Redes de sensores sem fios: aplicações para supervisão e monitorização de infraestruturas

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Redes de sensores sem fios: aplicações para supervisão e monitorização de infraestruturas

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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.

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artigo científico

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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

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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.

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