Instituto de Informática, UFRGS Departamento de Engenharia Elétrica, UnB E-mail: edisonpignaton@unb.br

Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012. INTEGRAÇÃO ENTRE DISPOSITIVOS MÓVEIS E ESTÁTICOS DE REDES DE SENSORES SEM FIO PARA MONITORAMENTO ANIMAL ATRAVÉS DE ALGORITMO BIO INSPIRADO EDISON PIGNATON DE FREITAS Instituto de Informática, UFRGS Departamento de Engenharia Elétrica, UnB E-mail: edisonpignaton@unb.br IVAN MÜLLER, CARLOS EDUARDO PEREIRA Departamento de Engenharia Elétrica, UFRGS E-mails: ivan.muller@ufrgs.br, cpereira@ece.ufrgs.br NAYLOR BASTIANI PEREZ Embrapa Pecuária Sul E-mail: naylor@cppsul.embrapa.br LEONARDO BIDESE DE PINHO Universidade Federal do Pampa, Campus Bagé E-mail:leonardopinho@unipampa.edu.br Abstract Increase the efficiency of farming practices is a fundamental need in times of globalization, and strategic part of governmental actions at the national and state levels. To this end, automated management technologies have been proposed and incorporated in commercial production environments. One of the technologies employable in this context is wireless sensor networks, using static and mobile sensors. A major obstacle has been the technological autonomy of these systems, dependent on conventional batteries to meet power demands. In order to make these systems feasible, it is necessary to employ strategies to reduce consumption, especially those related to communication requirements. In this work, a bio-inspired communication algorithm, developed for effective communication between mobile and fixed nodes is presented. The system is simulated and the results showed to be feasible in practice. Keywords Wireless sensor networks, Routing algorithms, Bio inspired algorithms, Unmanned aerial vehicles. Resumo Aumentar a eficiência das práticas agropecuárias é uma necessidade fundamental em tempos de globalização e, desta forma, faz parte das ações estratégicas governamentais em âmbito nacional e estadual. Para tanto, tecnologias automatizadas de manejo têm sido propostas e inseridas comercialmente nos ambientes de produção. Uma das tecnologias empregáveis neste contexto são as redes de sensores sem fio, empregando sensores estáticos e móveis. Um grande entrave tecnológico tem sido a autonomia destes sistemas, dependente de baterias convencionais para suprir as demandas de energia. Com o objetivo de tornar factíveis estes sistemas, faz-se necessário o emprego de estratégias de redução de consumo, especialmente no que se refere aos requisitos de comunicação. Neste trabalho, um algoritmo de comunicação bio inspirado, desenvolvido para tornar eficaz a comunicação entre nós fixos e móveis é apresentado. A simulação do sistema desenvolvido apresenta resultados factíveis para uso na prática. Palavras-chave Redes de sensores sem fio, Algoritmos de roteamento, Algoritmos bio inspirados, Veículos aéreos não tripulados. 1 Introdução Aumentar a eficiência das práticas agropecuárias é uma necessidade fundamental em tempos de globalização, e faz parte das ações estratégicas governamentais em âmbito nacional e estadual. Para tanto, tecnologias automatizadas de manejo têm sido propostas e inseridas comercialmente nos ambientes de produção. Uma das tecnologias empregáveis neste contexto são as redes de sensores sem fio (RSSF), apontada como uma das mais promissoras tecnologias para o século 21 (Business Week, 1999). As RSSF apresentam-se como uma ferramenta para sensoriamento distribuído de fenômenos ambientais, processamento de dados e disseminação de informações. São sistemas capazes de capturar e processar dados, os quais usam enlaces de rádio para transmitir dados entre os sensores e um servidor. Soluções baseadas em tais sistemas têm sido viabilizadas em função do crescente e rápido avanço tecnológico da eletrônica, em termos de semicondutores, circuitos integrados e de MEMS (micro electricalmechanical systems). Sensores autônomos são dispostos em ambientes externos e se comunicam com um nó sorvedouro. O processamento dos dados coletados pode ser feito em um computador pessoal, com 1932

Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012. um programa específico para a aplicação necessária. Os nós sensores podem ser estáticos ou móveis, como no caso destes estarem presos a elementos a serem monitorados (animais de um rebanho), que tenham capacidade de movimentação própria (um veículo sob controle da administração da rede) ou por ação de terceiros (um sensor em uma roupa). São inúmeros os exemplos de utilização de uma RSSF: aplicações militares (monitoramento de inimigos); agricultura (controle de irrigação); pecuária (rastreamento de animais); ambiental: (monitoramento de locais de difícil acesso e grandes extensões como florestas, vulcões e oceanos); residências inteligentes com controles de temperatura e iluminação (CHRISTIN et al., 2009). Particularmente, a utilização combinada de nós sensores estáticos e móveis é uma abordagem muito útil, que proporciona flexibilidade e pode melhorar os resultados fornecidos por uma RSSF. Um campo de interesse para o emprego de RSSF composta por nós sensores móveis e estáticos reside na área de vigilância, que tem aplicação em diferentes domínios, tanto militares quanto civis. Dentre as aplicações importantes, o rastreamento e monitoramento de animais, tais como rebanhos ovinos e bovinos, é especialmente interessante para o país. Neste trabalho, é proposto o desenvolvimento de uma solução inovadora baseada no uso integrado de tecnologias de VANT (veículos aéreos não tripulados) e RSSF aplicado ao manejo extensivo em contexto de integração lavoura-pecuária. Como foco de estudo de caso inicial, o protótipo desenvolvido será avaliado como suporte ao manejo integrado de forrageiras e rastreamento bovino/ovino em tempo real, visando identificação comportamental dos animais e o combate ao abigeato (roubo de gado). Esta solução, combinada com o desenvolvimento de sensores avançados baseados em MEMS, permitirá adicionalmente viabilizar o monitoramento de processos fisiológicos que, associados ao comportamento dos animais, permitirão um maior bem estar aos animais já que agregará às práticas extensivas, aspectos usuais do manejo intensivo sem o estresse causado pelo confinamento. Com base neste contexto, este trabalho apresenta a proposta do uso de RSSF composta de nós sensores estáticos (estações rádio-base) e móveis (animais monitorados e VANTs). Com o intuito de produzir uma solução de baixo consumo de energia, propõe-se uma abordagem biologicamente inspirada, para apoiar a interoperação entre os nós sensores (FREITAS, 2011). Esta solução viabilizará o estudo futuro, que levará ao desenvolvimento de um sistema factível, em que o consumo de energia de uma bateria deverá ser equivalente ao tempo de vida do animal. (MOLIN, 2012). Em um exemplo recente, os VANTs são responsáveis pela aplicação de defensivos químicos em lavouras (COSTA et al., 2011). Outra forma de aplicar VANTs neste contexto é o uso de registros fotográficos do solo para identificação de microrregiões que demandam manejo diferenciado no que se refere ao plantio de forrageiras e outras culturas, em especial nos ambientes de integração lavourapecuária. Um ponto de interesse em especial, é o uso de VANTs para a captação e posterior processamento offline de imagens. Estas, obtidas com o uso de termocâmeras capazes de captar radiações além da faixa de espectro de luz visível, permitem a obtenção de dados sobre características do solo relacionadas à produção de grãos e pasto, como fertilidade e textura, além de características da vegetação. Desta forma, é possível realizar a caracterização adequada de locais que devem receber tratamento diferenciado no plantio e na irrigação. No que se refere ao rastreamento de animais, cabe destacar que este é atualmente utilizado para garantia de procedência da carne após o abate, verificação de dados zootécnicos e inspeção sanitária. Por outro lado, existe o desafio de ampliar o aproveitamento das funcionalidades viabilizadas pelo uso de redes de sensores para a pecuária, implementando de forma eficiente (relação custo-desempenho que viabilize economicamente a solução), o monitoramento em tempo real do posicionamento dos animais em relação aos limites geográficos de uma propriedade rural. Com este mapeamento, será possível identificar o animal imediatamente e assim coibir crimes de abigeato que são recorrentes no Brasil. Além desta aplicação, também é possível melhorar outros aspectos de manejo por meio do acompanhamento em tempo real dos sinais vitais dos animais (temperatura, frequência cardíaca, etc.). Isto viabiliza o acompanhamento clínico sem a necessidade de separar o animal do rebanho e, principalmente, possibilita a detecção dos primeiros sintomas de problemas de saúde que, no futuro, possam afetar não apenas o animal doente, mas também contaminar o restante do rebanho. A Figura 1 ilustra um sistema de monitoramento de animais, integrando nós sensores móveis e estáticos. Neste tipo de monitoramento, os sensores móveis são os próprios animais e o VANT. Os sensores fixos são estações rádio base de baixo consumo (não são estações de telefonia celular), que atuam como pontos fixos de referência geográfica e de coleta de dados. 2 Motivação Veículos aéreos não tripulados já vêm sendo estudados como solução para algumas atividades relacionadas à agricultura de precisão há algum tempo Figura 1. Sistema de rastreamento e monitoramento de animais utilizando RSSF com nós fixos e móveis. 1933

