse se mostrou o ambiente mais hostil à transmissão dos dados, pois além das paredes de alvenaria existem também no local, várias fontes de interferência como, por exemplo, uma rede Wi-fi que possui o mesmo espectro de frequência do Zigbee. 16

17 Roteiro Introdução Trabalhos Relacionados Concepção da Arquitetura Implementação do Modelo Proposto Testes e Resultados Considerações Finais 17

18 Concepção da Arquitetura A arquitetura precisa atender os seguintes passos: Coleta de Dados Faz a coleta de dados através de sensores; Armazenamento Local Temporário Armazena os dados na placa o nó base; Análise dos dados Analisa os dados recebidos através de código programação; Transmissão dos dados Transmite os dados via rede sem fio; Aplicação Mostra o resultado dos dados coletados; Nuvem Armazena os dados coletados. 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 18

19 Concepção da Arquitetura Concepção da Metodologia Construção da Arquitetura do sistema Sensoriamento Sensor 1 Transmissão DTN Sensor 2 Sensor... 19

20 Concepção da Arquitetura SIM Coleta de dados Armazenamento Local temporário (DTN) Análise dos dados Transmissão dos dados Aplicação Armazena Dados Retorna Coleta de Dados NÃO Nuvem Acesso Remoto aos Dados Coletatos 20

21 Concepção da Arquitetura Cenário de aplicação do Nó Flutuante de Rede Sem Fio comunicando-se com Nó Estação Base em uma Topologia Ponto-a-Ponto. 21

22 Concepção da Arquitetura 22

23 Concepção da Arquitetura Coleta de Dados 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 23

24 Concepção da Arquitetura Armazenamento local temporário (DTN) O armazenamento local temporário e feito após a coleta de dados realizada pelo sensor de temperatura, através de um micro SD de memória instalada em um modulo ethernet shield conectado à uma placa Microcontroladora ATmega328 que está programada para acionar o modulo de conexão sem fio zigbee. 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 24

25 Concepção da Arquitetura Redes DTN Os roteadores DTN precisam de armazenamento persistente pelos seguintes motivos: A comunicação com o próximo salto pode ficar indisponível por um grande período de tempo. Um dos nós da comunicação pode enviar dados muito mais rápido que o outro. O receptor da mensagem encaminhada pode detectar um erro e pedir a retransmissão dela. 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 25

26 Concepção da Arquitetura Redes DTN - Contatos Oportunistas Contatos oportunista são contatos que acontecem sem estarem previamente combinados. Suponha que uma pessoa deseje falar algo com outra, mas por algum motivo não consegue se comunicar com ela. Se, por sorte essas pessoas se encontrarem fisicamente no centro da cidade, elas vão ter a oportunidade de se comunicarem, e como existe o interesse de uma delas de fazê-lo, então ela o fará. 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 26

27 Concepção da Arquitetura Redes DTN - Contatos Agendados Os contatos agendados são aqueles nos quais as entidades que desejam se comunicar sabem de alguma forma quando o contato ocorrerá. Mensagens tem endereço certo. 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 27

28 Concepção da Arquitetura 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 28

29 Concepção da Arquitetura Análise de Dados Nó Flutuante de Rede Sem Fio (NFRSF) recebe a medição realizada pelo Sensor de Medição da Temperatura da Água dos 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 29

30 Concepção da Arquitetura Transmissão de Dados módulo Shield Ethernet + leitor micro SD, instalado na placa microcontroladora Arduino Uno R3 e conectada a uma antena outdoor CPE, que opera na frequência de 2.4GHZ, com ganhos de 12 Dbi, velocidade de até 150 Mbps 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 30

31 Concepção da Arquitetura Transmissão de Dados 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 31

32 Concepção da Arquitetura Aplicação Os dados coletados serão enviados para o Nó Estação Base que através do programa CoolTerm visualiza e são apresentadas as medições da temperatura da água em Graus Celsius feita pelo Nó Flutuante de Rede Sem Fio (NFRSF) e disponibilizará os dados também na web 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 32

33 Concepção da Arquitetura Nuvem Os dados recebidos pelo Nó Estação Base são armazenados em uma pasta local que ao sincronizar com a internet envia os dados para um repositório na nuvem para que os dados possam ser acessados remotamente em qualquer lugar do planeta através da internet 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 33

34 Concepção da Arquitetura O diagrama de sequência mostra todas as etapas da de coleta da informação da medição da temperatura da água dos rios, programação, conversão, envio, apresentação dos dados. 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 34

35 Roteiro Introdução Trabalhos Relacionados Concepção da Arquitetura Implementação do Modelo Proposto Testes e Resultados Considerações Finais 35

