Redes de sensores sem fios: aplicações para supervisão e monitorização de infraestruturas
M
1. INTRODUÇÃO
de rede), em suma, serem nós inte-
uma massificação do mercado impul-
As Wireless Sensors Network (WSN), ou
ligentes (Wireless Smart Sensors Net
sionando bastante as redes WSN, co-
redes de sensors sem fios, podem ser
work, WSSN). Durante o processo
mo é exemplo a Internet das Coisas
descritas como nós de rede que detec-
de transmissão de dados, estes são
(Internet of Things, IoT ou a Internet of
tam e controlam cooperativamente
encaminhados por cada nó (tal como
Everything, IoE).
o ambiente envolvente, permitindo a
nas redes LAN ou Internet), sendo
interação entre pessoas ou máquinas
que cada nó pode acrescentar ou não
(computadores, sistemas com capaci-
informação, dependendo da relevân-
dade de processamento de dados) e o
cia dos dados. Os dados são recolhi-
2. ARQUITETURA DAS REDES DE SENSORES SEM FIOS
dos pela unidade central (gateway),
Os nós de rede, neste caso os nós sen-
As redes WSN constituem uma
sendo depois enviados pela Internet
sores (sensor node), são os elementos
tecnologia emergente, em que pe-
para os diversos sistemas de supervi-
principais de uma rede de sensores
quenos
denominados
são / monitorização (sistemas SCADA
sem fios (WSN). O hardware desse nó
nós, com sensores, são utilizados
ou CPS) dependendo da necessidade
sensor, geralmente é constituído por
com intuito de monitorizar áreas de
dos sistemas, ver Figura 1.
Luís Pires INETE – Instituto de Educação Técnica lpires@inete.net
ambiente circundante.
8
artigo científico
135
dispositivos,
A grande massificação das tecno-
ção / potência e gestão do sistema de
oceanos, desertos, vulcões, florestas,
logias, nomeadamente dos sistemas e
alimentação / potência, elemento ou
áreas industriais, infraestruturas, en-
microsistemas microcontrolados, dos
elementos sensores, microcontrola-
tre outros. As redes WSN são cada vez
sensores, dos atuadores e da própria
dor e / ou microprocessador e por fim
mais um tópico de enorme atividade
consistência da tecnologia, permitiu
um transrecetor (transceiver) rádio-
de investigação, principalmente de-
uma redução considerável dos custos
-frequência (RF), ver Figura 2.
vido aos avanços nas tecnologias de
deste hardware; assim, o custo de uma
O módulo de potência deve ter a
microchips. Apontadas como uma das
rede WSN reduziu drasticamente. Por
capacidade para disponibilizar toda
principais tecnologias do século XXI,
outro lado, os padrões / protocolos de
a potência necessária para os outros
estão a emergir em áreas de investi-
comunicação sem fios que suportam
módulos que constituem o nó sensor,
gação tão distintas como a saúde, a
a rede WSN, têm dado mais garantias
tendo para isso baterias, super-con-
psicologia, a prevenção de fogos, a
de fiabilidade e interoperabilidade,
densadores
segurança, qualquer tipo de infraes-
exemplo as redes: Zigbee, Wi-Fi, Wire-
podendo este módulo ainda fazer
trutura e as áreas militares. Este tipo
less Hart, Wi-Fi para a indústria (WIA-
“colheita” (harvesting) de energia do
de redes permite acompanhar, moni-
-PA), ANT, entre outras. Além disso,
ambiente, solar, vibração, temperatu-
torizar, estudar, compreender e atuar
com novas aplicações emergentes
ra ou vento. O módulo de sensor é o
sobre um determinado fenómeno ou
para as redes WSN para ambientes
elemento que permite interpretar a
acontecimento.
industriais e domésticos, provocará
ou as grandezas físicas do ambiente
As WSN atualmente incluem, para além de sensores, atuadores, gateways (entidade central com interface para Internet, para supervisão/monitorização, para manutenção, entre outros) e cliente final (utilizadores do sistema). Os nós de redes devem Manutenção 135, 4.o Trimestre de 2017
quatro partes: sistema de alimenta-
difícil acesso ou inóspitas, tais como
ter capacidade de processamento de dados. Para além da aquisição e tratamento dos mesmos, devem ainda possuir capacidade para cooperação com outros nós de rede no sentido de partilha de tarefas e aferição de resultados (dependendo dos algoritmos implementados em cada nós
Figura 1. Exemplo de um WSN.
