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REDES DE SENSORES SEM FIO
Emanoel Costa Claudino Emerson José Santos Oliveira
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OBJETIVOS Apresentar a definição e aspectos de uma rede de sensores sem fio Definições existentes Principais características Desempenho, arquitetura, comunicação, protocolos, segurança Projetos acadêmicos e comercias
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O QUE SÃO RSSF Consistem em redes sem fio formadas por um grande número de pequenos sensores dispostos pelo ambiente, com a finalidade de detectar e transmitir alguma característica física do ambiente A informação obtida dos sensores é agregada numa base central de dados
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O QUE SÃO RSSF Diferem de redes de computadores tradicionais em vários aspectos Em geral, possuem um grande numero de elementos distribuídos, operam sem intervenção humana direta, tem restrições severas de energia, e devem possuir mecanismos para auto-gerenciamento
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O QUE SÃO RSSF Vários sensores espalhados sobre um ambiente coletando
determinadas informações e repassando-as para um estação central
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O QUE SÃO RSSF Enfoque de S.D: podem ser definidas como uma classe particular de sistemas distribuídos, onde as comunicações de baixo nível não dependem da localização topológica da rede
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O QUE SÃO RSSF Recursos limitados de energia
Topologia de rede dinâmica Enorme quantidade de nós (sensores)
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O QUE SÃO RSSF dificuldade de reutilização de alguns algoritmos desenvolvidos para outros tipos de sistemas distribuídos Soluções para problemas, como a sincronização da rede, a eleição de um líder e a aquisição de informações que representam o estado da rede devem considerar também características como a precisão, eficiência e o custo das operações
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DESAFIOS Os nós são embutidos numa área geográfica e interagem com um ambiente físico São menores e menos confiáveis que roteadores tradicionais Geram (e possivelmente armazenam) dados detectados Podem ser móveis
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VANTAGENS permite a monitoração de alvos de difícil detecção (alvos que possuem baixa atividade sonar atravessando seções, ruídos de baixa radiação são difíceis de detectar e classificar). Utilizando uma combinação de sensores é possível obter informações de número, tipo e localização do alvo monitorado
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VANTAGENS redução de erros (a combinação de sensores de diferentes freqüências melhora a precisão das medidas. Para isso, requer sincronização e posição precisa dos sensores) Aplicações de sensores representam um novo paradigma para operação de rede, que têm objetivos diferentes das redes sem fio tradicionais
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TAXONOMIA DE TILAK Classifica as redes de sensores de acordo com diferentes funções de comunicação, modelos de envio de dados, dinamismo da rede, métricas de desempenho e arquitetura
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TAXONOMIA DE TILAK Ajudar na definição apropriada de infra-estruturas de comunicação para diferentes sub-espaços de aplicações de redes de sensores Características principais: o sensor, o observador e o fenômeno
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TAXONOMIA DE TILAK Sensores: dispositivos que implementam a monitoração física de um fenômeno ambiental e gera relatórios de medidas (através de comunicação sem fio) Respondem a mudanças de condições físicas, como temperatura, campo magnético, luz, etc
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TAXONOMIA DE TILAK Consiste, tipicamente, de cinco componentes:
Detector de hardware Memória Bateria Processador embutido Transmissor-receptor
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TAXONOMIA DE TILAK Observador: é o usuário final interessado em obter as informações disseminadas pela rede de sensores em relação a um fenômeno Pode consultar a rede e obter as respostas das consultas.
