Redes de Sensores Sem Fio: Uma Análise Detalhada
Redes de Sensores Sem Fio (WSN), identificadas pela sigla em inglês, WSN, são sistemas que detectam e reagem a variáveis físicas e ambientais, como temperatura, pressão e luminosidade, utilizando uma malha de sensores interconectados.
O desenvolvimento da tecnologia sem fio e dos sensores Micro Eletro Mecânicos (MEMS) viabilizou a implementação de sensores de baixo consumo de energia em extensas áreas, originando WSNs acessíveis para uso em aplicações militares e civis.
A seguir, exploraremos os tipos de WSNs, seus componentes, usos, vantagens, desvantagens e aplicações.
O que Define uma Rede?
Redes são sistemas que conectam dispositivos, permitindo a troca de informações e o compartilhamento de recursos. Esses dispositivos utilizam protocolos de comunicação como TCP/IP, UDP, FTP, HTTP e SMTP, que estabelecem as regras para a transmissão de dados em redes com ou sem fio.
Existem basicamente dois tipos de redes: com fio e sem fio. A diferença entre elas reside na velocidade de transferência de dados, segurança, alcance da comunicação e custo.
As redes com fio empregam cabos físicos para interligar dispositivos, enquanto as redes sem fio dependem de ondas de rádio para a conexão. Há diversas tecnologias sem fio disponíveis, como Wi-Fi e Bluetooth.
Uma Rede de Sensores Sem Fio (WSN) utiliza tecnologia sem fio, com a comunicação sendo realizada por meio de sinais de rádio.
O que é uma Rede de Sensores Sem Fio (WSN)?
Uma Rede de Sensores Sem Fio, ou WSN, é um conjunto de sensores especializados distribuídos em locais estratégicos para monitorar parâmetros ambientais físicos, consolidando os dados em um ponto central.
Esses parâmetros físicos incluem temperatura, pressão, vento e umidade, entre outros fatores.
Crédito da imagem: electronicshub
Uma WSN compreende estações base e nós que interagem sem fio. A estrutura de uma WSN pode ser estabelecida utilizando quatro abordagens distintas: ponto a ponto, estrela, árvore e malha.
Um sistema WSN pode ser categorizado em cinco tipos, com base no ambiente físico: subterrâneo, terrestre, subaquático, multimídia e móvel.
Projetos inovadores de sensores combinam engenharia e tecnologia para unir o físico ao digital, buscando resultados eficientes.
A WSN é composta por nós com sensores que identificam variações físicas e ambientais, transmitindo dados para uma estação base para análise e relatórios.
A integração de redes de sensores sem fio com GPS ou RFID melhora a cobertura e cria sistemas de rastreamento ou monitoramento mais avançados.
O objetivo das WSNs é coletar informações ambientais para aumentar a segurança, produtividade e prevenir acidentes, além de proteger o meio ambiente.
Componentes de uma WSN
Vamos analisar os componentes que formam uma WSN. Principalmente, uma WSN é constituída por duas partes: o Nó Sensor e a Arquitetura da Rede.
Nó Sensor
O nó sensor é composto por:
- Fonte de alimentação: Fornece energia a todos os componentes da rede.
- Unidade de Sensoriamento: Inclui o Sensor e o ADC (Conversor Analógico para Digital). O sensor coleta dados analógicos, e o ADC os converte em formato digital. Os nós sensores também possuem componentes de processamento, comunicação e armazenamento. O Nó Sensor coleta, analisa e correlaciona dados físicos com dados de outros sensores.
- Unidade de Processamento: Composta por Memória e Microprocessador. Processa e manipula os dados de forma inteligente.
- Sistema de Comunicação: Um sistema de rádio para transmissão e recepção de dados.
- Estação Base: Um nó especial com alta capacidade de computação e processamento.
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Cabeça de Cluster: Um nó sensor de alta largura de banda utilizado para executar funções de fusão e agregação de dados em WSNs. O número de cabeças de cluster em um sistema depende dos requisitos e aplicações.
Em uma WSN, um nó sensor comunica-se com outros nós em grandes áreas para monitorar o ambiente físico e com uma Estação Base (BS) via comunicação sem fio. Os nós sensores coletam dados e enviam para a estação base, que os processa e compartilha informações atualizadas com os usuários online.
Arquitetura da Rede
Quando todos os nós sensores estão conectados à estação base, temos uma arquitetura de rede de salto único. Em casos de transmissão de dados por longas distâncias, que consomem mais energia do que a coleta e computação, a arquitetura de rede multi-hop é mais utilizada, empregando nós intermediários em vez de uma ligação direta entre o nó sensor e a estação base.
