Este documento discute o uso de redes de sensores sem fio (RSSF) e robôs para monitoramento e atuação. Ele apresenta como RSSF podem ser implantadas usando diferentes tipos de robôs, como terrestres, aéreos e aquáticos. Também discute desafios como cobertura de grandes áreas, manutenção da conectividade e escolha do tipo adequado de robô para cada aplicação.

1. Redes de Sensores e Robôs: Um novo paradigma de
Monitoramento e Atuação
Alex Roschildt Pinto
UNESP – São José do Rio Preto
arpinto@ibilce.unesp.br
Florianópolis, 21 de outubro de 2013 - SECCOM 2013

2. Agenda
Introdução Redes de Sensores sem Fio
Formas de Implantação
Topologias
Tipos de Robôs
Trabalhos desenvolvidos na área de Robôs e Sensores
Conclusões

3. Título
• Redes de Sensores sem Fio (RSSF) são redes
de computadores embarcadas compostas por
nodos de tamanho diminuto;
•
Sensores,
•
Processador,
•
memória,
•
módulo sem fio e
•
bateria;

4. Título
• Uma vez que os nodos de uma RSSF são
baseados em componentes de baixo custo, a
confiabilidade individual de cada nodo é baixa;
• Porém, uma GRANDE quantidade de sensores
pode aumentar a confiabilidade com um baixo
custo!!!

5. Título
Características RSSF
Os nodos coletam grandezas escalares,
processam e se comunicam entre si geralmente
através de rádio freqüência.
Os nodos podem ser homogêneos ou alguns
podem ter características especiais.
Estação base é necessária para coletar e
processar os dados coletados.

6. Título
Aplicações RSSF
Sistemas de transporte inteligente
Monitoramento e manutenção de plantas industriais
Espaços inteligentes
Rastreamento de containers
Agricultura de precisão
Monitoramento de áreas inóspitas
Monitoramento de qualidade de águas
Aplicações militares
Monitoramento de Estruturas

7. Título
Características RSSF
• Alta Densidade de Nodos;
• Restrições de Software e Hardware;
• Nodos Sujeitos a Falhas e Topologia Dinâmica;
• Centradas em Dados;
• Restrições Temporais (Frescor dos Dados);
• Comunicação Broadcast e Roteamento
Multihop;

8. Vantagens das RSSF:
• Baixo custo
• Facilidade de implantação
• Monitoramento não-intrusivo
• Maior Área de Monitoramento

9. Desafios:
• Mudança de Paradigma
•
Restrição de Recursos
• Imprevisibilidade
• Alta escala/densidade
• Tempo Real
• Segurança

10. Problema de RSSF:
• Alcance antena limitado - > Roteamento necessário
• Maioria das abordagens de RSSF -> Roteamento
• Roteamento - > Custoso em implementação e
energia
• Problema dos nodos perto do Sink esgotam
energia!!!

11. Área
interesse
Não
recebi...

12. Problema de RSSF:
• RSSF promete ser alternativa barata de
sensoriamento...
• 1 sensor aproximadamente R$ 300,00...
•
Como cobrir um área extensa com sensores tendo
que realizar roteamento???
•
Milhares de Sensores???
•
Milhões???
•
Quem pagará 3 Milhões por 10K sensores??

13. Problema de RSSF:
• Como Implantar os sensores???
• Como dar manutenção???
• Como manter a conectividade???
• Como lidar com as severas restrições de hardware e software???

16. Título
Implantação através de Operadores Humanos
• Simples de ser executado
• Necessidade de operadores
humanos
• Operadores correm riscos na
operação
• Pouca precisão na implantação
dos nodos

17. Título
Implantação através de Robôs Terrestres
• Nodos colocados por um robô terrestre
• Diminui o risco dos operadores humanos
• Possibilidade de implantação precisa
• Custo da Implementação do algoritmo do
robô

18. Título
• VANTS podem implantar uma grande
quantidade de nodos sensores
• Aplicações táticas facilitadas, já que não é
necessário utilizar operadores em solo para
implantar a RSSF
• Necessidade de grande quantidade de
nodos para driblar a perda de equipamento

19. Título
Topologia Estrela
• Comunicação 1 hop
• Nodos escravos enviam mensagens para nodo
Mestre
• Facilidade de implantação
• Diminuição de problemas de comunicação

20. Título
Topologia Estrela
• Comunicação dependente do alcance da
antena do nodo mestre
• Nodos que ficam fora do alcance da antena
do nodo mestre não conseguem entregar a
mensagem
• Quantidade limitada de nodos que
conseguem participar da RSSF
• Alta taxa de mensagens que chegam a um
nodo mestre

21. Título
Topologia Cluster-Tree
• Topologias Cluster-Tree são formadas
por clusters, sendo que cada cluster é
controlado por um cluster-head;
• Diversos desafios são apresentados por
esta topologia, o principal é a formação de
clusters
• Além disso, a escolha do cluster-head é
um ponto crítico desta topologia
• Listar as vantagens e desvantagens
desta topologia!