para
armazenamento,
Aplicações em Infraestruturas
mento são muito complexos,
primordial importância. Apesar de
Elétricas: A rede elétrica não é
o que requer mais monitoriza-
fazerem parte do grupo de redes ad
apenas uma parte importante da
ções automáticas, mais equipa-
hoc, as WSN diferem das outras re-
indústria de energia elétrica, mas
mentos de controlo e proteção
des, principalmente devido à etapa
também uma parte importante da
para enviar alarmes automáti-
de instalação de todos os elementos
sustentabilidade de um país. Com a
cos quando ocorrem pequenos
pertencentes a este tipo de rede no
dependência crescente da energia
acidentes, as redes de sensores
ambiente onde se pretende estudar
elétrica, a confiabilidade e qualida-
sem fios podem ser um exce-
o fenómeno. Por via das caraterísticas
de da rede elétrica está a aumen-
singulares de cada nó e da rede como
tar no mundo inteiro. Uma rede
um todo, esta operação torna-se es-
eléctrica inteligente abre a porta a
ção industrial, as WSNs podem ser
sencial e, por vezes, condicionante do
novas aplicações com impactos de
utilizadas para controlar métricas
projecto da arquitectura da solução fi-
longo alcance: proporcionar a capa-
importantes, tais como fluxo, pres-
nal. Nos parágrafos seguintes descre-
cidade de integrar com segurança
são, temperatura, humidade, nível,
vem-se possíveis aplicações.
mais fontes de energia renováveis,
possibilitando a identificação de
Aplicações Militares: A facilidade
veículos eléctricos e geradores dis-
vazamento, aquecimento e outros.
com que as redes de sensores po-
tribuídos para a rede.
Essas métricas são essencialmen-
dem ser constituídas, adicionada às
› Fornecendo energia de forma
te úteis para fornecedores e dis-
caraterísticas de auto-organização,
mais eficiente e confiável atra-
tribuídores de água, gás, energia
coordenação e tolerância a falhas
vés da resposta as necessida-
elétrica ou smart grids, por exem-
tornam as redes de sensores apro-
des e capacidades abrangentes
plo. As soluções inteligentes de
priadas para uso militar. Os senso-
de controlo e monitorização;
gestão de tráfego baseiam-se na
Usando a reconfiguração auto-
medição precisa e previsão numa
aeronaves em campos de batalha,
mática de rede para prevenir
cidade. Isso inclui não apenas uma
possibilitando a identificação e / ou
ou restaurar interrupções, e
estimativa da densidade de carros
o monitorização de ações de tropas
ainda possibilitar aos consumi-
numa determinada rua, avenida ou
amigas ou inimigas. Como tipica-
dores ter maior controlo sobre
o número de passageiros dentro
mente as redes de sensores são
o seu consumo de eletricidade;
de um determinado autocarro ou
A condição das linhas de trans-
comboio, mas também a análise
ção de alguns sensores por ações
missão elétricas é diretamen-
das origens e destinos dos veículos
inimigas, por perda de energia e
te afetada pelo vento, chuva,
e passageiros. As instalações para
outros, possivelmente não implica-
neve, nevoeiro, gelo, e outras
esse fim podem ser feitas através
rá perda de conetividade.
forças naturais. Ao mesmo
de sensores tradicionais com fio,
Aplicações Ambientais: A monito-
tempo, a poluição industrial e
como câmeras, mas as WSNs po-
rização do processo migratório de
agrícola constitui também uma
dem ser uma alternativa, pois exis-
pássaros, insetos ou de pequenos
ameaça na operação segura de
te uma enorme redução de custos
animais pode ser realizado através
linhas de transmissão. O am-
de instalação e mão de obra, assim
de redes de sensores. Além dis-
biente de operação das linhas
como uma maior mobilidade na lo-
so, milhões de sensores dispostos
de transmissão e o funciona-
calização de cada sensor.
de vida da própria rede um aspeto de
•
artigo científico
res podem ser lançados através de
10
densamente povoadas, a destrui-
•
•
›
›
lente contributo. •
Aplicações Diversas: Na produ-
numa floresta possibilitam a identificação de inundações e a identificação exata da origem de incêndios (naturais ou criminosos) e de queimadas antes que o fogo possa ficar descontrolado, eventos estes que podem causar inúmeros prejuízos à população e à natureza. O uso de pesticidas acima do limite, permitido a presença de insetos nocivos à cultura de uma determinada lavoura, são eventos passíveis de serem supervisionados através das WSNs. •
Aplicações Médicas: Órgãos vitais dos seres vivos podem ser monitorizados através da introdução de sensores nos organismos, identificando a presença de alguma substância específica ou o surgimento
Figura 4. Arquitetura geral de um sistema de monitorização em tempo real para linhas
de algum problema biológico.
de transmissão elétricas baseada nas redes WSN.
M