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Existem duas formas de implementar essas estruturas: arquitetura de rede plana e arquitetura de rede hierárquica.
Na arquitetura plana, a estação base controla todos os nós sensores, e os nós sensores se comunicam por meio de nós pares usando um caminho multi-hop.
Na arquitetura hierárquica, os chefes de cluster recebem dados de um grupo de nós sensores e os encaminham para a estação base.
Outros componentes da WSN
- Nó de Retransmissão: Um nó intermediário que se comunica com nós adjacentes. Aumenta a confiabilidade da rede e não possui um sensor de processo ou equipamento de controle.
- Nó de Ator: Utilizado para executar e tomar decisões com base nos requisitos do aplicativo. São dispositivos com recursos avançados, alta capacidade de processamento, alta potência de transmissão e duração da bateria.
- Gateway: Interface entre redes de sensores e redes externas. Comparado com o nó sensor e a cabeça de cluster, o nó gateway é mais poderoso em relação à memória, processador, alcance do transceptor e possibilidade de expansão por meio de memória externa.
Tipos de Redes de Sensores Sem Fio (WSN)
Existem cinco tipos distintos de WSN:
- Subaquática: Redes que utilizam nós de sensores e veículos subaquáticos para coletar dados. Enfrentam problemas como alta latência, mau funcionamento dos sensores e limitações nas baterias não recarregáveis.
- Subterrânea: Monitoram condições subterrâneas, operando inteiramente no subsolo. Nós Sink colocados acima do solo transmitem dados para a estação base. São mais caras que as redes terrestres devido ao custo de equipamentos e manutenção.
- Terrestre: Utilizadas em terra para monitorar condições ambientais em diferentes áreas. Milhares de nós de sensores sem fio são implantados de forma ad hoc ou pré-planejada para se comunicar com as estações base.
- Multimídia: Rastreiam e monitoram eventos multimídia como vídeo, imagem e áudio. Possuem nós de sensor com câmeras e microfones que conectam, recuperam, compactam e correlacionam dados sem fio.
- Móvel: Composta por nós sensores que podem se mover e comunicar durante as funções de detecção. Oferecem mais flexibilidade, cobertura mais ampla, melhor capacidade de canal e economizam energia em comparação com redes de sensores estacionárias.
A implantação de um tipo de WSN é determinada pelos requisitos da aplicação e do ambiente.
Diferentes Estruturas de WSN
Existem quatro tipos de estruturas de rede, cuja implementação afeta a latência, capacidade e robustez, pois o roteamento e processamento de dados mudam com as diferentes estruturas. Avaliar os requisitos e a natureza da aplicação é crucial antes de escolher a estrutura da WSN.
Os nós podem ser conectados à Internet, transferindo dados para a nuvem para análises posteriores.
Crédito da imagem: Researchgate
- Ponto a ponto ou estrutura de barramento: Os sensores se comunicam diretamente sem um hub central. É uma estrutura comum que oferece comunicação segura.
- Estrutura em estrela: Usa uma estação base como hub central para comunicação com todos os sensores. É simples de implementar e tem baixo consumo de energia. A desvantagem é a dependência de uma única estação base para comunicação.
- Estrutura em árvore ou híbrida: Combina estruturas ponto a ponto e estrela. Os sensores são dispostos em uma configuração de árvore, e a transmissão de dados ocorre por meio de ramificações. Utiliza menos energia do que outras estruturas.
- Estrutura Mesh: A transmissão de dados ocorre entre sensores dentro de suas faixas de transmissão para comunicação multi-hop, sem a necessidade de uma estação base central. Sensores podem usar intermediários para transmitir dados para sensores fora de sua área de cobertura. É reconhecida pela escalabilidade e redundância. É considerada a mais confiável, pois não há um ponto único de falha, mas exige mais energia.
Aplicações de WSN
As WSNs são amplamente utilizadas em setores onde é necessário medição, rastreamento ou vigilância. Elas são distribuídas em uma área, medindo temperatura, som e outros parâmetros.
- São empregadas para monitorar regiões, detectando tentativas de invasão, sendo muito utilizadas nas forças armadas.
- São populares em aplicações civis como mineração, saúde, vigilância, agricultura e monitoramento de diversas condições.
- Nós de sensores sem fio detectam veículos estacionados por meio de magnetômetros, e micro-radares e magnetômetros podem ser usados para rastreamento.
- As WSNs são populares no monitoramento e detecção ambiental/terrestre, como prevenção de desastres naturais, detecção de deslizamentos de terra, monitoramento da qualidade da água, detecção de incêndios florestais e monitoramento de habitats, e também em soluções de monitoramento industrial, como saúde da máquina, águas residuais e saúde estrutural.