22. Título
Topologia Cluster-Tree
• Problemas de Overlap de cluster-heads
• Como determinar os melhores clusterheads??? (localização, energia...)
• Como posicionar os nodos de forma a
atingir a maior cobertura possível?

23. Título
RSSF Mesh
• Não existe um nodo central que coordene a
rede
• Diversos caminhos podem ser tomados
• Alta Tolerância a Faltas
• Dificuldade de Atingir roteamento ótimo
• Listar Vantagens e Desvantagens de uma
RSSF Mesh

24. Título
Como usar RSSF em grandes
áreas???

25. Título
Redes de Sensores sem Fio Móveis
• Nodos podem apresentar mobilidade
• Maior cobertura do que nodos estacionários
• Dificuldade na implementação dos
algoritmos de mobilidade
• Nodos podem formar topologia de acordo
com a necessidade

26. Título
Robôs
O que é um robô?
- Sensores
- Inteligência (Processamento)
- Atuação (Mobilidade)

27. Título
Veículos Aéreos Não Tripulados
• Aeronaves não-tripuladas
• Podem ser totalmente autônomas
ou Controladas a partir do solo
• Utilizadas em operações Perigosas
e Entediantes...
•
Menor Custo de Manutenção!!!

28. Título
Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTS)
•
Necessário Estação Base para
controle ou para telemetria
• Vants possuem sensores e
GPS
• Podem utilizar câmeras para
monitoramento
• Asa Fixa ou Rotatória

29. Título
Vocês estão sempre brincando de aviõezinhos...
Caças F-16 em desuso são transformados em drones
“Boeing adaptou caças para operar sem tripulação; novos aviões serão
usados em treinamento de artilharia da Força Aérea americana”
Fonte: terra.com.br (26/09/2013)
A aeronave decolou de uma base aérea na Flórida e sobrevoou o Golfo do
México. O novo drone atingiu velocidade 1,8 mil km/h e fez manobras
arriscadas, usadas em situações de combate.
52 Milhões
Euros (usado)...
Negócio entre
Portugal e
Romênia

30. Título
Asa Rotativa: AR Drone 2.0
• Controlado por IOS ou Android (smartphone
ou tablet)
• Possui 2 cameras (Frontal e no casco)
• Ótimo Algoritmo de Controle
• Possibilidade de utilizar GPS para
programar ROTA
• Rota pode ser modificada durante vôo
• Problema: baixo tempo de vôo (15 min)
• Indoor e outdoor

31. Título
Projetos INCT-SEC - CARINA
• Carro Robótico Inteligente para Navegação
Autônoma
• módulos operacionais
•
identificação de vias navegáveis,
utilizando visão computacional;
• identificação de obstáculos, oriunda
da visão estérea e sensores laser,
•
navegação autônoma, propiciada
pelo uso de pontos de GPS como
referência.

32. Título
Projetos INCT-SEC - Tiriba
• Vant pequeno porte com payload
de até 4kgs
http://www.agx.com.br/n2/pages/?opt=video_in_action_1

33. Título
Robô Detector de Incêndio (LATW 2013)
•
•
•
•
•
Sensores de Luminosidade, temperatura e
chama de baixo custo!
Servo Motor e base robótica
Controlado por Arduino (Free Hardware)
Idéia: Robótica Descartável...
Filtro de Média Móvel para detectar incêndio

34. Título
Previsão de Conexão de Robôs
An Evolutionary Approach to Improve Connectivity Prediction in Mobile Wireless Sensor
Networks

35. Título
RSSF para Pulverização de Precisão
•Agricultura de Precisão demanda
informação detalhada sobre a região de
cultivo
•Redes de Sensores sem Fio (RSSF)
permitir a obtenção dessas informações
[Lee et al. 2010]
•Exemplos de aplicação: Coleta de
dados micrometeorológicos e automação
de aplicação de insumos

36. Título
Pulverização de Precisão
•Data Mule (DM) consiste em um nodo móvel
capaz de coletar dados dos nodos fixos. [Shah et
al 2003]
•Desvantagens:
– Elevada latência
– exige movimentação fisica
– rede dependente dos nodos móveis.
•Vantagens:
– Economia de energia no roteamento
– menor infraestrutura
– tolerância a falhas
– módulo de transporte multiproposito.

