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Rede
de sensores sem fio é uma composição de nós
que se intercomunicam transmitindo – de maneira otimizada
– informações coletadas em um dado meio, a fim de
monitorar as atividades deste.
Para
tanto, é necessária a escolha e aplicação
de dispositivos (o que inclui o sensor, a fonte de
alimentação e o elemento de transmissão, em um
modelo mais simples) e do protocolo de comunicação.
Nesse
sistema, contudo, deve-se ter maior cuidado com as suas
limitações, que se dão principalmente no consumo
de energia, a latência e a confiabilidade da
comunicação.
Aplicadas de maneira bem planejada, as redes de sensores sem fio representam importantes
instrumentos de controle e monitoramento, empregados muitas vezes em ambientes inóspitos à
presença humana.
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Figura 1 – Manchete da primeira transmissão wireless à longa distância da História
Em
1896, Popov transmitiu em Morse [4], a uma distância de 250
metros, o nome “Heinrich Hertz”, que se tornou, portanto, a
primeira mensagem da telegrafia sem fio da História. Quase ao
mesmo tempo, Marconi inventou antenas de formas variadas e realizou,
sucessivamente na Itália e na Inglaterra,
radiotransmissões marítimas, percorrendo inicialmente
vários quilômetros, depois atravessando o canal da Mancha,
em 1899. Apesar de extremamente útil e bem aceita, a
comunicação sem fio não mostrou avanços
significativos de início, sendo limitada pela tecnologia
disponível em cada década desde sua
concepção. Somente a partir dos anos 60 e 70 é que
novas técnicas – e então serviços –
guinaram a rápida evolução deste tipo de
comunicação. Tais avanços (em especial da
eletrônica digital) apontam sempre para a
miniaturização, confiabilidade e eficiência (em
alcance e uso de energia) dos dispositivos.
Atualmente, equipamentos wireless são utilizados em grande número de aplicações, a citar:
- Sistemas
de segurança, desde a utilização de rádios
para comunicação entre pontos até mesmo
bloqueadores de frequência, como aqueles encontrados em
prisões;
- Global Positioning System. Satélites GPS circundam a Terra duas vezes ao dia, em
órbitas precisas e transmitindo sinais de informação para o planeta. Receptores GPS
tomam essa informação e utilizam triangularização (essencialmente comparam o tempo
que o sinal foi transmitido e recebido) para determinar a posição exata do usuário. Tal
funcionamento está ilustrado abaixo [2];
Figura 2 –Funcionamento GPS
- Internet. Com a explosão do número de celulares em funcionamento mundo afora,
mostrou-se conveniente a capacidade de acessar a Internet através deles, o que se faz
possível por WAP (Wireless Application Protocol) que consiste em uma pilha de seis
diferentes protocolos os quais possibilitam uma navegação básica, otimizando o
desempenho em relação às limitações quanto taxa de transferência, tamanho e
legibilidade das páginas;
- Comunicação entre periféricos de computadores pessoais e industriais. Para isto,
existem diversas técnicas de transmissão, como Bluetooth, infravermelho ou mesmo
radiofrequência;
- Telefonia celular, que conta, somente no Brasil, com 150 milhões de aparelhos em
funcionamento e oito grandes operadoras;
- Transmissão de energia elétrica, sendo um dos exemplos mais notáveis o avião
canadense SHARP (Stationary High Altitude Relay Platform) [1] concebido nos
anos 80 e capaz de voar em círculos, a cerca de 21km de altitude por meses.
Figura 3 –Avião SHARP
Para
sua alimentação, faz-se necessário um transmissor
de micro-ondas baseado no solo e com alcance que incluía a rota
de voo da máquina. Nesta, uma antena retificadora recebe a
onda de energia, transmite-a para diodos que, chaveando, direcionam a
corrente elétrica às partes do avião que
necessitem de alimentação.
De acordo com o professor Simon Saunders, no livro [5], especialista em comunicações sem
fio, professor visitante da University of Surrey e fundador da realWireless –Professional
Wireless Expertise, a tecnologia sem fio pode ser dividida em três eras:
- 2007 a 2011 –Proliferação;
- 2012 a 2016 –Similaridade;
- 2017 a 2026 –Mundanidade.
