Uma rede de sensores sem fio (RSSF) pode ser definida como uma rede sem fio de dispositivos autônomos que contêm sensores, distribuídos espacialmente para monitorar fenômenos físicos ou ambientais. Os sensores (chamados de nós) podem ser posicionados a diversas distâncias do fenômeno sendo medido, o que não é possível com redes de sensores tradicionais. Os nós podem se comunicar entre si por meio de uma rede ad-hoc sem fio, sem a necessidade de uma estação base, ou diretamente a um gateway.

Os nós de sensoriamento são compostos por um sensor, memória, micro controlador, um transceptor sem fio e uma bateria. A rede é formada por estes nós, o gateway que conecta a rede e o computador, e a estação base, que é o dispositivo receptor das informações do gateway para armazenamento e análise posterior das mesmas.

As redes de sensores sem fios se diferem das tradicionais devido à grande quantidade de sensores distribuídos, os mecanismos de autoconfiguração e auto-organização dos sensores (em caso de falha ou perda de algum dos nós), e o gerenciamento de energia. Outra diferença está na própria distribuição dos sensores, que muitas vezes é realizada por terrenos de difícil acesso que não seriam possíves de cobrir com redes cabeadas, e é realizada sem um necessário padrão de posicionamento dos sensores.

Diversas áreas de aplicação podem se beneficiar da possibilidade de obter informações contínuas das variáves coletadas, que possibilitam o estabelecimento de sistemas de controle em tempo real. Abaixo seguem destacadas algumas aplicações de diversas áreas:

Supervisão de Desastres

Na ocorrência de um desastre e impossibilidade de acesso à região, múltiplos sensores podem ser lançados de um avião e espalhados pela área afetada, possibilitando o monitoramento da situação e acompanhamento de novas ocorrências ou complicações do quadro. No estado do Rio de Janeiro, esta aplicação é utilizada na ocorrência de deslizes de terra, comuns na época de março e abril, alertando os moradores de áreas de risco quando há ocorrência de mínimo sinal de deslizamento.

Medições Climáticas

Com sensores espalhados pelo mar ou por cidades, é possível mensurar diversas variáves climáticas, como temperatura, umidade, pressão atmosférica, luminosidade ou poluição, possibilidadendo o mapeamento do clima de um local com maior precisão. De posse desses dados, se pode traçar metas de despoluição de um local ou prever mudanças climáticas.

Cidades Inteligentes

Um dos grandes pilares das cidades inteligentes é a existência de uma grande quantidade de sensores espalhados por todos os cantos da cidade, mensurando variáveis desde o clima até o trânsito e o tráfego de pessoas, para que os recursos da cidade possam ser adequados às sua necessiades de maneira eficiente e eficaz.

Apenas no quesito do tráfego de veículos ou pessoas, as redes de sensores sem fio podem ser utilizadas para o monitoramento trânsito por determinado ponto, a velocidade média praticada, variações de fluxo com o horário e etc, para a criação de um modelo de controle e previsão do tráfego local.

Um sensor autônomo é constituído de rádio, bateria, microcontrolador, circuito analógico e a interface com o sensor. Como os nós muitas vezes são espalhados por regiões remotas, a bateria e o consumo de energia costumam ser fatores limitantes.

Uma limitação é a própria necessidade de troca das baterias de tempos em tempos, dependendo do fenômeno e local de medição. Sistemas que trabalham com grandes quantidades de dados tendem a gastar mais bateria por isso as baterias devem possuir uma longa vida.

Devido a demanda de eficiência de energia a maioria dos sistemas RSSF usam protocolos ZigBee ou EEE 802.15.4, que são protocolos de comunicação sem fio para dispositivos com baixa potência de operação, baixa taxa de transmissão de dados e baixo custo de implementação.

Além da longevidade, há outros aspectos da bateria que precisam ser levados em consideração, tais como peso, tamanho, disponibilidade e as normas internacionais para seu embarque. A escolha mais comum são as baterias alcalinas e de zinco-carbono. Com o barateamento da energia solar, é cada vez mais comum a fabricação de sistemas com energia independente, deixando assim de se depender de baterias de capacidade elevada.

Para garantir a manutenção da rede pelo maior tempo possível, faz-se imprescindível o gerenciamento adequado da energia. Essa tarefa é em muito auxiliada pelos protocolos de roteamento, havendo os que realizam monitoramento e transferência contínua, os que realizam coleta de dados com intervalos determinados, ou ainda aqueles que realizam coleta somente por requisição da estação-base. Além do gerenciamento de energia, os protocolos de roteamento também atender às funções de maximizar a vida dos nós, tolerar falhas, garantir eficiência na comunicação e na disseminação de dados.