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TAXONOMIA DE TILAK Fenômeno: entidade de interesse do observador, que está sendo monitorada e cuja informação potencialmente será analisada / filtrada pela rede de sensores
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MÉTRICAS DE DESEMPENHO
Eficiência de energia e vida útil do sistema Latência e precisão Escalabilidade Exposição dos Sensores Tolerância a Falhas
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MÉTRICAS DE DESEMPENHO Eficiência de energia e vida útil do sistema
Como os nós são operados por baterias, os protocolos devem ser eficientes na utilização de energia para maximizar a vida útil do sistema A vida útil do sistema pode ser medida por parâmetros genéricos, como o tempo de nós ativos ou tempo de envio de informações à aplicação
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MÉTRICAS DE DESEMPENHO Eficiência de energia e vida útil do sistema
S-MAC (Sensor-Medium Access Control): Este protocolo de controle de acesso ao meio foi implementado visando redes de sensores com nós individuais que permanecem por longos períodos de tempo inativos
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MÉTRICAS DE DESEMPENHO Eficiência de energia e vida útil do sistema
S-MAC (Sensor-Medium Access Control): Os nós permanecem inativos para poupar energia A idéia é que os sensores tornem-se rapidamente ativos quando algum fenômeno é detectado Os nós vizinhos formam clusters virtuais para o sincronizamento
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MÉTRICAS DE DESEMPENHO Latência e precisão
O observador está interessado em estudar o fenômeno dentro de um dado espaço de tempo A medida da latência é dependente do fenômeno e da aplicação sobre o fenômeno
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MÉTRICAS DE DESEMPENHO Latência e precisão
A precisão é o objetivo principal do observador, e também é determinada pela aplicação dada
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MÉTRICAS DE DESEMPENHO Escalabilidade
A escalabilidade é também um fator crítico Para redes de larga escala, é comum que a localização de interações através de hierarquia e agregação são críticas para assegurar a escalabilidade do sistema
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MÉTRICAS DE DESEMPENHO Exposição dos Sensores
A exposição pode ser definida como a medida de quão bem a rede de sensores pode observar um objeto, movendo-se num caminho arbitrário, num determinado período de tempo
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MÉTRICAS DE DESEMPENHO Tolerância a Falhas
Os sensores podem falhar devido as más condições físicas ou quando sua bateria acaba Pode ser difícil a troca dos sensores existentes
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MÉTRICAS DE DESEMPENHO Tolerância a Falhas
É desejável que falhas não catastróficas sejam transparentes para a aplicação. A tolerância a falhas pode ser alcançada através da replicação de dados, entretanto, a replicação de dados por si própria requer energia
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MÉTRICAS DE DESEMPENHO Tolerância a Falhas
Solução baseada em roteamento em múltiplas rotas Várias rotas previamente configuradas (gasto de memória para armazenar as rotas) Descoberta de novas rotas (gasto de energia com comunicação)
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MÉTRICAS DE DESEMPENHO Tolerância a Falhas
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SEGURANÇA A rede pode estar uma situação onde um intruso pode alterar configurações de rede Um intruso pode ser capaz de posicionar diversos nós dentro da rede e usá-los para transmitir mensagens falsas Um intruso pode comprometer o funcionamento de um ou diversos nós
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SEGURANÇA Um intruso pode acessar informações restritas dos nós
Um intruso pode comprometer as informações trafegadas na rede
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SEGURANÇA Para que uma RSSF forneça dados com segurança é necessário que certos requisitos sejam cumpridos Confiabilidade nos dados Autenticação de dados Integridade de dados Dados recentes
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SEGURANÇA Confiabilidade nos dados
Uma RSSF não deve deixar que as informações sejam transmitidas para redes vizinhas Nós comunicam os dados coletados com muita freqüência
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SEGURANÇA Confiabilidade nos dados
Criptografia e chaves são utilizadas Somente o receptor consegue decriptografar a informação recebida, garantindo a confidencialidade
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SEGURANÇA Autenticação de dados
Muito importante em funções administrativas, como reconfiguração da rede Os receptores devem estar seguros que as mensagens realmente partiram de fontes confiáveis