Tomando como exemplo a produção ovina no Rio Grande do Sul, verifica-se que o esquema de manejo segue o tradicional, baseado no conhecimento prático dos produtores, adquirido através dos anos, com deficiente controle efetivo do rebanho e pouca aplicação de tecnologias, o que acarreta em baixa produtividade. Uma produção eficiente está baseada na aplicação de critérios técnicos, alguns considerados básicos e outros avançados. Os critérios básicos de produção podem ser agrupados em: (i) Tipo de produto a ser produzido, pela definição dos objetivos, raça a ser criada e número de animais em função do tamanho da área (o que se quer produzir, com qual raça e em que espaço); e (ii) Práticas de manejo adequadas ao sistema de produção escolhido pelo produtor, avaliando sempre, as características de clima e mercado de cada região. No que se refere às práticas de manejo, cabe destacar que o esquema básico de produção ovina no Brasil é extensivo, com algumas variações entre as diferentes regiões do país, decorrentes das adaptações ao clima e mercado de cada região. Além de ser extensiva, a criação ovina é realizada com outras espécies animais, por exemplo, com bovinos e ou caprinos. Além disto, também é explorada com a agricultura e a fruticultura. Esta situação faz com que as técnicas empregadas na produção ovina sejam reduzidas e orientadas fundamentalmente a aspectos de manejo (VAZ et al., 2008). Baseando-se na motivação apresentada, o presente trabalho versa sobre técnicas de disseminação de dados em RSSF composta por nós móveis e estáticos. Um dos grandes entraves tecnológicos do momento para uma maior adoção de soluções baseadas em RSSF é a questão do consumo de energia. Esta questão se estende desde o nó móvel, aplicado no animal, ao nó móvel voador, o VANT. Almejando manter o consumo de energia o mais baixo possível, é necessário pesquisar e desenvolver algoritmos que maximizem o tempo de vida destes nós, caso contrário, o sistema não é factível. Para atingir este objetivo, propõe se neste trabalho uma técnica biologicamente inspirada para controle do fluxo de comunicação entre os nós móveis e estáticos, com o intuito de minimizar os custos de energia devidos à disseminação de dados pela rede. Uma vez desenvolvidos os algoritmos de comunicação, estes serão empregados em uma RSSF mista, utilizada para rastreamento e monitoramento de animais. 3 Roteamento bio inspirado de mensagens. O fluxo de comunicações entre os diversos nós de uma RSSF pode ser coordenado de diversas formas. Neste trabalho, faz-se uso de diferentes tipos de nós que cooperam em uma abordagem biologicamente inspirada, que explora o comportamento das formigas seguindo trilhas. A justificativa para essa a- bordagem é evitar a comunicação desnecessária entre os nós sensores de uma rede, em uma tentativa de salvar seus recursos de energia de modo que o tempo de vida de toda a rede pode ser maximizado. Alimentados por baterias, os nós sensores têm energia limitada, que deve ser poupada da melhor forma. Não é realista pensar que as baterias dos nós sensores devam ser substituídas com frequência, especialmente em aplicações em campo. Assim, é importante que elas durem tanto quanto o necessário, como o tempo de vida do animal, neste caso. Mas como este período de tempo não é determinístico é desejável que durem tanto tempo quanto possível. Considerando a operação usual dos nós sensores de uma RSSF, grande parte da energia é gasta no processo de comunicação. Esta é, portanto, uma das atividades de maior consumo de energia (MINI, 2009). A fim de prolongar o tempo de vida útil da bateria, a comunicação tem de ser usada com cautela, ou seja, de forma a mais reduzida (eficiente) possível. Uma possibilidade é reduzir o número de mensagens trocadas entre os nós da rede. Neste trabalho, o problema específico a ser analisado diz respeito à forma como uma mensagem de alarme trafega na rede. Mensagens de alarmes podem indicar diversos eventos de interesse, como um evento de abigeato, ou elevação de temperatura corporal do animal, por e- xemplo. As mensagens são enviadas pelos nós sensores da rede, a fim de alcançar os nós estáticos sorvedouros ou os nós móveis monitoradores (os VANTs), o que chamamos de entrega de alarme. Soluções convencionais empregam alguma variação de inundação de dados (flooding), na ocasião em que um nó sensor detecta algum evento de interesse. Neste tipo de solução, uma mensagem de alarme é emitida e repetida por todos os nós sensores vizinhos até atingir um nó de interesse, uma estação base ou um VANT, por exemplo. Este tipo de solução é trivial, mas não é eficiente, devido a grande redundância de mensagens enviadas na rede, que leva ao fim prematuro dos recursos de energia dos nós sensores. Para fazer nós sensores estáticos e móveis cooperarem de forma energeticamente eficiente, é necessário desenvolver uma solução de comunicação não trivial como as baseadas em inundação. 