36 Implementação de Modelo O nó flutuante de rede é composto pelos seguintes hardwares: placa microcontroladora ATMega 328, sensores aquáticos, módulos de bateria, uma placa Xbee 2.4GHZ para comunicação sem fio e uma plataforma aquática. Modulo Zigbee 2.4Ghz + Shild Xbee Caixa Hermetica Modulo Ethernet Shild Arduino Uno R3 Placa Microcontroladora Madeira de Palete. Bateria de 12V e 5A Garrafão de 20l de água Sensor de Temperatura de Água 36

37 Implementação de Modelo O Nó Flutuante de Rede Sem Fio é composto: placa microcontroladora para o processamento e shield para armazenagem de dados, sensores aquáticos, módulos de bateria, Módulo Zigbee 2.4Ghz com alcance da antena outdoor para redundância na comunicação do Nó, disposto em uma plataforma aquática.. 37

38 Implementação de Modelo 38

39 Implementação de Modelo Prototipagem 39

40 Implementação de Modelo Prototipagem 40

41 Concepção da Arquitetura A estrutura do Flutuante e feita em madeira de resíduo de palhete e foi projetado em formato de uma balsa em menor escala medindo 2 metros de comprimento por 1 metro de largura e na parte superior tem ripas de palhetes com intervalos de 3 cm para passagem da água; uma base central para a fixação do suporte metálico da antena outdoor e pequenos ganchos nas extremidades para fixação dos cabos de aço da haste da antena para tencionamento. Na parte inferior do flutuante e divido por dois compartimentos cada um medindo 84 de comprimento por 1 metro de largura e uma passagem para os sensores entrarem em contato com a água. Na parte inferior ainda o flutuante e composto por 12 garrafões de água de 20 litros para a flutuação do Nó Flutuante de Rede e 12 orifícios que prendem a cabeça do garrafão na estrutura do flutuante. 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 41

42 Concepção da Arquitetura Tecnologias: O Sensor de temperatura DS18B20 à prova d água que é instalado no nó flutuante de rede permite medir a temperatura do em ambientes aquáticos e para captar e fornecer as de temperatura de 9 a 12 Bits. O Sensor DS18B20 impermeável faz a medição da temperatura com sua interface de 3 fios que são conectados na placa microcontroladora, é bastante preciso nas suas leituras de temperatura de até 12 bits, tendo uma faixa de medição de -55º C e +125º C com uma faixa de tensão de 3-5,5V. 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 42

43 Concepção da Arquitetura Tecnologias: O equipamento utilizado para o processamento do Nó Flutuante de Rede Sem Fio é a placa de microcontroladora baseada no ATmega328, um oscilador de 16MHZ, uma conexão USB, uma entrada de alimentação com voltagem de entrada de 7-12 V, este equipamento tem baixo consumo de energia e pode ser alimentado por uma conexão USB ou alimentação externa com um adaptador CA para CC ou bateria. 28/08/2009 Walter Seiffert Simões/ Rikson Pereira de Oliveira 43

44 Roteiro Introdução Trabalhos Relacionados Concepção da Arquitetura Implementação do Modelo Proposto Testes e Resultados Considerações Finais 44

45 Testes e Resultados Aplicação do Protótipo em um Cenário Real de um Porto as margens do Rio Negro. 45

46 Testes e Resultados Coleta dos dados de Temperatura da água recebido pelo Nó Estação Base sendo visualizado no software CoolTherm. 46

47 Testes e Resultados Gráficos gerado a partir da coleta dos dados de Temperatura da água recebido pelo Nó Estação Base e visualizado no software CoolTherm. 47

48 Testes e Resultados Taxa de Transferência de Pacotes Enviados e Recebidos. 48

49 Testes e Resultados Testes de Taxa de Transferência de Pacotes Enviados e Recebidos do Protótipo Nó Flutuante de Rede Sem Fio. Tabela 1 - Resultado obtidos Teste de Envio e Recebimento de Pacotes em Cenário Real Distância em Metros Tempo Pacotes Enviados em Bytes Pacotes Recebidos em Bytes 1 1minuto minuto minuto minuto minuto minuto minuto minuto

50 Roteiro Introdução Trabalhos Relacionados Concepção da Arquitetura Implementação do Modelo Proposto Testes e Resultados Considerações Finais 50

51 Considerações Finais Conclusões Neste trabalho foi construído um Nó Flutuante de Rede Sem Fio utilizando hardwares de baixo custo para coletar e monitorar dados da temperatura da água dos rios e transmitir para o Nó Estação Base em terra e poder detectar se há alterações naquele ambiente utilizando o padrão de redes DTN. O projeto de Construção de Nó Flutuante de Rede Sem Fio abre um leque de diversas aplicações de mais parâmetros da água dos rios, áreas meteorológicas e segurança em rios, esse e o primeiro projeto da região Amazônica desenvolvendo assim um pioneirismo nessa área de aplicação de tecnologia de comunicação utilizando redes sem fio no padrão da tecnologia de Rede Zigbee e aplicações de outros parâmetros da água dos rios. 51

52 Perguntas 52