IVAYR DIEB FARAH NETTO ALGORITMO PARA ENTREGA DE ALARMES EM REDES DE SENSORES SEM FIO UTILIZANDO VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS - PDF
IVAYR DIEB FARAH NETTO ALGORITMO PARA ENTREGA DE ALARMES EM REDES DE SENSORES SEM FIO UTILIZANDO VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS
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Vinícius Brás Stachinski
1 IVAYR DIEB FARAH NETTO ALGORITMO PARA ENTREGA DE ALARMES EM REDES DE SENSORES SEM FIO UTILIZANDO VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS LAVRAS - MG 2010
2 IVAYR DIEB FARAH NETTO ALGORITMO PARA ENTREGA DE ALARMES EM REDES DE SENSORES SEM FIO UTILIZANDO VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS Monografia apresentada ao Colegiado do Curso de Sistemas de Informação, para a obtenção do título de Bacharel em Sistemas de Informação. Orientador Prof. Tales Heimfarth Co-Orientador Prof. Luiz Henrique Andrade Correia LAVRAS - MG 2010
3 IVAYR DIEB FARAH NETTO ALGORITMO PARA ENTREGA DE ALARMES EM REDES DE SENSORES SEM FIO UTILIZANDO VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS Monografia apresentada ao Colegiado do Curso de Sistemas de Informação, para a obtenção do título de Bacharel em Sistemas de Informação. Aprovada em 24 de Novembro de 2010 Prof. Dr. João Carlos Giacomin Prof. Msc. Juliana Galvani Greghi Prof. Tales Heimfarth Orientador Prof. Luiz Henrique Andrade Correia Co-Orientador LAVRAS - MG 2010
4 RESUMO Este trabalho apresenta a investigação de uma estratégia para coordenar um conjunto de nós sensores terrestres estáticos (posicionados no solo) e de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) que carregam uma variedade de sensores. Essa coordenação tem como objetivo prover monitoramento e detecção eficientes de intrusos em uma determinada área de interesse. Para o desenvolvimento desta coordenação tem-se o uso de técnicas de Auto-Organização Emergente. Essas técnicas não utilizam controles externos ou centralizados, contudo, é gerado um comportamento global emergente a partir das pequenas e simples interações locais entre os indivíduos do sistema. Os nós sensores terrestres são configurados para acionar alarmes na ocorrência de entrada de um intruso na área, enquanto os UAVs recebem os alarmes e têm que decidir qual UAV é o mais hábil a tratar o alarme acionado. Ao fim, os resultados demonstram a viabilidade da estratégia utilizada em relação ao overhead de mensagens enviadas. Palavras-chave: Redes de Sensores Sem Fio; Veículos Aéreos Não Tripulados; Auto-Organização; RSSF, UAV.
5 ABSTRACT This work presents an investigation of a strategy to coordinate a set of static ground sensor nodes (deployed on the ground) and Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) carrying a variety of sensors. This coordination aims to provide efficient surveillance and intrusion detection in a given area of interest. To develop this coordination has been used techniques of Emergent Self-Organization. These techniques do not use external or centralized controls, however, generate an emerging global behavior from the small and simple local interactions among the individuals of the system. The ground nodes are setup to trigger alarms in the event of an intruder entrance in the area, while the UAVs receive the alarms and must decide which one is the most skilled to handle the received alarm. In the end, the results show the feasibility of the presented strategy relating to the overhead of sent messages. Keywords: Wireless Sensor Networks; Unmanned Aerial Vehicles, Self-Organization, WSN, UAV.
6 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Visão Geral do Hardware de um Nó Sensor Sem Fio Figura 2 Nós Sensores. (a) Mica 2, (b) Mica Z, (c) Iris, (d) TelosB, (e) Imote Figura 3 Quantidade de VANTs por classe de aplicação Figura 4 Fenômeno Biológico de Distribuição de Feromônio Figura 5 Envio de um pacote em broadcast Figura 6 Feromônios esmaecendo em função do tempo Figura 7 Feromônios esmaecendo em função do tempo e da distância relativa ao VANT Figura 8 Propagação de um evento de interesse Figura 9 Resultados em relação ao número de saltos Figura 10 Média do Número de Salto Figura 11 Histograma do Número de Saltos Figura 12 Resultados em relação ao número de mensagens enviadas Figura 13 Média do Número de Mensagens Figura 14 Histograma do Número de Mensagens... 57
7 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Classificação de RSSFs em relação à configuração Tabela 2 Classificação de RSSFs quanto ao modo de Sensoriamento Tabela 3 Classificação de RSSFs quanto ao modo de Processamento Tabela 4 Categorias de VANTs Tabela 5 Aplicações de VANTs por ano Tabela 6 Desenvolvimento de VANTs por nação Tabela 7 Parâmetros para simulação da Construção dos Rastros de Feromônio e Propagação de Eventos Tabela 8 Parâmetros da Rede de Sensores utilizada para os experimentos... 53
8 SUMÁRIO 1 Introdução Motivação Objetivos Objetivos Específicos Organização do Trabalho Referencial Teórico Redes de Sensores Sem Fio Desafios das RSSFs Tipos de Aplicações Características Nós Sensores Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs ) Modelos e Arquiteturas de VANTs Aplicações utilizando VANTs Desenvolvimento de VANTs Pesquisas em RSSFs e VANTs Metodologia Procedimentos Metodológicos GRUBiX e Simulação Orientada a Eventos Algoritmo de entrega de alarmes Descrição do Problema Detecção de Eventos Distribuição de Feromônio Entrega de Feromônios pelos VANTs... 42
