WSN, um acrônimo para Wireless Sensor Networks, detecta e responde a condições físicas e ambientais, como calor, pressão, luz, etc., por meio de sua rede de sensores.
Os avanços na tecnologia sem fio e nos sensores do Micro Electro Mechanical System (MEMS) possibilitaram a implantação inteligente de sensores de baixa potência em uma ampla área, criando WSNs de baixo custo para aplicações militares e civis.
Na seção abaixo, discutiremos os tipos de RSSFs, seus componentes e aplicações, e suas vantagens e desvantagens e aplicações.
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Qual é o significado de uma rede?
Dispositivos de ligação em rede que permitem a troca de informações e o compartilhamento de recursos. Esses dispositivos integrados usam protocolos de comunicação como TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP, etc., que são um conjunto de regras para transmissão de dados em redes sem fio ou com fio.
Basicamente, existem dois tipos de redes: com fio e sem fio. As redes com e sem fio diferem com base na velocidade de transferência de dados, segurança de dados, alcance de comunicação e custo.
Uma rede com fio é categorizada pela interconexão de dispositivos por meio de cabos físicos, enquanto as redes sem fio dependem de ondas de rádio para conectividade de dispositivos. Existem várias tecnologias sem fio disponíveis, como Wi-Fi, Bluetooth, etc.
Rede de sensores sem fio (WSN), como o nome indica, é uma tecnologia sem fio, e a comunicação ocorre por meio de sinais de rádio.
O que é uma Rede de Sensores Sem Fio (WSN)?
Uma Rede de Sensores Sem Fio, também chamada de WSN, é uma coleção de sensores especializados dispostos em diferentes locais em estruturas específicas para registrar e monitorar parâmetros ambientais físicos e organizar os dados resultantes em um local centralizado.
Esses parâmetros físicos incluem, entre outros, temperatura, pressão, vento e umidade, entre outros fatores.
Crédito da imagem: electronicshub
Uma rede WSN compreende estações base e nós posicionados em diferentes locais, que interagem sem fio. A estrutura WSN pode ser implementada usando quatro abordagens distintas, ou seja, ponto-a-ponto, estrela, árvore e tipos de malha.
Um arranjo de RSSF pode ser categorizado em cinco tipos com base no ambiente físico: RSSF subterrânea, terrestre, subaquática, multimídia e móvel.
Novos projetos de sensores usam avanços de engenharia e tecnologia para unir os domínios físico e digital para resultados eficientes.
A WSN consiste em nós com sensores que detectam mudanças físicas e ambientais que transmitem dados para uma estação base para análise e geração de relatórios.
A integração de redes de sensores sem fio com GPS ou RFID pode melhorar a cobertura e criar sistemas sofisticados de rastreamento ou monitoramento.
As RSSFs visam coletar informações ambientais para aumentar a segurança, a produtividade e a prevenção de acidentes, protegendo o meio ambiente.
Componentes de uma RSSF
Vejamos a lista de componentes que compõem uma RSSF. Principalmente, existem duas partes no WSN: Sensor Node e Network Architecture.
Nó Sensor
O nó sensor consiste nos seguintes componentes:
- Fonte de alimentação: Para alimentar todos os componentes da rede.
- Unidade de Sensoriamento: Consiste em Sensor e ADC (Conversor Analógico para Digital). O sensor coleta dados analógicos e o ADC os altera para o formato digital. Os nós sensores não apenas possuem recursos de detecção, mas também componentes de processamento, comunicação e armazenamento. O Sensor Node coleta e analisa dados físicos e os correlaciona e funde com dados de outros sensores.
- Unidade de Processamento: Consiste em Memória e Microprocessador. Ele processa e manipula dados de forma inteligente.
- Sistema de Comunicação: Um sistema de rádio para transmissão e recepção de dados.
- Estação Base: É um nó extraordinário com alta energia computacional e capacidade de processamento.
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Cluster head: É um nó sensor de alta largura de banda usado para executar funções de fusão e agregação de dados em RSSF. Com base nos requisitos e aplicativos do sistema, mais de um cabeçote de cluster estará dentro do cluster.
Em uma Rede de Sensores Sem Fio (WSN), um nó sensor se comunica com outros nós sensores implantados em grandes áreas para monitorar o ambiente físico e uma Estação Base (BS) via comunicação sem fio. Os nós sensores coletam dados e os enviam para a estação base. As estações base processam os dados e compartilham informações atualizadas com os usuários online.
Arquitetura de rede
Quando todos os nós sensores estão conectados à estação base, é chamada de arquitetura de rede de salto único. Quando os dados são transmitidos por longas distâncias, eles consomem mais energia do que a coleta de dados e a computação; portanto, nesses casos, a arquitetura de rede multi-hop é comumente usada empregando nós intermediários em vez de um link singular conectando o nó sensor à estação base.
