MÁRIO TOSHIO RODRIGUES SAITO

MÉTODOS DE COLETA DE DADOS EM REDESDE SENSORES SEM FIO

LONDRINA–PR

2013

MÁRIO TOSHIO RODRIGUES SAITO

MÉTODOS DE COLETA DE DADOS EM REDESDE SENSORES SEM FIO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentadoao curso de Bacharelado em Ciência da Com-putação da Universidade Estadual de Lon-drina para obtenção do título de Bacharel emCiência da Computação.

Orientador: Prof(a). Dr(a). Nome do(a) Ori-entador(a)Coorientador: Prof(a). Dr(a). Nome do(a)Coorientador(a)

LONDRINA–PR

2013

Mário Toshio Rodrigues SaitoMétodos de Coleta de Dados em Redes de Sensores Sem Fio/ Mário Toshio

Rodrigues Saito. – Londrina–PR, 2013-35 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Orientador: Prof(a). Dr(a). Nome do(a) Orientador(a)

– Universidade Estadual de Londrina, 2013.

1. Palavra-chave1. 2. Palavra-chave2. I. Orientador. II. Universidade xxx. III.Faculdade de xxx. IV. Título

CDU 02:141:005.7

MÁRIO TOSHIO RODRIGUES SAITO

MÉTODOS DE COLETA DE DADOS EM REDESDE SENSORES SEM FIO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentadoao curso de Bacharelado em Ciência da Com-putação da Universidade Estadual de Lon-drina para obtenção do título de Bacharel emCiência da Computação.

BANCA EXAMINADORA

Prof(a). Dr(a). Nome do(a) Orientador(a)Universidade Estadual de Londrina

Orientador

Prof. Dr. Segundo Membro da BancaUniversidade/Instituição do Segundo

Membro da Banca

Prof. Msc. Terceiro Membro da BancaUniversidade/Instituição do Terceiro

Membro da Banca

Londrina–PR, 24 de novembrode 2013

LONDRINA–PR2013

Este trabalho é dedicado às crianças adultas que,quando pequenas, sonharam em se tornar cientistas.

AGRADECIMENTOS

Os agradecimentos principais são direcionados à Gerald Weber, Miguel Frasson,Leslie H. Watter, Bruno Parente Lima, Flávio de Vasconcellos Corrêa, Otavio Real Sal-vador, Renato Machnievscz1 e todos aqueles que contribuíram para que a produção detrabalhos acadêmicos conforme as normas ABNT com LATEX fosse possível.

Agradecimentos especiais são direcionados ao Centro de Pesquisa em Arquiteturada Informação2 da Universidade de Brasília (CPAI), ao grupo de usuários latex-br3 e aosnovos voluntários do grupo abnTEX2 4 que contribuíram e que ainda contribuirão para aevolução do abnTEX2.

1 Os nomes dos integrantes do primeiro projeto abnTEX foram extraídos de http://codigolivre.org.br/projects/abntex/

2 http://www.cpai.unb.br/3 http://groups.google.com/group/latex-br4 http://groups.google.com/group/abntex2 e http://abntex2.googlecode.com/

“Não vos amoldeis às estruturas deste mundo,mas transformai-vos pela renovação da mente,a fim de distinguir qual é a vontade de Deus:

o que é bom, o que Lhe é agradável, o que é perfeito.(Bíblia Sagrada, Romanos 12, 2)

SAITO, M. T. R.. Métodos de Coleta de Dados em Redes de SensoresSem Fio. 35 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação). Bachareladoem Ciência da Computação – Universidade Estadual de Londrina, 2013.

RESUMO

Segundo a ??, 3.1-3.2, o resumo deve ressaltar o objetivo, o método, os resul-tados e as conclusões do documento. A ordem e a extensão destes itens dependem dotipo de resumo (informativo ou indicativo) e do tratamento que cada item recebe nodocumento original. O resumo deve ser precedido da referência do documento, comexceção do resumo inserido no próprio documento. (. . . ) As palavras-chave devemfigurar logo abaixo do resumo, antecedidas da expressão Palavras-chave:, separadasentre si por ponto e finalizadas também por ponto.

Palavras-chave: latex. abntex. editoração de texto.

SAITO, M. T. R.. A Data Collection Methods in Wireless SensorNetworks . 35 p. Final Project (Undergraduation). Bachelor of Science inComputer Science – State University of Londrina, 2013.

ABSTRACT

This is the english abstract. The Abstract in English should be faithful tothe Resumo in Portuguese, but not a literal translation.

Keywords: latex. abntex. text editoration.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Exemplo de um nó sensor( Mica2 mote) [1]. . . . . . . . . . . . . . . . 29Figura 2 – Exemplo de um nó sensor(Smart Dust). . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Figura 3 – RSSF - Rede ad-hoc [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Figura 4 – Exemplo de uma RSSF para monitoramento da saúde remotamente. [1] 31Figura 5 – Topologias estrelas e peer-to-peer. [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

LISTA DE TABELAS

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

Fig. Area of the 𝑖𝑡ℎ component

456 Isto é um número

123 Isto é outro número

lauro cesar este é o meu nome

LISTA DE SÍMBOLOS

Γ Letra grega Gama

Λ Lambda

𝜁 Letra grega minúscula zeta

∈ Pertence

SUMÁRIO

Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

I Preparação da pesquisa 27

1 Redes de Sensores Sem Fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Neste capitulo serão abordados conceitos importantes sobre RSSF.