9 4.5 Armazenamento por parte dos Nós Sensores Propagação de Eventos Resultados e Discussão Construção dos Rastros de Feromônio e Propagação de Eventos Configurações da Simulação Resultados Conclusões e Trabalhos Futuros... 58
10 9 1 Introdução Uma tendência que tem ganhado força na área de redes de sensores sem fio é o uso de nós sensores heterogêneos. Esses nós podem ser utilizados como ferramentas para se cumprir os requisitos de sofisticadas aplicações emergentes, tais como sistemas de monitoramento (FREITAS et al., 2009b). Uma maneira simples de se monitorar áreas de interesse é espalhar sensores por toda sua extensão. Contudo, um dos maiores desafios no desenvolvimento de tais aplicações em redes de sensores encontra-se em como prover coordenação entre os nós envolvidos, atendendo assim, às necessidades dos usuários (MHATRE et al., 2005). Este trabalho apresenta a investigação de uma estratégia para coordenar um conjunto de nós sensores terrestres estáticos (posicionados no solo) e de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) que carregam uma variedade de sensores. Essa coordenação tem como objetivo prover monitoramento e detecção eficientes de intrusos em uma determinada área de interesse. São distribuídos diversos nós sensores em uma área de interesse, bem como inseridos estrategicamente VANTs sobrevoando esta área. Os nós sensores terrestres são configurados para acionar alarmes na ocorrência de um dado evento de interesse, enquanto os VANTs recebem os alarmes e têm que decidir qual VANT é o mais hábil a tratar o alarme acionado. O sistema proposto por este trabalho é projetado para que os nó sensores e VANTs se comuniquem e tomem decisões autonomamente, sem nenhum controle externo ou centralizado. Ao fim, é gerado um comportamento global emergente
11 10 a partir das pequenas interações entre os indivíduos do sistema (nós sensores e VANTs). 1.1 Motivação Redes de Sensores Sem Fio (RSSFs) são utilizadas para se aumentar a eficiência de uma gama de aplicações, tais como detecção de alvos, monitoramento, vigilância ou gerenciamento de desastres. RSSFs utilizando nós sensores estáticos têm sido desenvolvidas, testadas e utilizadas em diversas aplicações de monitoramento (MAINWARING et al., 2002). Contudo, nós sensores terrestres apresentam algumas limitações, especificamente, neste caso, em relação ao raio de comunicação de cada nó. O uso de nós sensores móveis em tais situações pode prover melhorias significativas. Nós sensores móveis podem prover habilidades para que a rede possa se adaptar dinamicamente aos eventos ocorridos no ambiente, bem como colaboram para se aumentar a conectividade dentro da rede (ERMAN; HOESEL; HAVINGA, 2007). Um nó concentrador estático é geralmente localizado nas extremidades de uma RSSF. Todavia, isso geralmente requer uma longa cadeia de troca de mensagens (multi hop) para que um nó sensor consiga transmitir uma mensagem para o nó concentrador. Isso resulta em baixo desempenho do sistema, uso ineficiente da energia e desperdício de largura de banda (CHANG; MERABTI; MOKHTAR, 2007). Neste contexto, tem-se a possibilidade de utilizar VANTs como nós sensores móveis em uma RSSF. Autores como (LUCCHI et al., 2007; ERMAN; HOESEL; HAVINGA, 2007) têm considerado o uso de nós sensores terrestres espalhados por uma área de interesse. Estes nós podem coletar diversos tipos de informação do
12 11 ambiente, tais como temperatura, pressão, umidade, etc, e possuem a capacidade de se comunicar com o VANT no momento em que a aeronave sobrevoa as áreas onde os nós se encontram posicionados. O uso de VANTs como sensores móveis da rede pode prover a habilidade de se monitorar os eventos ocorridos em uma maior granularidade. Os nós sensores podem detectar a ocorrência de um evento, porém podem não conter recursos suficientes para análises mais detalhadas, delegando assim a ocorrência a um VANT com habilidades específicas para tratar o problema. 1.2 Objetivos Este trabalho tem por objetivo global desenvolver e aplicar uma técnica de coordenação entre nós sensores sem fio e Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) para aplicações de monitoramento e vigilância. Para o alcance deste objetivo o trabalho inspira-se em técnicas Auto-Organizáveis para a coordenação e controle da RSSF Objetivos Específicos Este trabalho tem como objetivos específicos: Pesquisa e elaboração de algoritmo de coordenação de nós sensores e VANTs : desenvolvimento de um algoritmo para detecção e entrega de alarmes a partir dos nós sensores. Implementação dos algoritmos e técnicas no ambiente de simulação GRUBiX: implementação do algoritmo no ambiente de simulação open source GRU-
13 12 BiX, desenvolvido pelo Grupo de Redes Ubíquas do Departamento de Ciência da Computação da Universidade Federal de Lavras. Adicionalmente, acrescentar melhorias e funcionalidades à atual versão do simulador. Comparação entre um algoritmo convencional e o desenvolvido no trabalho: comparações quantitativas dos resultados a partir de experimentos computacionais considerando-se cada uma das técnicas em determinado cenário e configuração. 1.3 Organização do Trabalho Este trabalho encontra-se organizado em cinco capítulos. O capítulo 1 apresenta uma introdução, a motivação, os objetivos e definição do problema estudado. No capítulo 2 podem ser encontradas as definições e bases teóricas para o entendimento do problema. A metodologia para realização do trabalho encontra-se no capítulo 3. Os capítulos 4 e 5, respectivamente, demonstram o funcionamento da aplicação e seus resultados. Por fim, capítulo 6 apresenta as conclusões em relação ao trabalho realizado.