3.1 Entrega de alarme baseada em feromônios. Para resolver o problema do consumo de energia da entrega de alarme, a abordagem proposta utiliza um mecanismo descentralizado, que emprega feromônios artificiais, inspirada no mecanismo biológico utilizado pelas formigas para localizar e transportar comida na natureza (DORIGO 1999). Feromônios artificiais são geralmente aplicados à coordenação e distribuídas por meio de um conceito conhecido como stigmergy, a comunicação indireta com o meio ambiente através de pistas ou rastros (BONABEAU, 1999). Marcas de feromônios são depositadas no meio ambiente formando um rastro enquanto entidades biológicas, tais como as formigas, estão se movendo. O feromônio fornece informações para outras entidades quando estas passam sobre ele. Assim como os naturais, os feromônios artificiais também per- 1934

dem a sua força ao longo do tempo, seguindo o modelo de evaporação real. Neste trabalho, os feromônios são utilizados para orientar as mensagens de alarme emitidas por um nó sensor da rede até que o alarme seja entregue à estação base. Quando um e- vento é detectado e uma mensagem de alarme é emitida, esta mensagem tem de chegar a um ponto de interesse na rede, para que se possa responder ao alarme. Isto é realizado através do encaminhamento da mensagem para o sensor móvel (animais) que tem a marca de feromônio mais forte sobre a área. Em seguida, a mensagem de alarme é entregue para os nós sensores móveis (VANTs), que irão se mover para a área onde o alarme foi gerado, para posterior coleta de dados tais como imagens. Esta estratégia é denominada heurística-p. Seguindo os princípios anteriormente descritos, os nós sensores móveis guardam a informação do feromônio que é difundido como um balizador para o nó de referência. Este nó de referência pode ser uma estação rádio base ou um VANT, que realiza patrulhas rotineiras na área de interesse. As marcas de feromônios são recolhidas pelos nós sensores móveis ou estáticos implantados na área. Quando um evento é detectado por um sensor, este emite um alarme que é encaminhado através da rede. A mensagem de a- larme funciona como uma formiga que se move na direção da fonte de alimento, i.e. que aponta para os outros nós que têm a marca de feromônio mais forte na redondeza. Isto significa que a mensagem se move entre os nós através de uma trilha de feromônio na direção que aponta para o nó que mais recentemente recebeu a baliza. O algoritmo heurístico-p apresenta uma estratégia semelhante a migração de serviços entre sensores de uma rede apresentada em (HEIMFARTH, 2008). A concentração de feromônios determina os locais onde os serviços são necessários, e estes por sua vez realizam movimentos na direção indicada por estas concentrações. A Figura 2 ilustra um exemplo de como uma mensagem de alarme emitida por um nó sensor (Figura 2a) é encaminhada através da rede seguindo a trilha de feromônio (Figuras 2b a 2d), até que atinja um nó sensor móvel (Figura 2e). Este processo é chamado acompanhamento ou seguimento de trilha. As marcas de feromônios nos nós são ilustradas por números colocados no centro dos círculos. Quanto maior o número, mais forte a marca do feromônio. Neste exemplo, o número 10 representa o nível de feromônio mais alto. Um número zero representa a situação oposta, em que o nó sensor não tem nenhuma marca de feromônio. Com o objetivo de conferir robustez à proposta, no caso de um alarme emitido por um nó que tem traço de feromônio (marca de feromônio sobre ele), a direção é aleatoriamente escolhida e a mensagem de alarme segue nesta direção até encontrar uma trilha de feromônio. Quando uma marca de feromônio é encontrada em um nó, ele segue a respectiva trilha, conforme explicado anteriormente. Esta situação é mais provável de ocorrer durante a inicialização do sistema e, em casos em que o número de nós de sensores móveis implantados no sistema é muito baixo e/ou o tamanho da trilha é pequeno em relação ao tamanho da área. Figura 2. Exemplo de alarme enviado pela rede através de marcas de feromônios (FREITAS, 2011). 4 Estudo de caso Com o intuito de validar o algoritmo de comunicação bio inspirado e aplicá-lo futuramente no sistema de rastreamento e monitoramento de animais, foram realizados diversos experimentos simulados. Os experimentos foram conduzidos por meio de simulações utilizando simulador GrubiX para redes sem fio (HEIMFARTH, 2011). O objetivo destes experimentos foi avaliar o mecanismo proposto para 1935