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SEGURANÇA Autenticação de dados
Alcançada através de mecanismos simétricos, onde o emissor e o receptor compartilham uma chave secreta para computar um código de autenticação de mensagem (MAC – Message Authentication Code) de todo dado comunicado
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SEGURANÇA Autenticação de dados
Quando uma mensagem com um código de autenticação correto chega ao receptor, ele reconhece o emissor Autenticação não é seguro para ser aplicado em redes broadcast
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SEGURANÇA Integridade de dados
Assegura ao receptor que as informações não foram adulteradas em trânsito Alcançada através da autenticação de dados
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SEGURANÇA Dados recentes
Garantir que dados são recentes implica em assegurar que não houve interferência de mensagens antigas Pode-se aplicar o algoritmo de ordenação total de mensagens
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SEGURANÇA Protocolos de segurança utilizados
SPINS (Security Protocols for Sensor Networks) Os protocolos SPINS possuem dois blocos construídos SNEP (Secure Network Encryption Protocol) mTESLA (versão micro do Timed Efficient Streaming Losstolerant Authentication Protocol)
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SEGURANÇA Protocolos de segurança utilizados
mTESLA provê: Broadcast autenticado para ambientes com recursos limitados SNEP provê: confidencialidade dos dados Autenticação dos dados
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SEGURANÇA Soluções em estudo
Protocolo de mecanismo de agregação de mensagens segura Busca reduzir o overhead de comunicação Nós intermediários poderiam alterar as mensagens ou enviar mensagens falsas
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SEGURANÇA Soluções em estudo
Protocolo de mecanismo de detecção de nós com comportamento estranho Estações base poderiam garantir que os dados transmitidos sejam corretos, mesmo com nós falsos introduzidos na rede ou que ele descubra as informações importantes de um único nó
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ARQUITETURA Uma rede de sensores é uma ferramenta para medir e passar informação sobre o fenômeno para o observador dentro do limite de desempenho desejado e com melhor custo / benefício possível. Para tal a rede se organiza da seguinte forma: infra-estrutura protocolo de rede Aplicação / observador
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ARQUITETURA Infra-estrutura
Consiste de sensores e da forma como utilizá-los. Mais especificamente, a infra-estrutura é influenciada pelo número de sensores, pelas características deles (precisão de detecção, tamanho de memória, vida útil da bateria, extensão da transmissão) e estratégia de utilização (quantidade, localização e mobilidade do sensor)
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ARQUITETURA Protocolo de Rede
É responsável por criar caminhos e realizar comunicação entre os sensores, e entre os sensores e o(s) observador(es) O desempenho do protocolo pode ser altamente influenciado pelo dinamismo das redes, assim como pelo modelo construído de envio de dados específicos
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ARQUITETURA Aplicação/Observador
interesse de um observador no fenômeno é expresso através de consultas realizadas a respeito do fenômeno Estas consultas podem ser estáticas (os sensores são programados para reportar dados de acordo com um padrão específico) ou dinâmicas Para responder às consultas os dados distribuídos que os sensores são capazes de monitorar são aproximados
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO
O estudo desses protocolos pode ser feito por camadas como sugerido pela arquitetura TCP/IP: Camada física Camada de enlace Camada de rede Camada de transporte
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada física
Em uma RSSF podem ser exploradas três possibilidades para comunicação sem fio: ótica, infra-vermelho e Radio Freqüência (RF)
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada física
Em uma RSSF podem ser exploradas três possibilidades para comunicação sem fio: ÓTICA INFRA-VERMELHO RADIO FREQÜÊNCIA (RF)
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada física
Comunicação Ótica: A comunicação ótica consome menor quantidade de energia por bit transmitido não requer área física para instalação de antena
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada física
Comunicação Ótica: Necessita de uma linha de sinal (LOS - Line of Sight) para comunicação, isto é, transmissor e receptor devem estar alinhados A comunicação direcional não e viável nas aplicações em que os nós são lançados sobre a área monitorada É sensível às condições atmosféricas