A primeira era caracteriza-se pelo aumento do número de aplicativos de grande volume de
dados, produzindo sobrecarregamento nas redes sem fio existentes. Desses aplicativos, destacam-se always-on e-mail, serviços de mensagem instantânea e TV móvel. Ainda no campo de
serviços, estações-base para celulares domésticos (“femto cells”)
são extensivamente empregadas e utilizadas para prover melhorias
nos serviços para celular. A respeito dos dispositivos,
evidencia-se o aumento na capacidade de armazenagem de dados, a ponto
de tornar possível a criação de canais de
informação personalizados nos dispositivos a partir do
fluxo de informações sincronizadas,
evolução das tecnologias de podcast.
A
segunda era, de similaridade, recebe este nome por conta da
aproximação dos diferentes sistemas sem fio em um todo
cada vez mais coerente. Verifica-se nesta era um maior emprego de
automação em edifícios para controle de sistemas
de iluminação e refrigeração, por exemplo,
alavancado pela alta dos preços sobre fontes de energia;
crescimento das aplicações de curto-
alcance em alta velocidade para distribuição de dados;
maior consolidação entre operadoras fixas e
móveis; união dos meios em
“meta-padrões”, permitindo o uso flexível do
melhor esquema disponível para um dado ambiente de
aplicação e por fim o destaque das transmissões
digitais sobre redes dedicadas.
Finalmente a terceira era, mundanidade – pela presença do wireless
em um ou vários estágios de qualquer troca de dados,
transação financeira, etc. – conta com o sem fio
sendo uma tecnologia embarcada, empregada na maioria das
aplicações; difusão da automação sem
fio nos edifícios e redes em lares e prédios
públicos; separação entre provedores de
serviços, operadoras de rede e provedores de conteúdo,
porém com compartilhamento de infraestrutura. O traço
mais marcante, no entanto, é a alocação
flexível de serviços na interface aérea
apropriada, banda de frequência e grupo de antenas sobre
infraestrutura programável de banda-larga com grande
número de pontos de serviço e extenso processamento de
sinais para melhor selecionar a combinação
tempo/espaço/frequência para um dado serviço em um
dado instante.
Todas
essas previsões foram feitas a partir da experiência
própria do professor Simon Saunders. Muitas delas poderão
se tornar realidade (inclusive na época prevista), mas outras
podem sequer sair do papel.
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Dadas
as tecnologias expostas anteriormente, pode-se propor a seguinte
arquitetura básica [6] de um nó sensor em uma rede de
sensores sem fio:
Figura 4 –Arquitetura de um nó sensor
- Fonte de alimentação: Atendendo à necessidade de ser flexível no deslocamento, um
nó-sensor é alimentado em geral por uma bateria, podendo ainda, no entanto, ser
alimentado por uma fonte fixa (o que depende muito de sua localização e infraestrutura
na qual está inserido) ou ainda ser capaz de se autocarregar – energia solar, por
exemplo.
- Unidade de processamento: Cada dispositivo deve processar as informações que ele
próprio coletou, bem como as que são transmitidas a ele. Atualmente, buscando a
redução de custos, os processadores utilizados têm baixo poder computacional
(próximos de 8-bit 16MHz) e executam sistemas operacionais próprios para eles
– TinyOS, a citar. É bastante provável, todavia, que ao longo de uma rede exista um ou
mais nós com maior poder de processamento, sendo estes, portanto, escalados para nós-líderes.
- Unidade de transmissão: Rádio de curto alcance e baixa transmissão de dados, de
acordo com o protocolo empregado. É o componente do nó que em geral consome mais
energia.
- GPS: É comum, ainda, encontrar um dispositivo GPS (Global Positioning System)
em uma rede de sensores sem fio, pois muitas aplicações
levam em conta o posicionamento do sensor para análise dos dados
que este coleta. Em determinados casos não é
possível utilizar um satélite para determinar a
localização do dispositivo, sendo esta determinada
indiretamente através de algoritmos de localização
baseados no mapa inicial de espalhamento dos sensores (que deve ser
previamente conhecido).