14 13 2 Referencial Teórico 2.1 Redes de Sensores Sem Fio A capacidade de computação e evolução do hardware se torna exponencialmente barata e de menor tamanho a cada ano. Engenheiros e pesquisadores têm desenvolvido miniaturizações de rádios e estruturas de sensores minúsculas. Estas estruturas são capazes de sensoriar e medir campos e forças do mundo real. Esta motivação abre espaço para que se construam aplicações de medição nos mais diversos cenários. Aliando-se este grande desenvolvimento na área de microeletrônica juntamente com a atual estrutura da internet tem-se um horizonte ainda mais amplo e desafiador (CULLER; ESTRIN; SRIVASTAVA, 2004). Neste contexto, frente esta nova gama de problemas e aplicações, tem-se as Redes de Sensores Sem Fio.Redes de Sensores Sem Fio são um conjunto de nós individuais capazes de interagir com o ambiente em que estão inseridos, sensoriando ou controlando parâmetros físicos. Geralmente, um nó da rede não apresenta capacidades suficientes para cumprir sua tarefa. Portanto, os diversos nós devem desenvolver um comportamento colaborativo para cumprir estas tarefas. Para que se desenvolva este comportamento colaborativo, um meio de comunicação entre estes nós torna-se necessário. São utilizados enlaces sem fio para estabelecer a comunicação entre os nós da rede (KARL; WILLIG, 2005). Segundo (MATEUS; LOUREIRO, ), uma RSSF pode ser vista como um tipo especial de rede móvel ad hoc (MANET - Mobile Ad Hoc Network). De um ponto de vista organizacional, ambas podem ser consideradas idênticas, pois possuem elementos computacionais que se comunicam sem fios. Porém, ambas se distinguem em relação às finalidades. As tradicionais redes MANETs podem e
15 14 devem executar tarefas computacionais distintas, enquanto as RSSFs devem trabalhar colaborativamente, a fim de executarem uma só tarefa global a partir de seus comportamentos locais. Dado esse trabalho colaborativo, um paradigma de uso de RSSFs é a Auto-Organização Emergente, pelo fato de se obterem tarefas complexas a partir de pequenas interações locais entre os nós envolvidos na rede. Atualmente, segundo (KARL; WILLIG, 2005), as RSSFs são um desafio para a pesquisa e a engenharia. Sua grande flexibilidade e suporte a várias aplicações do mundo real são motivações para o desenvolvimento desta área de pesquisa. Nós sensores podem ser utilizados para medições de temperatura, pressão, umidade, bem como aplicações de monitoramento, vigilância, detecção de desastres, trajetória de alvos e vigilância. Uma RSSF também pode ser distribuída em fábricas para se monitorar vazamento de materiais nocivos ou tóxicos (MOKHTAR; FADI, 2005). As bases para o desenvolvmento das RSSFs advêm de três principais áreas: sensoriamento, comunicação e computação (hardware, software a algoritmos). Logo, os avanços de cada uma destas áreas (em conjunto ou separadas) têm direcionado a pesquisa em RSSF (CHONG; KUMAR, 2003) Desafios das RSSFs Atualmente as RSSFs apresentam alguns desafios, principalmente no tocante à plena utilização de seus recursos. Pelo fato de cada nó apresentar um conjunto limitado de hardware e funcionalidades, a plena utilização dos recursos da rede torna-se então o principal desafio das RSSFs. (DRESSLER, 2007) divide os desafios das RSSFS em:
16 15 Confiabilidade da comunicação sem fio: Em muitos casos, especialmente com um número crescente de nós no mesmo raio de comunicação, a comunicação sem fio tende a não ser confiável. A principal causa deste fenômeno é a grande quantidade de colisões entre os pacotes trocados entre os nós. A probabilidade de colisão é proporcional à densidade da rede, o tamanho e tráfego gerado. Confiabilidade é a capacidade de prover garantia de entrega aos pacotes. Mobilidade espaço-temporal: Mobilidade espacial refere-se à movimentação geográfica dos nós da rede, i.e. mudanças da localização dos nós ao decorrer do tempo. Limitação de recursos: Problemas como limitação de tempo vida de baterias, CPUs de poucos MHz e memórias de alguns KB. Requisitos de tempo real: Recai sobre a necessidade das aplicações, em alguns casos, necessitarem de informações em tempo real. Neste caso, torna-se fundamental que a rede de sensores seja capaz de prover informações confiáveis em tempo real. Um desafio adicional muito importante é a coordenação em um sistema massivamente distribuído apresentado pelas RSSFs. Adicionalmente, as RSSFs também podem ser classificadas quanto aos tipos de aplicações em que estão inseridas Tipos de Aplicações O desenvolvimento das RSSFs oferece suporte para uma grande variedade de aplicações, principalmente em casos de detecção de parâmetros em ambientes.
17 16 Aplicações militares, detecção de incêndios, monitoramento de fábricas, recuperação de desastres, agricultura de precisão, etc; são exemplos de aplicações de RSSFs. (KARL; WILLIG, 2005) definem quatro principais padrões de operação em redes de sensores. Estes padrões de operações definem os principais tipos de aplicação. Detecção de Eventos: São casos onde os nós sensores devem reportar a detecção de ocorrência de um dado evento de interesse. O caso mais simples de detecção de evento é quando um único nó detecta um evento (algum limite pré-definido é ultrapassado) e deve reportar aos outros nós. Casos mais complexos são os que requerem consenso de vários nós para se determinar a ocorrência de um determinado evento. Medidas Periódicas: São as situações em que os nós têm tarefas somente de medições, reportando periodicamente as informações coletadas. Em alguns casos, estes relatórios podem ser enviados em casos de detecção de eventos. Porém, os critérios sobre os momentos de relatório devem ficar a critério das aplicações. Aproximação de Funções e Detecção de Bordas: Uma RSSF pode utilizar amostras de diferentes regiões para estimar parâmetros gerais do ambiente. Um exemplo é o modo como os valores físicos de leitura de temperatura pode variar de uma região para outra. Neste caso, ignorando outros fatores condicionantes, pode-se supor que a medida da temperatura pode ser dada em função da localização. Em consequencia disto, podem ser utilizadas amostragens de temperatura de diferentes regiões para se aproximar esta função desconhecida.