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Existem duas maneiras de implementar essas estruturas: arquitetura de rede plana e arquitetura de rede hierárquica.
Na arquitetura plana, a estação base comanda todos os nós sensores e os nós sensores respondem por meio de nós pares usando um caminho multi-hop.
Na arquitetura de rede hierárquica, os chefes de cluster recebem informações de um grupo de nós sensores e retransmitem os dados para a estação base.
Outros componentes do WSN
- Nó de retransmissão: um nó intermediário é usado para se comunicar com o nó adjacente. Ele aumenta a confiabilidade da rede e não possui um sensor de processo ou equipamento de controle.
- Nó de ator: Um nó de ponta é usado para executar e construir uma decisão dependendo dos requisitos do aplicativo. Normalmente, esses nós são dispositivos ricos em recursos equipados com recursos de processamento de alta qualidade, alta potência de transmissão e duração da bateria.
- Gateway: Gateway é uma interface entre redes de sensores e redes externas. Comparado com o nó sensor e o cabeçote do cluster, o nó gateway é mais poderoso em relação à memória de programa e dados, ao processador usado, ao alcance do transceptor e à possibilidade de expansão por meio de memória externa.
Tipos de redes de sensores sem fio (WSN)
Existem cinco tipos diferentes de RSSF:
- Subaquático: a rede de sensores sem fio subaquático usa nós de sensores e veículos abaixo da água para coletar dados. Tem problemas de alta latência e mau funcionamento do sensor e tem baterias não recarregáveis limitadas.
- Subterrâneo: Este tipo monitora as condições subterrâneas porque funcionam inteiramente no subsolo e os nós Sink colocados acima do solo transmitem dados para a estação base. Custa mais do que as redes terrestres devido ao equipamento e manutenção dispendiosos.
- Terrestre: Este tipo de rede é usado em terra para monitorar as condições ambientais de diferentes áreas. Milhares de nós de sensores sem fio em RSSFs terrestres são implantados em uma estrutura ad hoc ou pré-planejada para se comunicar com as estações base de forma eficiente.
- Multimídia: as WSNs podem rastrear e monitorar eventos multimídia como vídeo, imagem e áudio. Eles têm nós de sensor acessíveis com câmeras e microfones que conectam, recuperam, compactam e correlacionam dados sem fio.
- Móvel: As RSSF móveis consistem em nós sensores que podem se mover e se comunicar durante a execução de funções de detecção. As redes de sensores sem fio móveis oferecem mais flexibilidade, cobertura mais ampla, melhor capacidade de canal e economizam energia em comparação com redes de sensores estacionários.
A implantação do tipo WSN é baseada nos requisitos da aplicação e do solo.
Diferentes Estruturas de RSSF
Existem quatro tipos de estruturas de rede, mas sua implementação afeta a latência, a capacidade e a robustez à medida que o roteamento e o processamento de dados mudam com diferentes estruturas de rede. Assim, a avaliação dos requisitos e da natureza da aplicação deve ser conhecida antes de implantar a estrutura da RSSF.
Os nós também podem ser conectados à Internet e transferir dados para a plataforma de nuvem para análise posterior.
Crédito da imagem: Researchgate
- Ponto a ponto ou estrutura de barramento: os sensores nesta rede podem se comunicar diretamente entre si sem nenhum hub central. Essa estrutura é amplamente utilizada e fornece comunicação segura.
- Estrutura em estrela: a rede em estrela usa uma estação base como hub central para se comunicar com todos os sensores, é simples de implementar e requer baixo consumo de energia. Uma das desvantagens dessa estrutura é a dependência de uma única estação base para comunicação.
- Estrutura em Árvore ou Híbrida: Compreende estruturas ponto-a-ponto e estrela. Nessa estrutura, os sensores são dispostos em uma configuração semelhante a uma árvore, e a transmissão de dados ocorre por meio de ramificações entre eles. Ele usa menos energia do que outras estruturas.
- Estrutura Mesh: Nesta estrutura, 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. Os sensores podem usar sensores intermediários para transmitir dados para sensores fora de sua área de cobertura de rádio. Por isso, é conhecido por escalabilidade e redundância. É considerado o mais confiável, pois não há ponto único de falha, mas requer mais energia.
Aplicações de RSSF
As RSSFs são amplamente utilizadas em vários setores onde é necessária medição, rastreamento ou vigilância. Eles se espalham por uma área, medindo temperatura, som e outros parâmetros em diversas aplicações.
- Eles são empregados para monitorar regiões por meio da implantação de sensores para detectar tentativas de invasão, por isso são amplamente utilizados nas forças armadas para detectar invasões hostis.
- Eles são populares entre aplicações civis, como mineração, saúde, vigilância, agricultura e outras condições de monitoramento.
- Os nós de sensores sem fio detectam veículos estacionados por meio de magnetômetros, enquanto micro-radares e magnetômetros podem ser usados para rastreamento.