37. Título
Comunicação e Mobilidade
RSSF pode ser utilizada para
controlar a qualidade da aplicação.
Comunicação é influenciada
pela mobilidade [Costa et al. 2012]
Qual o modelo de mobilidade proporciona melhor
comunicação?

38. Título
Modelo de Estudo
VANT:
– Se comporta como um DM
– Coleta dados dos sensores
– Tem mobilidade
Nodos Sensores:
– Fixos
– Distribuídos aleatoriamente
ou em grade
– Não roteiam informações entre si

39. Modelo de Mobilidade – Random Walk
• Escolhe aleatoriamente direção e
velocidade
• Gatilho por tempo ou percurso
• Reflete nas bordas
Imagem extraída de [Camp et al. 2002]

40. Modelo de Mobilidade – Random Waypoint
• Nodo pode ficar parado por um
tempo
• Escolhe uma posição aleatória
como alvo
• Escolhe uma velocidade
Imagem extraída de [Camp et al. 2002]

41. Modelo de Mobilidade – Random Direction
• Movimento se altera quando o
nodo atinge a borda
• Escolhe uma direção
entre 0º e 180º
• Escolhe uma velocidade
Imagem extraída de [Camp et al. 2002]

42. Modelo de Mobilidade – Manhattan Grid
• Mobilidade em forma de grade
• Chance 1-P de continuar
em frente e P/2 de virar
• Altera velocidade a
cada n metros
Imagem extraída de [ETSI (UMTS 30.03
version 3.2.0)]

43. Simulação e Parâmetros
• Omnet++ com MiXiM e BonnMotion 2.0
• Modelos parametrizado a fim de realizarem movimentos
semelhantes
• Tempos de parada definidos em zero
• Velocidade fixa em 30 m/s

44. Experimentos
Realizados dois experimento:
1) Variando número de nodos
– Cenário fixo em 180x10³ metros quadrados
– Número de nodos variável entre 28, 45, 66,
91 e 120 nodos
2) Variando área do cenário
– Cenário variável entre 424x10³, 263x10³, 180x10³,
131x10³, 99x10³ metros quadrados
– Número de nodos fixo em 66 nodos

45. Métricas
Foram tomados como métricas
– Número de backoffs
– Número de frames enviados pelos nodos sensores
– Número de frames recebidos pelo VANT
– Eficiência de Comunicação (EC), calculada por:
EC =
Número de frames recebidos
Número de frames enviados

46. Resultados
• Número de backoff crescentes
• Aumento da dificuldade de envio

47. Resultados
• Número de envio crescentes
• Meio de comunicação não saturado

48. Resultados
• Número de recebimentos limitados superiormente
• Saturação da capacidade de recepção
após 3,67x104 nodos/m²

49. Resultados
• Aumento de envios e limite de recepção afetam diretamente a EC
• Decrescente com o aumento da densidade

50. Resultados
• Número de backoff cresce em taxas menores
• Aumento da dificuldade de envio crescendo em taxas menores

51. Resultados
• Número de envio crescendo em taxas menores
• Limitado pelo número de nodos fixo

52. Resultados
• Número de recebimentos limitado superiormente
• Saturação da capacidade de recepção de dados

53. Resultados
• EC decai com o aumento da densidade
• EC decai menos do que com a variação de número de nodos

54. Conclusões Mobilidade Não controlada...
Modelo de mobilidade com melhor desempenho para o
caso: Manhattan Grid
– Alto desempenho de EC
– Mobilidade em grade oferece maior controle
Distribuição de nodos mais efetiva: em grade
– Média de EC variando entre 0,3% e 3,57% a mais

55. Título
Data Mules
• Permitem que
nodos móveis
coletem dados de
uma RSSF fixa
• Rede pode ser
desconexa
• Problema:
Latência...
• Menor número de
nodos ....

56. Título
Conclusões
•
Redes de Sensores sem Fio tem vários problemas ainda não
solucionados.
•
Áreas extensas apresentam problemas de cobertura
• Grande quantidade de nodos são necessários para garantir
conectivdade da rede
•
Robôs Móveis podem ser utilizados para recoher os dados no modo
1-hop
• Soluções ainda não consolidadas totalmente
• Quais os tipos de robôs utilizar em cada caso? (aéreo, terrestre ou
aquático)???

57. Título
Direções Futuras
• Como manter a mobilidade dos robôs?
• Como implantar os sensores?
• Utilização em que tipo de aplicações?
• Como manter a comunicação de nodos móveis???

58. Título
Questões????