18 17 Rastreamento: A causa de um evento pode ser móvel, como casos de entrada de intrusos em cenários de vigilância. A RSSF pode ser configurada para relatar as atualizações da posição corrente do intruso. Existe também a possibilidade de se estimar a velocidade e direção dos intrusos. Uma tendência que tem ganhado força em aplicações de RSSF é a utilização de uma rede com sensores heterogêneos, dentre estes casos, destaca-se o uso de veículos aéreos não tripulados atuando como sensores móveis da rede (FREITAS et al., 2009a) Características Redes de sensores podem apresentar diferentes características e requisitos, pois cada aplicação pode demandar diferentes funcionalidades e cenários. Este fato obriga a rede de sensores a se preocuparem com fatores específicos. (MATEUS; LOUREIRO, ) discutem algumas características mais relevantes: Endereçamento dos nós sensores: trata-se de endereçar unicamente um sensor dentro da rede. Existem casos em que se torna necessário saber a localização ou fonte dos dados, como quando são utilizados sensores espalhados em uma fábrica ou no corpo humano. Nesses casos é interessante saber a fonte dos dados. Contudo, em casos onde existe uma infinidade de sensores medindo valores no ambiente pode não ser necessário identificar cada nó individualmente. Agregação dos dados: indica a possibilidade da rede agregar os dados coletados pelo sensor, ou seja, se os dados serão condesados em um único ponto, ou
19 18 se serão espalhados e enviados por todos os nós. Se esta funcionalidade (agregação) estiver presente, cria-se a possibilidade de economia de tráfego de mensagens até uma estação base. Mobilidade dos Sensores: preocupa-se com a mobilidade ou não dos sensores em relação aos sistemas em que se encontram inseridos. Diferentes abordagens devem ser utilizadas em cada caso. Quantidade de Sensores: aplicações de RSSF podem conter de poucos, à dezenas ou à milhares de nós sensores. Uma das maiores preocupações, neste caso, é a escalabilidade do sistema. Limitação de Energia Disponível: em vários casos, as RSSFs são distribuídas em áreas remotas ou de difícil acesso. Nestas ocasiões, a autonomia (tempo de vida) de um sensor restringe-se a somente o tempo de bateria disponível, pois nem sempre se tem a garantia de manutenção na rede. Diversas abordagens e modelos têm sido estudados para se tratar problemas relacionados à autonomia de energia. Auto-Organização na rede: os nós da rede devem se organizar, de modo com que os fatores externos sejam minimizados, ou seja, a rede deve estar preparada para se recuperar de possíveis falhas e imprevistos. Caso um nó seja removido (por qualquer fator), a rede deve ser capaz de se reconfigurar e prosseguir com suas tarefas. Tarefas Colaborativas: geralmente, um nó único da rede não possui capacidade para executar tarefas complexas por si próprio. Neste caso, torna-se necessário um comportamento colaborativo na rede, ou seja, vários nós devem colaborar para que se cumpram as tarefas e, consequentemente, sejam alcançados os objetivos da rede em questão.
20 19 Capacidade de responder a consultas: uma RSSF deve ser capaz de responder às requisições (requests) e às consultas (querys) que lhe são direcionadas. Uma consulta pode ser direcionada a somente um nó, a um grupo de nós ou à toda rede. RSSFs também podem ser classificadas quanto a sua configuração (Tabela 1), em relação ao tipo de sensoriamento (Tabela 2) e também quanto ao processamento (Tabela 3) (RUIZ et al., 2004).
21 20 Composição Organização Mobilidade Densidade Distribuição Homogênea Heterogênea Hierárquica Plana Estacionária Móvel Balanceada Densa Esparsa Irregular Regular Configuração É uma rede composta por nós sensores com o mesmo hardware. Isto não implica que o software deve ser o mesmo. A rede é composta por uma variedade de nós com hardware diferente. Os nós são organizados em clusters de forma hierárquica. Existirão nós líderes a serem eleitos pelos nós comuns. Todos os nós encontram-se no mesmo nível de hierarquia. Os nós sensores permanecerão todo o tempo no mesmo local onde foram colocados. Existe a possibilidade dos nós sensores se deslocarem durante a operação da rede. Pode ser considerada como uma rede com a concentração e distribuição considerada ideal para a aplicação em questão. É uma rede que aprensenta uma alta concentração de nós em uma determinada área. Os nós são distribuídos com uma baixa concentração dentro de uma área de interesse. A distribuição dos sensores não se apresenta uniformemente na área em questão. É o caso onde os nós sensores estão distribuídos uniformemente pela área de interesse. Tabela 1: Classificação de RSSFs em relação à configuração. Coleta Periódica Contínua Reativa Tempo Real Sensoriamento A coleta de dados é realizada de forma periódica. Ou seja, de tempos em tempos o nó realiza medições. Os nós sensores coletam dados continuamente. Dados são coletados na ocorrência de um evento de interesse, ou no momento em que uma consulta é solicitada por um agente externo. Os nós sensores coletam a maior quantidade possivel no menor intervalo de tempo. Tabela 2: Classificação de RSSFs quanto ao modo de Sensoriamento.
22 21 Cooperação Infra-Estrutura Localizada Correlação Processamento São executados processamentos referentes à infraestrutura da rede, como algoritmos de acesso ao meio, roteamento, eleição de líderes, etc. Os nós executam funções além das básicas de infraestrutura como, por exemplo, a tradução de dados capturados pelo sensor. Os nós estão envolvidos em procedimentos de correlação de dados como fusão, supressão seletiva, contagem, compressão, multi-resolução e agregação. Tabela 3: Classificação de RSSFs quanto ao modo de Processamento Nós Sensores O hardware de um nó sensor da rede é composto por um microprocessador, uma unidade de armazenamento, sensores, conversores analógico-digital, um transceiver de dados, controladores que unem estas partes, e uma fonte de energia (CULLER; ESTRIN; SRIVASTAVA, 2004). Segundo (KARL; WILLIG, 2005), os requisitos das aplicações representam fatores decisivos no que diz respeito a tamanho, custos, e consumo de energia dos nós. Características tais como comunicação e poder de processamento devem ser prover um nível mínimo de qualidade que atenda aos requisitos destas aplicações. (KARL; WILLIG, 2005) definem a estrutura básica de um nó sensor sem fio como: Controlador: um controlador para processar os dados, capaz de executar códigos arbitrários. Memória: unidade de memória para armazenar programas e alguns dados intermediários.