Vantagens e Desvantagens das Redes de Sensores Sem Fio
Vamos analisar as vantagens e desvantagens das WSNs:
Vantagens
- As WSNs são preferidas aos sistemas de monitoramento com fio por sua conveniência, confiabilidade, acessibilidade e facilidade de implantação.
- Eliminam a necessidade de cabos ou fios.
- As vantagens das WSNs incluem precisão de detecção, alcance de cobertura, tolerância a falhas, conectividade, baixa intervenção humana, funcionalidade em condições desafiadoras e programação dinâmica de sensores.
- Permitem monitoramento centralizado de todos os nós.
- Adaptam-se a partições físicas sem problemas.
- Utilizam protocolos de roteamento para comunicação em ambientes com desempenho e largura de banda limitados, criando redes ad hoc auto-organizadas com comunicação multi-hop.
- Empregam algoritmos de segurança baseados em tecnologia sem fio para criar redes confiáveis.
- Permitem a fácil integração de novos nós ou dispositivos para escalabilidade.
Desvantagens
- As WSNs enfrentam desafios como largura de banda limitada, alto consumo de energia, custos elevados de nós, modelos de implantação e restrições de projeto de hardware/software.
- São suscetíveis a ataques cibernéticos.
- São projetadas para aplicações de baixa velocidade, não sendo adequadas para comunicação de alta velocidade.
- A construção de redes WSN é cara.
- Em WSNs baseadas na topologia em estrela, a rede pode parar se o nó central falhar.
Recursos de Aprendizagem
#1. Construindo redes de sensores sem fio usando Arduino
Este livro ensina a construir uma rede sem fio de baixo consumo com Arduino e XBee. Inclui explicações sobre o desenvolvimento de projetos complexos com exemplos ilustrativos e fornece fotos e capturas de tela detalhadas. Apresenta um projeto de automação residencial que pode ser seguido ou personalizado.
Você aprenderá a conectar placas Arduino sem fio com módulos XBee e controlar o ambiente com base no feedback dos sensores. Utilizará o software XCTU em Windows, OS X ou Linux para coleta e armazenamento de dados do sensor em uma plataforma na nuvem ou banco de dados pessoal. Também poderá interagir com dispositivos ZigBee Home Automation.
É indicado para desenvolvedores de sistemas embarcados e entusiastas com conhecimento em Arduino que desejam expandir seus projetos com tecnologia sem fio.
#2. Construindo redes de sensores sem fio: com ZigBee, XBee, Arduino e processamento
Este livro aborda a construção de uma rede ZigBee com rádios XBee e Arduino por menos de US$100. Você criará sistemas de detecção e atuação ajustáveis e compreenderá as complexidades do XBee, como gerenciamento de energia e roteamento de fonte. Desenvolverá gateways para interligação com redes adjacentes, incluindo a Internet.
Este livro ajudará diversas pessoas a adquirir conhecimento e habilidades para realizar seus projetos, incluindo inventores, hackers, artesãos, estudantes, amadores e cientistas.
É um excelente recurso para criar dispositivos interativos inteligentes e sistemas de sensores utilizando o protocolo de rede sem fio ZigBee e rádios Series 2 XBee.
#3. Redes de Sensores Sem Fio Industriais (IWSN): Protocolos e Aplicações
Esta publicação apresenta pesquisas sobre redes de sensores sem fio industriais. Os artigos incluídos contribuem para o avanço da pesquisa em IWSNs, com o objetivo de inspirar novas pesquisas e implementações.
As IWSNs são cruciais devido ao crescente uso de redes de sensores sem fio na vida cotidiana e na indústria, que exigem altos padrões de robustez, confiabilidade e pontualidade.
#4. Construindo redes de sensores sem fio com ESP32 LoRa
Este guia ensina como implementar uma Rede de Sensores Sem Fio (WSN) básica com ESP32 na rede LoRa.
Aborda diversos temas, como a preparação do ambiente de desenvolvimento, configuração do ESP32 LoRa, envio e recebimento de dados, interrupção do receptor LoRa, transmissão de mensagens na rede LoRa e criação de um aplicativo WSN com o ESP32 LoRa.
Considerações Finais
As redes de sensores sem fio (WSN) tornaram-se indispensáveis para diversas aplicações de monitoramento e rastreamento, evoluindo de sistemas básicos para detecção, processamento e análise avançados.
A tecnologia WSN se desenvolveu para reunir informações valiosas e fornecer resultados eficientes.
Para mais informações, explore o funcionamento do modelo de arquitetura do protocolo TCP/IP.