1.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291.2 IEEE 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.2.1 Topologia de Rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

25

INTRODUÇÃO

Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) possuem um papel importante na Internet dasCoisas. As RSSF têm como principal objetivo interligar os objetos do cotidiano com a In-ternet, estabelecendo uma ponte entre o mundo físico e o mundo real [4]. Essas tecnologiasauxiliam o desenvolvimento de Cidades Inteligentes. Combinando funções governamentais,sociais e Tecnologia da Informação e Comunicação (TIC), a Cidade inteligente fornece ser-viços que buscam a solução dos problemas de grandes centros urbanos [5], visando sempreo crescimento econômico e a o bem estar dos cidadãos [6]. RSSF são compostas de grandequantidade de nós sensores que são implantados próximos ao fenômeno que se quer obser-var [2]. As RSSF ajudam no monitoramento das cidades tendo como alvo: o controle detráfego, segurança, rede elétrica, esgoto, abastecimento de agua, tratamento de resíduos,esgoto entre outros [7], que são pontos fundamentais de cada cidade. Para obter os dadosdos sensores são utilizadas tecnologias como o CoAP que é um protocolo de transferên-cia para sistemas distribuídos, entre outras tecnologias que serão alvo de pesquisa destetrabalho.

Parte I

Preparação da pesquisa

29

1 REDES DE SENSORES SEM FIO

Neste capitulo serão abordados conceitos importantes sobre RSSF.

1.1 INTRODUÇÃO

As RSSF são compostas de vários pequenos equipamentos (na ordem de grandezade milímetros cúbicos a centímetros cúbicos), formados por uma placa de circuito inte-grado, contem um ou mais sensores e possui capacidade de processamento, comunicaçãode dados e energia própria [8]. Cada um desses pequenos equipamentos de uma RSSF sãochamados nós [2]. Na figura 1 e Figure 3 mostram exemplos nós sensores.

Figura 1 – Exemplo de um nó sensor( Mica2 mote) [1].

Figura 2 – Exemplo de um nó sensor(Smart Dust).

As RSSF possuem um grande número nós, operam de forma autonoma, tem ener-gia limitada, e são auto-gerenciadas (auto-configuração, autoproteção, etc.) pois podemtrabalhar em áreas remotas. Como os nós são limitados na questão de energia, poder

30 Capítulo 1. Redes de Sensores Sem Fio

de processamento e memória [2], não é possível à reutilização de algoritmos tradicionais,tendo que ser desenvolvidos novos algoritmos. Em uma RSSF os nós sensores são implan-tados próximos ao fenômeno que se quer observar [2], e formam uma rede sem fio ad hocque coleta dados de interesse, realiza processamento local, e dissemina as informações paraum ponto de acesso chamado nó sorvedouro (sink) [2] em um esquema de comunicaçãomulti-saltos (multi-hop). Na Figure 3 ilustra a rede ad-hoc com o nó sink.

Figura 3 – RSSF - Rede ad-hoc [2]

A Figure 4 mostra uma estrutura básica de uma RSSF para monitoramento dasaúde, composta por nós sensores que coletam parâmetros fisiológicos, como frequênciacardíaca e os níveis de oxigênio no sangue, nós sensores que coletam dados ambientais eagem como uma infra-estrutura de comunicação, várias interfaces de usuário, como PCse PDAs e um bancos de dados back-end utilizadas para gravar os dados usados para fazeranalises sobre a saúde e as necessidades dos indivíduos.

1.1. Introdução 31

Figura 4 – Exemplo de uma RSSF para monitoramento da saúde remotamente. [1]

Basicamete RSSF tem aplicação nas seguintes áreas:

∙ Controle. Para prover algum mecanismo de controle. Por exemplo em uma indus-tria, sensores sem fio podem ser embutidos em “peças” numa linha de montagempara fazer testes no processo de manufatura.

∙ Ambiente. Para monitorar variáveis ambientais tanto internas, como uma residen-cia quanto externos, um deserto por exemplo.

∙ Tráfego. Para monitorar tráfego de veículos em rodovias, em vias urbanas, etc.

∙ Segurança. Para prover segurança em centros comerciais, lojas, etc.

∙ Medicina/Biologia. Para monitorar o funcionamento de órgãos como o coração,detectar a presença de substância que indicam um risco biológico.

∙ Militar. Para detectar movimentos inimigos, explosões, a presença de material pe-rigoso como gás venenoso ou radiação, etc. Neste tipo de aplicação, os requisitos desegurança são fundamentais.

Atualmente já existem exemplos práticos de aplicações de RSSFs [8]:

∙ Produção Industrial. Em indústrias petroquímicas, monitoramento de fluxo, pres-são, temperatura e nível, identificando problemas como vazamento e aquecimento.