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada física
Comunicação Infra-vermelha: A comunicação através de infra-vermelho também e usualmente direcional Tem menor alcance que a Óptica Possui a vantagem de não necessitar de antena Ainda não estão disponíveis nós que utilizem esse tipo de comunicação
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada física
Comunicação por Radio Freqüência: Baseada em ondas eletromagnéticas Facilidade de uso e alta aceitação comercial Alto consumo de energia com modulação, filtragem de demodulação O tamanho da antena ainda é muito grande
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada de enlace
Os requisitos da camada de enlace são diferentes para os diferentes tipos de RSSF(composição, mobilidade, organização, densidade, distribuição)
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada de enlace
Alguns dos principais protocolos de acesso ao meio projetados para RSSFs são: S-MAC (Sensor-MAC) ARC (Adaptive Rate Control) T-MAC (Time-out-MAC) B-MAC (backoff-MAC) DE-MAC (Distributed Energy aware MAC)
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada de enlace
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada de rede
A principal função da camada de rede é prover o serviço de roteamento que pode ser definido como o processo pelo qual a rede consegue identificar o destinatário das mensagens e encontrar um caminho entre a origem e o destino desta mensagem
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada de rede
Existem diversas formas diferentes de se fazer o roteamento entre os nós em RSSFs, e a eficiência da RSSF será dada, em grande parte, pela forma como o roteamento das mensagens ocorre
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada de rede
A forma de comunicação típica de uma RSSF é unidirecional no sentido dos nós fontes para o ponto de acesso, como um multicast invertido Os dados dos nós fontes em geral referem-se a um fenômeno comum, portanto, existe a probabilidade de redundância dos dados transmitidos
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada de rede
Normalmente os nós sensores possuirão pouca ou nenhuma mobilidade A principal restrição nas RSSFs é a limitação de energia
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada de rede
Neste contexto de severas limitações, a fusão / agregação de dados tem sido apontada como uma opção que permite otimizar as operação A idéia é pré-processar os dados dentro da rede reduzindo a ocorrência de redundâncias e o número de transmissões para economizar energia
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada de rede
Modificando o foco da abordagem tradicional, centrada em endereço, para uma abordagem nova, centrada em dados, que permite a consolidação / sumarização de dados redundantes
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada de rede
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada de rede
Endereçamento em RSSFs: Uma propriedade importante para as redes tradicionais é o endereçamento global único para permitir a identificação de qualquer nó que se deseja estabelecer comunicação Este tipo de endereçamento exige um espaço suficiente para identificar cada um dos nós da rede. Assim, quanto maior o numero de nós maior deverá ser o espaço necessário para seus endereços
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada de rede
Endereçamento em RSSFs: Nas RSSFs cada bit transmitido reduz o tempo de vida da rede, todos os componentes de uma RSSF devem minimizar o consumo de energia para prolongar o tempo de vida da rede. Além disso, o numero de elementos em uma RSSF pode ser da ordem de milhares
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada de rede
Endereçamento em RSSFs: tipicamente as aplicações de RSSFs não estão interessadas no identificador de um nó individual, consultas são feitas com o objetivo de extrair dados de uma região e não de um nó. Conseqüentemente, se faz necessário encontrar novas soluções de endereçamento que atendam as restrições das RSSFs considerando suas particularidades Endereçamento Espacial Endereçamento Baseado em Atributos Endereçamento de Transações
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada de transporte
Ao contrario das redes tradicionais, o uso de protocolos de transporte em RSSFs nem sempre é necessário A maioria das aplicações de RSSFs admitem a perda de dados, assim um mecanismo elaborado para garantia de envio de dados não é justificado
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Camada de transporte
Apesar disso, algumas aplicações ou tarefas na rede necessitam de entrega confiável de dados reprogramação de nós funções de gerenciamento
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PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO
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MODELOS DE COMUNICAÇÃO