- O WSN é muito popular 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 habitat. Também amplamente considerado em soluções de monitoramento industrial, como saúde da máquina, águas residuais, saúde estrutural, etc.
Vantagens e Desvantagens das Redes de Sensores Sem Fio
Nesta seção, veremos as vantagens e desvantagens das RSSF:
Vantagens
- As RSSFs são preferidas aos sistemas de monitoramento com fio devido à sua conveniência, confiabilidade, acessibilidade e facilidade de implantação.
- WSN elimina a necessidade de cabos ou fios.
- A proficiência das RSSFs se deve a muitos fatores: precisão de detecção, faixa de cobertura, tolerância a falhas, conectividade, baixo envolvimento humano, funcionalidade em condições desafiadoras e programação dinâmica de sensores.
- Permite o monitoramento centralizado de todos os nós dentro da WSN.
- Adaptável a partições físicas sem nenhum problema.
- Protocolos de roteamento para se comunicar em um ambiente de desempenho e largura de banda limitados, criando redes ad hoc auto-organizadas que usam comunicação multi-hop.
- Ele usa algoritmos de segurança baseados em tecnologia sem fio para criar uma rede confiável para os usuários.
- Permite fácil integração de novos nós ou dispositivos para escalabilidade.
Desvantagens
- As RSSFs 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.
- As redes de sensores sem fio são suscetíveis a hackers.
- As RSSFs são projetadas para aplicações de baixa velocidade e inadequadas para comunicação de alta velocidade.
- Caro para construir redes WSN.
- A rede inteira pode desligar em WSNs baseadas em topologia em estrela se o nó central falhar.
Recursos de aprendizagem
#1. Construindo redes de sensores sem fio usando Arduino
Um livro sobre a construção de uma rede sem fio de baixo consumo de energia com equipamentos Arduino e XBee. Inclui explicações sobre o desenvolvimento de projetos complexos através de exemplos ilustrativos. O livro fornece fotos e capturas de tela detalhadas e explica um projeto de automação residencial que pode ser seguido como está ou personalizado.
Você aprenderá como conectar placas Arduino sem fio usando módulos XBee e controlar o ambiente com base no feedback dos sensores de rede. Use o software XCTU no Windows, OS X ou Linux para coleta e armazenamento de dados do sensor em uma plataforma de nuvem ou banco de dados pessoal. Além disso, interaja com os dispositivos ZigBee Home Automation.
Este livro pode ser usado por desenvolvedores de sistemas embarcados e entusiastas com conhecimento de Arduino para expandir seus projetos usando tecnologia sem fio.
#2. Construindo redes de sensores sem fio: com ZigBee, XBee, Arduino e processamento
Este livro enfatiza a construção de uma rede ZigBee usando rádios XBee e Arduino custando menos de $ 100. Crie sistemas de detecção e atuação ajustáveis e obtenha conhecimento das complexidades do XBee, como gerenciamento de energia e roteamento de fonte. Desenvolver gateways para interligação com redes adjacentes, incluindo a Internet.
Este livro ajudará diversos indivíduos a obter conhecimento e habilidades para realizar seus projetos seguindo os exemplos de cada capítulo, incluindo inventores, hackers, artesãos, estudantes, amadores e cientistas.
É um ótimo recurso para criar dispositivos interativos inteligentes, e sistemas de sensores estão disponíveis utilizando o protocolo de rede sem fio ZigBee e os rádios Series 2 XBee.
#3. Redes de Sensores Sem Fio Industriais (IWSN): Protocolos e Aplicações
Esta publicação apresenta novos resultados de pesquisas sobre redes de sensores sem fio industriais. Os documentos incluídos na edição especial contribuem para o avanço da pesquisa sobre IWSNs e espera-se que inspirem mais pesquisas e implantações.
As IWSNs são cruciais devido ao crescente uso de redes de sensores sem fio na vida cotidiana e na indústria, que possuem altos padrões de robustez, confiabilidade e pontualidade em todas as camadas da rede.
#4. Construindo redes de sensores sem fio com ESP32 LoRa
Este guia é para implementar uma Rede de Sensores Sem Fio (WSN) básica com ESP32 na rede LoRa.
Abrange vários assuntos, como preparar o ambiente de desenvolvimento, configurar o ESP32 LoRa, enviar e receber dados, lidar com a interrupção do receptor LoRa, transmitir mensagens na rede LoRa e criar um aplicativo WSN com o ESP32 LoRa.
Palavras Finais
As redes de sensores sem fio (WSN) tornaram-se vitais para várias aplicações de monitoramento e rastreamento. A WSN progrediu do monitoramento básico do sensor para detecção, processamento e análise avançados.
A tecnologia WSN se transformou significativamente para reunir conhecimentos valiosos e fornecer os resultados desejados.
A seguir, confira o funcionamento do modelo de arquitetura do protocolo TCP/IP.