Para maximizar o uso da bateria um sensor deve ligar e desligar periodicamente, evitando assim o uso de energia desnecessário quando não estiver medindo nada. O sinal deve ser transmitido da maneira mais eficiente possível, possibilitando que o sensor possa voltar a "dormir" e tenha consumo mínimo de potência.

O mesmo se aplica para o processador, que deve ter a mesma eficiência. A escolha de processadores para a RSSF é baseada em duas características: consumo de energia e velocidade de processamento.Um bom exemplo de bom processador para essa aplicação é o TI MSP430 MCU (Texas Instruments).

Para reduzir a capacidade de processamento de cada nó da rede, faz-se que cada dispositivo processe as informações coletadas pelo próprio nó, bem como aquelas que chegam a ele por outros nós. Os processadores utilizados, por seu baixo poder computacional (próximo de 8-bit 16MHz), possuem sistemas operacionais próprios para as restrições que impõem, como o Tiny OS, por exemplo. É possível, porém, que existem alguns nós dentro de uma rede que possuam um poder de processamento um pouco maior que os demais, que são escalonados então para nós-líderes.

Um dos algoritmos mais utilizados para roteamento em RSSF (segundo Heinzelman, 2000) é o algoritmo Leach (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy), aplicado sobre topologias de árvore/cluster. Utiliza o conceito de cluster segmentando os nós sensores em grupos menores, com cada grupo possuindo um nó principal. Os nós do cluster enviam os dados apenas para o nó principal ou nó líder, que é quem faz a comunicação com a estação-base.

O nó líder realiza um pré-processamento decidindo se haverá agregação dos dados antes da transmissão para a estação-base, economizando energia na transmissão, que é um processo mais custoso. Este nó, também chamado de cluster-head, também controla a transmissão dos dados pelos nós conectados a ele, garantindo que apenas um seja ligado para transmitir por vez e reduzindo o consumo de energia.

Para que utilizar redes de sensores sem fio? Cite três áreas de aplicação que se beneficiam com seu uso.

Para observar e/ou monitorar fenômenos ambientais que ocorram em amplas áreas ou áreas de difícil acesso. Algumas áreas de aplicação são supervisão de desastres, medições climáticas, controle de poluição, monitoramento de animais e de estruturas.

Quais são as topologias de rede utilizadas em redes de sensores sem fio? Cite uma vantagem e desvantagem de cada uma.

As topologias são estrela, árvore ou cluster e malha. A topologia estrela possui baixo custo, porém alcance limitado; a topologia em árvore possui maior alcance, mas é muito suscetível a falhas dos nós roteadores; a topologia malha possui alta redundância, não sendo suscetível às falhas dos nós, mas ao custo de uma latência mais alta.

Cite três restrições físicas e desafios existem na implementação de uma rede de sensores sem fio.

Limitada capacidade de processamento;

Baixa potência/consumo energético;

Necessidade de adaptação à falhas e mudanças ambientais;

Aumento do tempo de vida da rede.

Como são compostos os nós de uma rede de sensores sem fio?

Os nós da rede são compostos por:

Transceptor sem fio;

Bateria;

Microcontrolador;

Circuito analógico;

Interface com o sensor.

Apresente brevemente as principais características do protocolo Leach de roteamento em árvore.

Neste protocolo, a estação-base divide a rede em clusters, elegendo nós líderes para cada cluster com base no posicionamento geográfico e na energia disponível. Os nós líderes coordenam a transmissão dos dados dos nós do cluster, evitando colisões para economizar energia na transmissão. Também pode economizar energia agregando os dados recebidos antes de transmitir para a estação-base.

Trabalho elaborado pelos alunos Beatriz Rios, Gabriel de Assis e Marcelo Soares da graduação de Engenharia Eletrônica e de Computação da Universidade Federal do Rio de Janeiro. Disciplina Redes de Computadores I - 2018.1 - Professor Luís Henrique Maciel Kosmalski Costa

"Este trabalho foi totalmente produzido pelos autores que declaram não terem violado os direitos autorais de terceiros, sejam eles pessoas físicas ou jurídicas. Havendo textos, tabelas e figuras transcritos de obras de terceiros com direitos autorais protegidos ou de domínio público tal como idéias e conceitos de terceiros, mesmo que sejam encontrados na Internet, os mesmos estão com os devidos créditos aos autores originais e estão incluídas apenas com o intuito de deixar o trabalho autocontido. O(s) autor(es) tem(êm) ciência dos Artigos 297 a 299 do Código Penal Brasileiro e também que o uso do artifício de copiar/colar texto de outras fontes e outras formas de plágio é um ato ilícito, condenável e passível de punição severa. No contexto da Universidade a punição não precisa se restringir à reprovação na disciplina e pode gerar um processo disciplinar que pode levar o(s) aluno(s) à suspensão;"