Estudando os padrões de comunicação, o projetista de uma rede pode ser capaz de escolher a infra-estrutura e os protocolos de comunicação que provêem a melhor combinação de desempenho, robustez, eficiência e menor custo possível
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MODELOS DE COMUNICAÇÃO
O protocolo de rede deve suporta dois tipos de comunicação: Aplicação Infra-estrutura
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MODELOS DE COMUNICAÇÃO
A comunicação da aplicação relaciona-se à transferência do dado monitorado (ou informação obtida dele) com o objetivo de informar ao observador sobre o fenômeno Dentro da comunicação da aplicação, há dois modelos: Cooperativo: os sensores comunicam-se para atender o interesse do observador Não Cooperativo
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MODELOS DE COMUNICAÇÃO
A infra-estrutura de comunicação refere-se à comunicação necessária para configurar, manter e otimizar a operação devido à natureza ad hoc das redes de sensores, elas devem ser capazes de descobrir caminhos para outros sensores de interesse para si próprios e para o observador, desconsiderando a mobilidade ou falha do sensor
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MODELOS DE COMUNICAÇÃO
é influenciada pelos interesses da aplicação, já que a rede deve ser auto-reconfigurável para melhor satisfazê-los representa o overhead do protocolo, por isso é importante minimizar esta comunicação
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MODELOS DE ENVIO DE DADOS
As RSSF podem ser classificadas em relação ao modelo de envio de dados como Contínua Orientada a evento Iniciada pelo observador Híbrida
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MODELOS DE ENVIO DE DADOS Modelo contínuo
os sensores comunicam seus dados continuamente numa taxa pré-especificada
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MODELOS DE ENVIO DE DADOS Modelo de Dados Orientado a Eventos
os sensores reportam informação somente se um evento de interesse ocorre. Neste caso, o observador está interessado na ocorrência de um fenômeno específico ou conjunto de fenômenos
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MODELOS DE ENVIO DE DADOS Modelo Iniciado Pelo Observador
Também conhecido como request-replay Os sensores somente reportam seus resultados em resposta a uma requisição explícita do observador diretamente, ou indiretamente através de outros sensores
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MODELOS DE ENVIO DE DADOS Modelo Híbrido
as três estratégias co-existem na mesma rede
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EXEMPLOS DE NÓS SENSORES
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ÁREAS DE UTILIZAÇÃO Redes de Sensores estão sendo utilizadas nas mais diferentes áreas Controle: para prover algum mecanismo de controle, seja em um ambiente industrial ou não sensores sem fio podem ser embutidos em peças numa linha de montagem para fazer testes no processo de manufatura
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ÁREAS DE UTILIZAÇÃO Ambiente: para monitorar variáveis ambientais em locais internos como prédios e residências, e locais externos como florestas, desertos, oceanos, vulcões, etc
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ÁREAS DE UTILIZAÇÃO Tráfego: para monitorar tráfego de veículos em rodovias, malhas viárias urbanas, etc Segurança: para prover segurança em centros comerciais, estacionamentos, etc
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ÁREAS DE UTILIZAÇÃO Medicina / Biologia: para monitorar o funcionamento de órgãos como o coração, detectar a presença de substâncias que indicam a presença ou surgimento de um problema biológico, seja no corpo humano ou animal
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ÁREAS DE UTILIZAÇÃO Sensores introduzidos no corpo humano para
monitorar condições físicas
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ÁREAS DE UTILIZAÇÃO Militar: para detectar movimentos inimigos, explosões, a presença de material perigoso como gás venenoso ou radiação, etc
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PROJETOS Projeto Macro Motes (COTS Dust)
Desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Berkeley – sensores chamados MOTES Um dos principais objetivos é o reduzido consumo de energia Em 2000 a primeira geração conhecida como Macro Motes ou COTS Dust Mote
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PROJETOS Projeto Macro Motes (COTS Dust)
O transceptor RF é o TR 1000 que opera em freqüência 916,5 MHz, com capacidade de transmitir em média 10 kbps O sistema operacional deste nós é o TinyOS
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PROJETOS Projeto Mica Motes
Os nós sensores Mica Motes também são desenvolvidos pelos pesquisadores da Universidade de Berkeley A plataforma Mica Motes é comercializada pela Crossbow e é uma das mais empregadas em projetos envolvendo RSSFs
