Rede de sensores sem fio

O que é ? 

Uma rede de sensores sem fio, ou WSN, é um grupo de transdutores, ou seja, dispositivos eletrônicos que convertem energia de uma forma para outra. Esses transdutores possuem infraestrutura de comunicação que lhes permite rastrear e registrar condições em vários locais. 

As condições monitoradas pelos sensores sem fio incluem o seguinte: 

• temperatura 
• umidade 
• pressão 
• Direção do vento 
• velocidade do vento 
• intensidade de iluminação 
• intensidade de vibração 
• intensidade sonora 
• tensão da linha de energia 
• concentrações químicas 
• níveis de poluentes 
• funções vitais do corpo 

Tipos 

• Redes de sensores sem fio terrestres (usadas em terra para monitorar as condições ambientais de uma área) 
• Redes de sensores sem fio subterrâneas (com foco na utilização de sensores abaixo da superfície do solo) 
• Redes de sensores sem fio subaquáticas (projetadas para operar dentro dos limites dos ecossistemas aquáticos) 
• Redes de sensores sem fio multimídia (capazes de rastrear e monitorar eventos em formato multimídia) 
• Redes de sensores sem fio móveis (compostas por nós sensores móveis conectados sem fio) 

Classificação 

• Redes de sensores sem fio estacionárias (com nós sensores estáticos) e móveis 
• Redes de sensores sem fio determinísticas (com localização de nós sensores calculável e fixável) 
• Redes de sensores sem fio não determinísticas (com arranjo de nós indeterminável) 
• Redes de sensores sem fio (WSNs) com uma única estação base e com múltiplas estações base. 
• Redes de sensores sem fio (WSNs) com estações base estáticas e estações base móveis 
• Redes de sensores sem fio de salto único (onde os nós se conectam diretamente à estação base) 
• Redes de sensores sem fio multi-hop (onde nós intermediários estão envolvidos) 
• Redes de sensores sem fio (WSNs) auto-reconfiguráveis ​​(onde os sensores organizam a rede de forma colaborativa) 
• WSNs não auto-reconfiguráveis ​​(onde a configuração da rede fica a cargo da unidade de controle) 
• Redes de sensores sem fio homogêneas (onde todos os nós mantêm a mesma utilização de energia) 
• Redes de sensores sem fio heterogêneas (onde alguns nós têm maiores necessidades energéticas) 

Como funciona?  

A estrutura de uma rede de sensores sem fio inclui estações de detecção portáteis chamadas nós sensores. Cada nó sensor é equipado com um transdutor, um microcomputador, um transceptor e uma fonte de alimentação. 

O transdutor produz sinais elétricos baseados em fenômenos físicos detectados. O microcomputador tem a função de processar e armazenar os dados recebidos pelos sensores. Ele obtém esses dados do transceptor, que por sua vez recebe comandos do computador central. Uma bateria serve como fonte de energia para cada nó sensor. 

Onde é usado? 

A seguir, apresentamos algumas aplicações de redes de sensores sem fio: 

• detecção de incêndios florestais 
• rastreamento de animais 
• previsão de inundação 
• previsão do tempo 
• projeção de eventos sísmicos 
• aplicações militares 
• monitoramento de pacientes 
• gerenciamento de roteamento dinâmico 
• monitoramento de estacionamentos 
• vigilância de tráfego 
• resposta rápida de emergência 
• supervisão de processos industriais 
• controle automatizado de climatização de edifícios 
• observação de ecossistemas e habitats 

Desafios 

Roteamento 

A primeira dificuldade associada ao roteamento em WSN (Redes de Sensores Sem Fio) é a complexidade na atribuição de um sistema de identificadores universais para a grande quantidade de nós sensores. Por esse motivo, os nós sensores sem fio não podem usar protocolos baseados no IP clássico. 

A próxima questão é a necessidade de transmitir dados de várias fontes para a estação base. Em terceiro lugar, os dados gerados apresentam redundância, pois vários nós sensores podem gerar dados semelhantes. Isso exige gerenciamento de redundância por meio de protocolos de roteamento, largura de banda e energia. 

Os nós sem fio também são limitados em termos de largura de banda, relações de energia de transmissão, armazenamento, capacidade e energia.  

Design 

A seguir, apresentamos os principais desafios relacionados ao projeto que o engenheiro de redes deve considerar: eficiência energética, localização dos sensores, complexidade, transmissão de dados e seus modelos, escalabilidade, robustez, atraso, baixa latência, problemas de cobertura e meios de transmissão. 

Desempenho em caso de falha 

Quando a perda de energia causa uma interrupção no funcionamento dos nós sensores, é provável que ocorram danos físicos. Portanto, é necessário facilitar a tolerância a falhas, ou seja, ajudar a rede de sensores a suportar falhas nos nós sensores e continuar operando. 

Global 

Os nós utilizados na área de detecção podem chegar às centenas ou mesmo aos milhares. Consequentemente, os esquemas de roteamento devem possuir escalabilidade suficiente para responder aos eventos de forma eficaz.  

Custo de produção 

O preço de cada nó do sensor deve ser mantido baixo. Como uma rede de sensores é composta por vários nós, o preço de cada um deles afeta significativamente o custo total da rede. 

Problemas de topologia 

A topologia das WSNs enfrenta desafios como lacunas de sensores (áreas não cobertas por nenhum sensor ativo), roteamento geográfico (quando o destino de uma mensagem é especificado em termos de coordenadas, e não do endereço de rede) e topologia de cobertura. 

Limitações 

Considerando as limitações das redes de sensores sem fio, elas possuem pouca capacidade de armazenamento (algumas centenas de kilobytes), poder de processamento modesto de 8 MHz, curto alcance de comunicação aliado a um alto consumo de energia, requisitos mínimos de energia e, portanto, protocolos restritos, baterias com vida útil limitada e pouca energia fornecida por dispositivos passivos.