32 Capítulo 1. Redes de Sensores Sem Fio

∙ Distribuição de energia, gás e água. Monitoramento de de fluxo, pressão,temperatura e nível.

∙ Áreas industriais. Monitoramento de dados em área de difícil acesso ou perigosa.

1.2 IEEE 802.15.4

O principal padrão de rede que uma RSSF utiliza é o IEEE 802.15.4, que é umpadrão para a low-rate wireless personal area networks (LR-WPANs), que são redes semfio com baixas taxas de transmissão [3], e visam o baixo consumo de energia [9]. O padrãoIEEE 802.15.4 surgiu para suprir a necessidade das RSSF que utilizam dispositivos debaixo custo e consumo de energia. O IEEE 802.15.4 define especificações para a camadafísica (PHY, do inglês physical) e para a subcamada de acesso ao meio (MAC, MediaAccess Control, ou Controle de Acesso ao Meio). Os principais objetivos do padrão IEEE802.15.4 são de ter uma facilidade na instalação, transferência de dados confiáveis, operarem curta distância, visa dispositivos de custo baixo, visa o baixo consumo das baterias,manter um protocolo simples e flexível [3].

Principais características do padrão IEEE 802.15.4 são:

∙ Taxas de transmissão de 250Kbps, 40Kbps e 20Kbps;

∙ Topologias em estrela e ponto-a-ponto(peer-to-peer);

∙ Endereçamento de 16 bits (curto) ou 64 bits (estendido);

∙ Alocação garantida de time slots;

∙ Acesso ao meio utilizando CSMA-CA;

∙ Protocolo de reconhecimento para transferência confiável;

∙ Baixo consumo de energia;

∙ Detecção de energia;

∙ Indicação de qualidade de enlace;

∙ 16 canais na banda de 2450MHz, 10 canais na banda de 915MHz e 01 canal nabanda de 868MHz

1.2.1 Topologia de Rede

Conforme a aplicação uma LR-WPAN pode utilizar duas topologias: topologiapeer-to-peer e em estrela.

1.2. IEEE 802.15.4 33

Na topologia em estrela, existe um nó coordenador central chamado de coorde-nador PAN (Personal Area Network coordinator), na rede os demais nós se comunicamcom esse nó central que tem como funções específicas iniciar, terminar ou encaminhar acomunicação na rede [3]. O nó coordenador PAN é um dispositivo FFD( Full-FunctionDevice), como um roteador, que controla a rede, logo possui uma maior carga de trabalho,e consome mais energia, geralmente é alimentado por meios externos de energia.

Na topologia peer-to-peer também existe o coordenador PAN, mas é diferenteda topologia em estrela, pois os demais nós podem se comunicar diretamente entre si(se estiver no raio de alcance), essa característica permite a implementação de redes maiscomplexas, como a topologia em malha, comum em RSSF. A Figure 5 ilustra as topologiasem estrela e peer-to-peer.

Figura 5 – Topologias estrelas e peer-to-peer. [3]

35

REFERÊNCIAS

1 STANKOVIC, J. Wireless sensor networks. Computer, v. 41, n. 10, p. 92–95, 2008.ISSN 0018-9162.

2 AKYILDIZ, I. F. et al. Wireless sensor networks: a survey. Comput. Netw., ElsevierNorth-Holland, Inc., New York, NY, USA, v. 38, n. 4, p. 393–422, mar. 2002. ISSN1389-1286. Disponível em: <http://dx.doi.org/10.1016/S1389-1286(01)00302-4>.

3 IEEE Standard for Information Technology - Telecommunications and InformationExchange Between Systems - Local and Metropolitan Area Networks SpecificRequirements Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs).IEEE Std 802.15.4-2003, p. 01–670, 2003.

4 ITU. ITU Internet Reports 2005 the Internet of Things. [S.l.]: InternationalTelecommunication Union, 2005.

5 ASIMAKOPOULOU, E.; BESSIS, N. Buildings and crowds: Forming smart citiesfor more effective disaster management. In: Innovative Mobile and Internet Services inUbiquitous Computing (IMIS), 2011 Fifth International Conference on. [S.l.: s.n.], 2011.p. 229–234.

6 IBM. Cidades Inteligentes. 2013. Disponível em : http://www.ibm.com/smarterplanet/br/pt/smarter_cities/overview/. Acesso em: 11 mai 2013.

7 FERRANDIS, D.; CLIMENT, S.; PAYAá, V. Enabling quick deployment wirelesssensor networks for smart cities. In: Factory Communication Systems (WFCS), 2012 9thIEEE International Workshop on. [S.l.: s.n.], 2012. p. 83–86. ISSN Pending.

8 LOUREIRO, A. A. et al. Redes de sensores sem fio. In: Simpósio Brasileiro de Redesde Computadores (SBRC). [S.l.: s.n.], 2003. p. 179–226.

9 MONTENEGRO, G. et al. Rfc 4944. Transmission of IPv6 packets over IEEE, v. 802,n. 4.