23 22 Sensores e Autuadores: a verdadeira interface com o mundo real, dispositivos que podem observar ou controlar parâmetros físicos do ambiente. Fonte de Energia: componente responsável por suprir as necessidades de energia do nó sensor. Cada um destes componentes deve trabalhar em busca de alcançar o equilíbrio entre o menor gasto de energia possível e a necessidade de cumprir sua tarefa com um mínimo de qualidade. Figura 1: Visão Geral do Hardware de um Nó Sensor Sem Fio Nas próximas subseções serão apresentados, de forma resumida, alguns dos principais sensores existentes no mercado. Mica 2: A plataforma Mica Motes é comercializada pela Crossbow. Essa plataforma é uma das mais empregadas em projetos envolvendo RSSFs. A unidade de sensoriamento de cada nó Mica Mote pode ser equipada com uma variedade de sensores, tais como acústico, temperatura, aceleração, luminosidade e pressão (RUIZ et al., 2004). O Mica 2 é um nó sensor de baixo consumo de energia, podendo alcançar mais de um ano de autonomia utilizando pilhas AA. Este modelo possui um transceiver
24 23 de rádio de 868/916 MHz multicanal e utiliza Tiny OS como sistema operacional. O corpo deste sensor apresenta um conector de expansão de 51 pinos, isto permite que se conecte sensores de luz, temperatura, pressão, aceleração/sísmico, acústico, magnetismo, entre outros. Devido suas características, o Mica 2 é indicado para aplicações como: segurança, vigilância, monitoramento de ambientes, redes de sensores de larga escala (mais de 1000 nós) e plataformas de computação distribuída (CROSSBOW, 2010c). Mica Z: O nó sensor Mica Z é uma variação da plataforma Mica Mote. Este nó possui diversas características comuns ao sensor Mica 2, contudo, apresenta como suas maiores diferenças o uso de um rádio 2.4 GHz IEEE e também sua capacidade de realizar transferências em taxas de 250 kbps. Este sensor pode ser utilizado em praticamente todos os tipos de aplicações do sensor Mica 2. Em adição, este sensor é indicado para aplicações de medições acústica, de vídeo, vibração ou outras que demandem transmissões de alta taxa de transmissão, bem como aplicações de segurança e monitoramento indoor (CROSS- BOW, 2010d). Iris: Este modelo de nó sensor apresenta algumas características em comum com os nós da plataforma Mica Motes, entretanto, apresenta avanços significativos em relação à plataforma anterior. Sua maior característica é o fato de possuir um rádio com alcance até três vezes maior que um sensor Mica Motes, bem como o dobro de memória de programas. Testes ao ar livre demonstraram que sensores utilizando esta plataforma foram capazes de se comunicar a uma distância de 500 metros (CROSSBOW, 2010b).
25 24 TelosB: TelosB é uma plataforma Open Source desenvolvida para permitir experimentação de ponta para a comunidade científica. Este sensor une diversas ferramentas essenciais para estudos de laboratório em um só sensor: Funcionalidade de programação via USB, um rádio IEE com antena de integrada e uma CPU de baixo cosumo com memória extendida. As características mais importantes deste nó sensor são a presença de interface USB para programação e uma memória flash externa de 1MB (CROSSBOW, 2010e). Imote 2: O Imote 2 é uma plataforma avançada e de alto desempenho de nós sensores sem fio. Este modelo contém um processador Intel PXA271, com a capacidade de executar de baixas (16MHz) até frequências consideravelmente altas (416MHz). Esse tipo de sensor é indicado para aplicações que requeiram alto desempenho do nó sensor, como: processamento digital de imagens, monitoramento e análises industriais, monitoramento sísmico ou de vibração, etc (CROSSBOW, 2010a). Na Figura 2 podem ser visualizados os nós sensores citados nesta sessão. 2.2 Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs ) VANTs são definidos por (SOD, 2005) como veículos aéreos que não carregam operadores humanos que são capazes de voar autonomamente ou serem pilotados remotamente e não são limitados por restrições humanas. Pelo fato de não carregarem pilotos, estes tipos de aeronaves podem ser sujeitos aos mais variados tipos de aplicação. Exemplos básicos são áreas de baixo oxigênio, áreas contaminadas por resíduos tóxicos ou produtos químicos nocivos à saúde humana.
26 25 Figura 2: Nós Sensores. (a) Mica 2, (b) Mica Z, (c) Iris, (d) TelosB, (e) Imote 2 Estes veículos recentemente alcançaram um crescimento não previsto e diversas aplicações em áreas civis e militares têm sido desenvolvidas nos mais diversos domínios (VALAVANIS, 2007). Atualmente existe uma grande diversidade de modelos de VANTs. Podendo variar em vários tamanhos, formatos, configurações e propósito. Determinados VANTs variam de aeronaves do tamanho de insetos à VANTs com porte relativo a aviões comerciais (BONE; BOLKCOM, 2003). Não se considerando apenas aspectos como segurança, mas também aspectos como extensão, VANTs de vários tamanhos e modelos podem ser utilizados para monitoramento em recuperação de desastres, detecção de eventos, ente outros.
27 26 Em aplicações militares, VANTs trabalham por meio de execução de missões que não necessitam do uso de pilotos (BONE; BOLKCOM, 2003). Essas missões são classificadas como 3-D. Em (SOD, 2005) 3-D são definidas como: Dull - Tedioso: VANTs podem realizar missões consideradas tediosas para pilotos. Como exemplo a viagem rotineira de um vôo de 30 horas realizada por uma equipe do exército americano de Missouri até a Sérvia por 34 dias no conflito de Kosovo em 1999 (SOD, 2005). Dirty - Sujo: Casos em que se torna necessário o monitoramento de alguma região contaminada. Entre 1946 e 1948, a força aérea (The Air Force) e a marinha (The Navy) americanos utilizaram VANTs para recolherem amostras radioativas após detonação de bombas nucleares (SOD, 2005). Dangerous - Perigoso: Missões de exploração ou reconhecimento podem apresentar riscos aos pilotos. Segundo (SOD, 2005), 25% dos pilotos dos grupos de reconhecimento do exército americano foram perdidos durante a Segunda Guerra Mundial no norte da África, enquanto somente 5% dos pilotos de bombardeiros foram perdidos sobrevoando a Alemanha. O restante dessa sessão apresenta, de forma resumida, os avanços e pesquisa em VANTs. VANTs. Na próxima subsessão serão apresentados os modelos básicos de
28 Modelos e Arquiteturas de VANTs Esta seção apresenta, de forma condensada, os avanços das pesquisas em modelos e arquiteturas de Veículos Aéreos Não Tripulados. Serão apresentados os principais modelos de VANTs utilizados atualmente. Destaca-se o desenvolvimento de aeronaves direcionadas ao uso em aplicações militares. Os principais modelos de VANTs da atualidade foram projetados primeiramente com propósito de missões de reconhecimento e vigilância. Porém, esforços têm sido realizados para o desenvolvimento de VANTs que representem maior representatividade em campos de batalha, como detectar alvos aéreos, monitorar movimento de tropas inimigas à auxílio de artilharia em batalhas (BONE; BOLK- COM, 2003). A Tabela 4 apresenta as categorias de VANTs reconhecidas pelos especialistas no assunto. Porém, por não ser objetivo deste trabalho realizar uma investigação detalhada a respeito dos modelos de VANTs, será adotada a convenção proposta por (DREW; SHAVER, 2005) para que o assunto não se extenda demasiadamente. (DREW; SHAVER, 2005) dividem os VANTs em duas principais classes baseadas na extensão das aeronaves. Neste trabalho serão consideradas como Grande Porte e Pequeno Porte (Micro, Portáteis e Multi-missões). VANTs de Grande Porte: Segundo (DREW; SHAVER, 2005), VANTs de grande porte têm sistemas de lançamento e recuperação que podem ser separados dos seus sistemas de controle e exploração de dados. Os VANTs apresentam mecanismos 1 Peso Máximo de Decolagem - É o peso máximo permitido para que um avião consiga realizar vôos em plena capacidade.