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A
partir do uso de nós sensores, é possível obter
informação continuamente de variáveis
observáveis. Ao empregar esses dados, em conjunto com atuadores,
pode-se estabelecer um sistema de controle em tempo real. Este tipo de
sistema é amplamente utilizado nas mais diversas áreas.
Dentre estas, destacam-se as aplicações militares,
ambientais, industriais, bem como de saúde e monitoramento de
estruturas. Existem diversas outras, que serão citadas
posteriormente.
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Uma
das mais importantes e motivadoras aplicações é a
militar. Por ser estratégico, este tipo de emprego recebe muito
investimento. Nos Estados Unidos, o programa militar [7] SensIT (Sensor Information Technology) no início dos anos 2000, foi responsável por um grande
avanço no uso das redes sem fio e motivou o uso dessa tecnologia em outras aplicações não
militares.
A
inteligência no campo de batalha é significativamente
aumentada, uma vez que os sensores podem detectar inimigos ou aliados,
descobrir o número de combatentes, sua posição e
rastreá-los. Também é crucial usá-los para identificar
armas nucleares e químicas, sem necessitar de arriscar a vida de
soldados.
Além
disso, uma das grandes vantagens das RSSF nessa aplicação
está no fato de serem transportadas mais facilmente e
rapidamente, podendo ser espalhadas no local de combate. Porém,
é necessário grande cuidado, sendo essencial criptografar
os dados para evitar a interceptação pelos oponentes.
No
futuro, as RSSF podem ser decisivas em um cenário militar. Isto
motivará mais ainda a pesquisa, que pode contribuir para uma
maior eficiência em outras áreas de
utilização.
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Outra
importante aplicação das RSSF é o monitoramento
ambiental. Para se mapear a biodiversidade e estudar uma
população ou determinada espécie, atualmente
é preciso que um pesquisador esteja no ambiente analisando as
características. O problema é que o próprio fato
de se introduzir um observador no meio pode alterar o comportamento das
espécies, prejudicando a precisão da pesquisa e os seus
resultados.
Se uma RSSF for implantada, por exemplo, em uma floresta ou um oceano, existe a vantagem
da eliminação desse efeito. Dessa forma, serão obtidos dados muito mais precisos. Ainda, é
possível espalhar um número enorme desses sensores – da ordem de milhares, obtendo muito
mais dados sobre diversos pontos do ambiente que um grupo de pesquisadores conseguiria obter
por inspeção. A flexibilidade da rede sem fio é fundamental já que em ambientes complicados
como estes seria inviável ter uma fiação atravessando o meio.
Figura 5 –Monitoramento ambiental com RSSF
Os
dados de cada sensor seriam enviados para uma pequena
estação no próprio local e repassados por
satélite para uma central em qualquer lugar do mundo, aonde a
informação seria estudada. Esse procedimento [8]
já foi realizado na ilha “Great Duck Island” pela
Universidade da Califórnia, aonde ninhos de pássaros eram
monitorados por sensores dentro e fora deles e os dados enviados por
satélite para a internet.
Figura 6 – Transmissão
de uma RSSF. Os sensores enviam seus dados para o nó
coordenador, que os repassa para a estação local e
finalmente ao usuário pela internet. O usuário
também pode enviar um comando, que fará o caminho reverso
até o sensor destino [44].
Além
do estudo de espécies, é desejável usar sensores
sem fio em uma grande cidade para obter informações sobre
clima, temperatura média, umidade, pressão
atmosférica, luminosidade ou poluição de um local.
Com todo esse conhecimento é plausível traçar
metas para melhorar um ambiente poluído ou prever
mudanças de tempo e clima, permitindo melhorar a qualidade de
vida e precaver a população de
enchentes/inundações.
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Mais
uma importante aplicação é o monitoramento
sísmico em superfícies e estruturas. É fundamental
saber nas construções civis - tal como pontes,
prédios, estradas – a condição da estrutura.
Esta sofre com o efeito do tempo ou de tremores, podendo apresentar
falhas (rachaduras).