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PROJETOS Projeto Mica Motes
A unidade de sensoriamento de cada não Mica Mote pode ser equipada com uma variedade de sensores, tais como acústico, temperatura, aceleração, luminosidade e pressão Incorpora uma unidade de processamento RISC, memória RAM e FLASH, conversores analógico-digitais, temporizadores e controladores de interrupção adota o TinyOS como plataforma
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PROJETOS Projeto Smart Dust Desenvolvido pela Universidade de Berkeley
Principal objetivo reduzir o tamanho dos nós sensores para que estes apresentem as dimensões de um grão de poeira, ou seja, um cubo de aproximadamente um milímetro
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PROJETOS Projeto Smart Dust
Os componentes disponíveis para este dispositivo serão um sensor, uma bateria, um circuito analógico, um dispositivo de comunicação óptica bidirecional e um microprocessador programável Comunicação óptica devido a baixa disponibilidade de energia no nó
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PROJETOS Projeto MicroAmps
Os pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology (MIT) são os responsáveis pelo desenvolvimento do AMPS Ideal para aplicações onde existem muitas variações no ambiente
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PROJETOS Projeto MicroAmps
Possuem uma política de gerenciamento de energia, conhecida por power-aware ou energy-aware, que permite que o nó sensor seja capaz de fazer com que seu consumo de energia se adapte variações do ambiente recursos que ele próprio dispõe requisições dos usuários da rede
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PROJETOS Projeto WINS O Rockwell Science Center em colaboração com pesquisadores da Universidade da California, Los Angeles (UCLA), desenvolveram o protótipo de um nó sensor, chamado WINS (Wireless Integrated Network Sensors) O dispositivo combina capacidade de sensoriamento (tais como sísmica, acústica e magnética) com um processador RISC embutido e um radio de transmissão
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PROJETOS Projeto BEAN Os pesquisadores Projeto SensorNet do DCC/UFMG estão em desenvolvimento a plataforma computacional chamado de BEAN (Brazilian Energy-Efcient Architectural Node) que servirá como protótipo de um nó sensor O microcontrolador utilizado é da família MSP430, que é ultra-low power, além de ser 16bits 8 MIPS e possuir vários modos de operações e é equipado com um conjunto completo de conversor analógico-digital
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PROJETOS Projeto BEAN O sistema operacional deste projeto também está sendo desenvolvido pelos pesquisadores da UFMG e foi batizado de YATOS (Yet Another Tiny Operating System)
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CONSIDERAÇÕES FINAIS As redes de sensores formam um campo que está sendo muito pesquisado atualmente É possível monitorar ambientes de difícil acesso, como campos de batalha, regiões do oceano, florestas
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CONSIDERAÇÕES FINAIS Os sensores podem ser móveis ou imóveis
Apresentam vários problemas de segurança e tolerância a falhas Novos protocolos são estudados para resolver esses tipos de problemas
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CONSIDERAÇÕES FINAIS Os sensores possuem baixa capacidade de energia e memória Um desafio consiste em conseguir-se capacidade de armazenamento de tamanho razoável e que a rede funcione sem falhas, fornecendo informações atuais e corretas do fenômeno observado
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CONSIDERAÇÕES FINAIS as rede de sensores possuem características próprias relevantes que devem ser cuidadosamente observadas Ainda há muito a ser estudado e implementado em RSSF: novos protocolos de comunicação, de gerenciamento, de tolerância a falhas, entre outros pontos, para tornar mais concreto e viável a utilização destas redes
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
J. Heidemann, F. Silva, C. Intanagonwiwat, R.Govindan, D. Estrin e D. Ganesan, “Building efficient wireless sensor networks with low-level naming” Linnyer Beatrys Ruiz, Luiz Henrique A. Correia, Luiz Filipe M. Vieira, Eduardo F. Nakamura, Carlos M. S. Figueiredo Marcos Augusto M. Vieira, Eduardo Habib Bechelane, Daniel Camara, Antonio A.F. Loureiro, José Marcos S. Nogueira, e Antonio O. Fernandes, “Arquiteturas para Redes de Sensores Sem Fio”
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
David E. Culler and Wei Hong, “Wireless Sensor Network” COMMUNICATIONS OF THE ACM 06/2004 Marluce Pereira, Cláudio Amorim e Maria C. S. de Castro, “Tutorial sobre Redes de Sensores”
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