29 28 Categoria Alcance Altitude Autonomia P.M.D. 1 Atividade (km) (km) (horas) (kg) Táticos Nano < < 1 < 0,025 sim Micro < < 5 sim Mini < a 300 < 2 < 30 sim Close Range 10 a a sim Short Range 30 a a sim Medium Range 70 a a sim Medium Range Endurance > a sim Low Altitude Deep > a ,5 to sim Penetration Low Altitude Long > > 24 < 30 sim Endurance Medium Altitude > a sim Long Endurance Estratégicos High Altitude Long Endurance > a sim Tabela 4: Categorias de VANTs. que podem ser controlados separadamente, como por exemplo, coleta das informações e comunicação via satélite. VANTs de Pequeno Porte Porte são divididos nas seguintes subclasses: Em (DREW; SHAVER, 2005), VANTs de Pequeno Micro-VANTs : São aeronaves de menor porte e geralmente são utilizadas para missões de reconhecimento, pois seu tamanho reduzido permite uma grande versatilidade. Uma característica importante é que estes modelos são indicados somente para operações durante o dia e com boas condições climáticas, visto que as restrições de tamanho dificultam a locomoção em más condições climáticas. Estes modelos são projetados para carregarem cargas de peso inferior a 200g.
30 29 Portáteis: São modelos direcionados à aplicações de pequenos times de VANTs. Esses modelos se adaptam bem à aplicações colaborativas. Podem ser carregados e lançados por uma pessoa. Geralmente estes VANTs apresentam autonomia de vôo de aproximadamente 1 a 2 horas, e normalmente carregam cargas de até 25 kg. Multi-Missão: Conhecidos como VANTs de propósito geral, estes são os maiores entre os menores modelos de VANTs e geralmente apresentam autonomia de voo de 10 a 12 horas e possuem capacidade para carregar cargas de 25 a 110 kg. Estes VANTs são projetados para missões operacionais variadas, sendo considerados as aeronaves mais versáteis da categoria. Exemplos comuns de aplicações são: carregamento de suprimentos para o campo de batalha, distribuição (deployment) de sensores em uma região, monitoramento, entre outros Aplicações utilizando VANTs Atualmente, a pesquisa em VANTs tem se concentrado fortemente em aplicações militares, variando de aplicações de monitoramento, vigilância, suporte de ataque aéreo, entre outros. Atualmente, segundo (VALAVANIS, 2007) a pesquisa em diferentes tipos de aplicação (não somente militares) tem crescido e ampliado os horizontes de desenvolvimento. Na Tabela 5 é possível visualizar o desenvolvimento das aplicações utilizando VANTs nos últimos anos (BRYNER, 2007). Bem como na Figura 3 podem ser visualizadas as quantidades de VANTs utilizadas nos diferentes tipos de aplicações (BRYNER, 2007). Pode-se notar um aumento significativo no número de aplicações comerciais e de propósito geral nos anos de 2008 e 2009.
31 30 Aplicações/Ano Qt Qt Qt Qt Qt Qt Civil/Comercial Militar Propósito Geral Pesquisa Desenvolvimento de VANTs Tabela 5: Aplicações de VANTs por ano. Figura 3: Quantidade de VANTs por classe de aplicação Desenvolvimento de VANTs Diversas nações têm se destacado quanto ao desenvolvimento de VANTs. Os Estados Unidos é o país que atualmente possui mais aeronaves produzidas (386), e representa 32,44% da produção mundial de aeronaves não tripuladas. Outras nações como Israel (83-6,97%), França (77 unidades - 6,47%), Rússia (59 unidades - 4,96%) e Reino Unido (65-5,46%) também têm apresentado resultados
32 31 significativos quanto ao número de VANTs produzidos. O Brasil, ainda iniciando suas pesquisa em VANTs, possui 6 unidades produzidas, contabilizando apenas 0,5% das aeronaves não tripuladas produzidas no mundo. Na Tabela 6 encontram-se os dados resumidos do desenvolvimento de VANTs em âmbito mundial (BRYNER, 2007). País Número de Aeronaves % EUA ,44 Israel 83 6,97 França 77 6,47 Reino Unido 65 5,46 Iran 38 3,19 Brasil 6 0,50 Outros Países ,97 Tabela 6: Desenvolvimento de VANTs por nação. 2.3 Pesquisas em RSSFs e VANTs Redes de sensores sem fio com nós estáticos (sem movimento) têm sido desenvolvidas, testadas e aplicadas em diversas atividades de detecção e monitoramento de fenômenos. Contudo, RSSFs estáticas apresentam algumas limitações. O uso de nós sensores móveis pode prover melhorias significativas. Nós moveis podem prover meios de se observar esses fenômenos com uma maior riqueza de detalhes e granularidade. Ainda mais, nós sensores móveis podem colher informações dos nós sensores estáticos no momento em que transitam pela região de interesse (ERMAN; HOESEL; HAVINGA, 2007). Aliado às preocupações apresentados, um novo desafio em RSSFs é a coordenação de nós sensores heterogêneos com diferentes capacidades de sensoriamento, mobilidade e computação em uma única rede (FREITAS et al., 2009a).