Seria importante utilizar sensores sem fio para monitorar essas estruturas, uma vez que com
eles é possível medir em tempo real e com precisão os níveis de tremor ou o tamanho de
rachaduras, que poderiam evoluir e causar um desastre. Também seria interessante para
quantificar os danos estruturais após um terremoto.
Os sensores podem ser colocados embutidos na superfície ou adaptados sobre ela. Uma rede
pode ser estabelecida com eles, provendo as informações que com as técnicas de hoje são mais
lentas e custosas de se obter e muitas vezes menos precisas, como a inspeção visual. Os dados
então seriam enviados para uma central de monitoramento, que alertaria sobre os riscos.
No
futuro, há ideias de controlar, através de uma RSSF, uma
grande estrutura que sofre com abalos. A rede informaria em tempo
real o grau de perturbação em diversos pontos da
superfície e um sistema de atuadores poderia compensar o
distúrbio, mantendo a superfície sempre horizontal.
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Em
indústrias é importante o emprego de sensores sem fio
para o controle dos processos de fabricação. Conhecer a
temperatura, pressão e concentração de determinada
substância, é fundamental para a
automatização do
processo.
Esses dados dos sensores serão passados a um computador em tempo real e assim pode-se
calcular e ajustar cada uma das variáveis para o exato valor desejado. Por exemplo, se o sistema
verificar que é preciso mais calor, um sinal imediato será enviado para que se aumente a taxa de
combustão ou o fluxo de calor para o local de produção.
Uma
RSSF é mais interessante porque é menos custosa nesse
ambiente, facilita a manutenção – fios são
mais difíceis de serem reparados em um local de difícil
acesso - e possui uma flexibilidade maior para instalação
e atualizações.
À
medida que as redes forem aumentando sua confiabilidade e
segurança, mais empresas optarão por seu uso.
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Serão
comentadas, agora, as outras aplicações que envolvem
sensoriamento e controle para aplicações a curta
distância:
- Controle e Automação Predial – pode-se aumentar a segurança, realizar controle de acesso e
economizar energia com iluminação por detector de presença;
Figura 7 - Sensor de presença infravermelho sem fio
- Controle de qualidade em indústrias – realizar testes durante a fabricação de determinado
produto. Pode-se incorporar o sensor durante a montagem e assim obter as informações
sobre o estado da peça ou componente;
- Prevenção de desastres – sensores podem identificar um incêndio e alertar rapidamente o
sistema de segurança. Podem também ser usados para medir o nível de chuva e alertar sobre
o risco de enchentes;
- Automação comercial – controle de estoques, através de uma rede sem fio com sensores em
vários ambientes, que alertam para a necessidade de repor determinado produto;
- Medicina – para monitoramento de pacientes microssensores podem ser injetados na
corrente sanguínea para detectarem níveis de substâncias importantes ou tóxicas no sangue.
Também pode ser utilizado no auxílio a cirurgias e outros procedimentos médicos, bem como
acompanhamento dos pacientes;
- Supervisionar linhas de transmissão de energia ou gás – nesse caso, sensores são utilizados
para verificar vazamentos ou irregularidades na tensão/pressão;
- Extração
de petróleo – é fundamental o emprego de sensores sem
fio, pois é preciso medir os níveis das variáveis
envolvidas em locais de complicado acesso;
- Agricultura – o sensoriamento da umidade do solo é importante para controlar o nível de
irrigação necessário. Os produtos tóxicos, como pesticidas, também podem ter suas
quantidades estipuladas e então serem limitados;
 Figura 8 – Sensor de umidade
- Observar
e melhorar a qualidade do ar em um ambiente de trabalho ou residencial
e aumentar a eficiência dos sistemas de ventilação
e refrigeração, através da medição
da temperatura, umidade e fluxo de ar;
- Detectar e quantificar materiais radioativos ou químicos;
- Trânsito de veículos nas grandes cidades – ajudar no controle do tráfego, através de
informações obtidas por sensores que medem a quantidade de veículos transeuntes em cada
ponto da cidade;
- Segurança – instalando-se em locais estratégicos sensores de presença (movimento) ou
calor, junto com câmeras, é possível vigiar de forma mais eficiente o ambiente desejado.
Figura 9 – Sensor de movimento
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1. Introdução