entregar mensagens entre os nós sensores, em comparação com soluções de referência, ótima e baseada em inundações. A solução ideal (ótima) considera o caminho mais curto para encaminhar mensagens a partir do nó sensor de alarme emissor para o próximo nó sensor, enquanto que a transmissão por inundação parte do nó emissor de alarme para todos nodos vizinhos até que o alarme seja entregue ao nó de interesse. Os principais parâmetros utilizados nas simulações são apresentados na Tabela 1. Parâmetro Valor Área 10 km x 10 km Densidade de nós 50 nós por km 2 Número de nós móveis 4 Faixa de comunicação 350-500m Número de eventos 1, 3, 5 e 7 Tabela 1. Parâmetros de simulação utilizados. Na Figura 3 é possível observar que, através do uso de heurística-p, um número consideravelmente menor de mensagens são enviadas na rede quando comparado à solução baseada em inundações. Quando comparado com um ótimo, é possível observar que o resultado obtido pela abordagem proposta não está muito longe do ideal. É importante mencionar que este é um ótimo teórico, uma vez que não é viável na prática. Uma solução deste tipo exigiria as tabelas de roteamento sendo atualizadas a cada vez que a topologia da rede fosse alterada devido ao movimento dos nós móveis. Esta solução de referência ideal utiliza uma visão da rede do tipo "oráculo", pois deve consultar as variáveis de estado internas da simulação. Figura 3. Gráfico do resultado do custo em função do número de mensagens enviadas (FREITAS, 2011). 5 Conclusões Este trabalho propõe o uso de sensores estáticos e móveis para redes de sensores sem fio em aplicação de rastreamento e monitoramento de animais. Com o objetivo de reduzir ao máximo o consumo de energia devido à comunicação, um algoritmo bio inspirado é apresentado e simulado extensivamente. Os resultados denotam a viabilidade da proposta, tendo em vista a comparação entre o algoritmo proposto, o algoritmo mais utilizado em RSSF (flooding) e a solução de referência ótima (que não é factível). Os próximos trabalhos são relativos à aplicação destes algoritmos na aplicação prática de monitoramento e rastreamento animal, em um projeto já em andamento. Consideramos esta motivação nobre, uma vez que eleva a qualidade do produto e reduz desperdícios de alimentos. Agradecimentos Agradecemos ao CNPq e a CAPES pela provisão de bolsas de estudo, sem as quais não seria possível a realização deste trabalho. Também agradecemos ao INCT Namitec e em particular à subárea A1-6 (Monitoramento e rastreamento animal). Referências Bibliográficas Business Week: 21 ideas for the 21st century, pages 78 167, Aug. 30, 1999. Christin, D., Reinhardt, A., Mogre P.S., and Steinmetz, R. Wireless Sensor Networks and the Internet of Things: Selected Challenges. In Proceedings of the 8th GI/ITG KuVS Fachgespräch "Drahtlose Sensornetze", Hamburg, Germany, August 2009, p. 31-33. Freitas, E.P. Cooperative Context-Aware Setup and Performance of Surveillance Missions using Static and Mobile Wireless Sensor Networks. 2011. 299 p. Ph.D. Thesis - Informatics Institute, Federal University of Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brazil, 2011. Costa, F., Torsten, B., Ueyama, J. Pessin, G., Osório, F. S.., Arquitetura baseada em veículos aéreos não tripulados e redes de sensores sem fio para aplicações agrícolas. VIII Congresso Brasileiro de Agroinformática (SBIAgro 2011), Outubro 2011. Molim, José Paulo, Agricultura de Precisão, Abril 2012, http://www.agriculturadeprecisao.org.br/ Vaz, Clara et al., Sistema de criação de ovinos nos ambientes ecológicos do sul do Rio Grande do Sul, Embrapa Pecuária Sul, Sistema de Produção, 2, Agosto 2008, ISSN 1679-3641. Mini, R. A. F., Loureiro, A. A. F. Energy in Wireless Sensor Networks. Middleware for Network Eccentric and Mobile Applications. B.Garbinato, H. Miranda, L. Rodrigues, Eds., Springer, 2009, p. 3-24. Dorigo M. and Di, C.G. Ant Colony Optimization: A New Meta-Heuristic. In Proceedings of 1999 Congress on Evolutionary Computation, Washington DC, USA, July 1999, p. 1470-1477. 1936

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