33 32 Em complemento, as capacidades e papéis dos Veículos Aéreos Não Tripulados têm evoluído e têm requerido novos conceitos e técnicas para suas operações. Por exemplo, VANTs atuais tipicamente requerem vários operadores, mas os próximos VANTs serão projetados para tomar decisões táticas autonomamente e serão integrados em times que se coordenam para alcançar objetivos de mais alto nível (RICHARDS et al., 2002; ALIGHANBARI; KUWATA; HOW, 2003). Neste contexto existe uma proposta para se unir estes três desafios e preocupações (nós sensores móveis, coordenação de nós sensores heterogêneos e controle autônomo de VANTs): a utilização de Veículos Aéreos Não Tripulados em colaboração com redes de sensores sem fio. Este novo modelo de cooperação engloba os requisitos anteriormente citados. A idéia é que VANTs sejam equipados com uma variedade de sensores e uma interface de comunicação sem fio, e a partir disso se estabeleçam conexões wireless entre as aeronaves e os nós sensores estáticos da rede. Esta área de pesquisa encontra-se ainda em expansão, consequentemente pouca literatura consolidade encontra-se disponível. Os principais esforços encontramse na utilização dos nós sensores para realizar o controle do VANT, ou o inverso, utilização de VANTs para coordenação da RSSF. Alguns dos primeiros passos neste tipo de combinação surgiram com o projeto Aware - Platform for Autonomous Self-Deploying and Operation of Wireless Sensor- Actuator Networks Cooperating with AeRial ObjEcts. O principal objetivo do sistema Aware é a detecção de eventos por meio de sensores terrestres, e posteriormente a entrega do alarme a um UAV. Outro objetivo do Aware é a reparação automática de rede. Em casos onde nós são danificados ou perdidos, helicópteros não tripulados deverão ser capazes de reparar a conectividade da rede. Detal-
34 33 hes sobre a plataforma Aware podem ser encontrados em (ERMAN; HOESEL; HAVINGA, 2007; ERMAN; HOESEL; HAVING, 2008). (LUCCHI et al., 2007) consideram a utilização de VANTs como sinks (nós concentradores) móveis em uma RSSF. Nesse trabalho, VANTs são utilizados para coletar os dados medidos pela rede de sensores e realizar tarefas de fusão de dados. Além disso, são apresentados critérios e técnicas para tratamento de ruído e falhas ocorridas na comunicação entre os nós sensores e os VANTs utilizados. VANTs também podem ser utilizados para prover suporte a algoritmos de localização em RSSFs. (GUERRERO; XIONG; GAO, 2009) propoem uma solução baseada em agentes móveis para se definir a localização geográfica de cada nó sensor da rede. É utilizado um VANT carregando uma antena direcional e um dispositivo GPS. Basicamente, concentra-se na medida da intensidade do sinal recebida de cada nó, e a partir desta intensidade torna-se possível calcular a distância entre o VANT e o nó sensor em questão. (FREITAS et al., 2009b) apresentam uma avaliação sobre estratégias de coordenação de nós sensores heterogêneos (RSSF e VANTs). Uma destas avaliações é um estudo baseado em feromônios digitais para realizar uma comunicação mais eficiente entre os nós sensores estáticos e os VANTs. A segunda avalição é a definição de heurísticas, para casos em que se encontram vários VANTs em uma mesma missão, para se selecionar o VANT mais hábil a tratar os alarmes acionados pela RSSF. A próxima sessão encontram-se os procedimentos metodológicos adotados para o desenvolvimento deste trabalho.
35 34 3 Metodologia O trabalho, quanto à sua natureza, é considerado como de Pesquisa Aplicada, pois visa o tratamento de um problema concreto. Espera-se ao fim, que a própria pesquisa apresente resultados sólidos em se tratando da resolução do problema apresentado. Quanto aos objetivos, se classifica como pesquisa exploratória, visto o objetivo de combinar práticas existentes (algoritmos auto-organizáveis) em busca da resolução de um problema. No que se refere aos procedimentos, é considerada como pesquisa experimental, novamente por se apresentar como aplicação de métodos e técnicas. Para a realização do trabalho, se fará uso de ensaios e estudos de laboratório. Onde, a partir do simulador GRUBiX, poderão ser feitas as simulações, testes e avaliações dos algoritmos. Ainda em relação às práticas metodológicas, a pesquisa também se classifica como quantitativa. Serão realizados testes, simulações e avaliações de forma quantitativa. Ao fim serão comparados os valores numéricos de cada experimento. 3.1 Procedimentos Metodológicos Os experimentos realizados neste trabalho basearam-se em simulação. O uso de simulação justificou-se pela complexidade em se aplicar o algoritmo proposto em uma grande quantidade de nós sensores, questões financeiras e relacionadas ao tempo para se testar o algoritmo em uma grande variedade de cenários também foram avaliadas.
36 35 A próxima seção introduz os conceitos referentes ao simulador utilizado, bem como os conceitos de simulação orientada a eventos GRUBiX e Simulação Orientada a Eventos Para desenvolvimento do algoritmo proposto neste trabalho, foi utilizado o simulador de redes sem fio GRUBiX, desenvolvido no Departamento de Ciência da Computação, pelo grupo de pesquisas GRUBi, da Universidade Federal de Lavras (DCC, 2010). Este simulador é uma evolução do projeto Shox (LESSMANN; HEIMFARTH; JANACIK, 2008). Assim como o Shox, o simulador GRUBiX caracteriza-se como um ambiente de simulação orientado a eventos. De forma simplificada, em um ambiente de simulação orientado a eventos, a linha do tempo de uma simulação é representada por uma lista de eventos, em que cada novo evento é inserido nesta lista. A posição em que cada evento é inserido nesta lista varia de acordo com o momento em que cada evento deve ocorrer. Adicionalmente, estes simuladores disponibilizam uma API 2 para que se possa desenvolver toda a pilha de protocolos presente em um nó sensor sem fio. Essa disponibilidade permite que cada camada da pilha de protocolos seja personalizada de acordo com as necessidades de cada aplicação. Assim como o Shox, o simulador GRUBiX utiliza a linguagem de programação Java. O uso de uma linguagem orientada a objetos, nesse caso Java, indica que as camadas da pilha de protocolos sejam modeladas como objetos. O uso dessa modelagem orientada a objetos permite que cada camada seja personalizada através de mecanismos de herança. Portanto, basta que a nova camada 2 Application Programming Interface - Interface de Programação de Aplicação.
37 36 personalizada herde as funcionalidades de uma camada base para que se tenha a possibilidade de alterar o comportamento padrão da camada. O desenvolvimento deste trabalho caracteriza-se por um algoritmo sobre a camada de aplicação da pilha de protocolos dos nós sensores sem fio e dos VANTs. Os próximos capítulos discutem o funcionamento do algoritmo e os resultados apresentados.
38 37 4 Algoritmo de entrega de alarmes Este capítulo discute o funcionamento do algoritmo desenvolvido para a coordenação da RSSF em conjunto com VANTs. As próximas seções descrevem o problema tratado e apresenta a solução para a resolução deste problema. 4.1 Descrição do Problema Este trabalho preocupa-se em pesquisar e desenvolver uma estratégia para a coordenação de uma rede de sensores heterogênea. A rede em questão deve ser utilizada para prover tarefas de monitoramento e vigilância de um ambiente de interesse. Como ferramentas para se realizar estas tarefas de monitoramento são utilizados nós sensores terrestres equipados com diversas interfaces de sensoriamento e VANTs também equipados com interfaces de sensoriamento e enlaces de comunicação sem fio. A justificativa e motivação para a utilização destes diferentes tipos de nós sensores encontra-se no fato de que um nó sensor terrestre usual apresenta capacidade computacional reduzida. Portanto, estes tipos de nós são incapazes de cumprir todas as tarefas da rede individualmente. Em contrapartida, estes nós sensores convencionais geralmente possuem custos reduzidos, o que propicia o uso de vários sensores para a realização de missões. Veículos Aéreos Não Tripulados podem variar em tamanhos, formas, configurações e propósitos, adequando-se a diversos cenários de aplicação. Neste trabalho, justifica-se o uso de Mini-UAVs (UAVs Multi-Missão), que são aeronaves de custo não tão elevado quando comparados aos custos de aeronaves de grande porte. Portanto, uma alternativa interessante é a utilização de Mini-UAVs
39 38 carregando uma variedade de sensores específicos (sensores como câmeras de alta resolução, infra-vermelho, GPS, etc) e que possuam poder computacional superior aos nós sensores terrestres, permitindo assim que os VANTs possam realizar missões e medidas mais sensíveis e específicas. Esta relação entre sensores terrestres simples e de baixo custo e VANTs relativamente mais caros justifica o uso de vários sensores simples espalhados pela área de interesse em conjunto com alguns poucos, ou apenas um, VANT para realizar as tarefas mais específicas. Por fim, o problema tratado é o desenvolvimento de uma estratégia eficientes para detecção de um evento através dos nós sensores mais simples e garantir que as mensagens sejam entregues aos VANTs mais hábeis a tratar o evento de forma específica. Dentre uma infinidade de exemplos de monitoramento de áreas de interesse, podem ser citados: Áreas Militares de Acesso Restrito: Locais de acesso proibido, onde se deseja detectar a presença de intrusos. Detecção de Fenômenos Físicos: São áreas onde se pretende detectar a ocorrência de fenômenos como alteração de temperatura, umidade, sons, etc. Observação de Animais: Aplicações em que o objetivo seja o monitoramento de espécies de animais, como, por exemplo, a presença de uma espécie incomum em uma determinada área.
40 39 Observados os problemas e exemplos expostos anteriormente, este trabalho apresenta algumas soluções para se aprimorar a utilização de veículos aéreos não tripulados em conjunto com redes de sensores sem fio. Resumidamente, os algoritmos desenvolvidos são: (a) Distribuição de Ferormônio: o VANT sobrevoa continuamente a área de interesse da aplicação. Enquanto sobrevoa esta área, o VANT deve se comunicar com os nós sensores que se encontram abaixo do mesmo, estes nós armazenam um valor com a intensidade do sinal com que a mensagem foi recebida. Neste momento é formado um gradiente que corresponde a um rastro artificial da aeronave. (b) Detecção e Propagação do Evento: quando um evento é detectado, os nós sensores terrestres devem realizar uma negociação a fim de enviar uma mensagem de alarme para os VANTs presentes na área. Esta mensagem deve encontrar o rastro de ferormônio formado em (a) e prosseguir até o VANT mais hábil para tratar o evento ocorrido. As próximas seções discutem o problema apresentado em diferentes perspectivas, apresentando suas peculiaridades e possíveis soluções. Os algoritmos são introduzidos em uma sequência lógica para que se torne possível o entendimento do problema em questão, sendo que cada seção apresenta dependência em relação aos conceitos apresentados nas seções anteriores. 4.2 Detecção de Eventos Para que um sistema de monitoramento realize seu papel de forma eficaz, espera-se, no mínimo, que este seja capaz de detectar eventos. Todo o funciona-
41 40 mento de um sistema deste tipo depende da detecção dos eventos de interesse. Contudo, o foco deste trabalho não está no desenvolvimento de algoritmos para detecção de eventos. Portanto, adotou-se uma abordagem básica para a detecção de eventos pela RSSF, visto que a preocupação principal deste trabalho não se concentra neste problema. A estratégia de detecção dos eventos de interesse escolhida pode ser considerada simples. Entretanto, apresenta-se eficaz para o desenvolvimento deste trabalho. Cada nó sensor da rede possui sensores dos mais variados tipos: umidade, temperatura, pressão, eletro-magnético, etc. Cada um destes sensores pode ser configurado de modo que possua um limite 3 aceitável de medição em determinado parâmetro. Definidos os limites, são agendadas algumas medições para aquele sensor. Em caso de uma medição exceder o limite aceitável para aquele parâmetro o nó sensor pode considerar este fenômeno como um evento de interesse detectado. Se a medição não exceder o limite, o nó simplesmente deverá agendar outra leitura em tempo futuro. O algoritmo a seguir demonstra o algoritmo em formato simplificado. Algorithm 1: Algoritmo para a detecção de eventos no ambiente. Entrada: Parâmetros do Ambiente enquanto ainda existem medições agendadas faça medicao = realizarmedicaonoambiente () ; se medicao maior que LIMITE então acionaralarme (); agendaraproximamedicao (AtrasoParaProximaMedicao) ; 3 O termo limite pode ser encontrado em literaturas internacionais como threshold
42 Distribuição de Feromônio Este algoritmo tem como objetivo a construção de um rastro de feromônios sobre a rede de sensores. A construção deste rastro possibilita que cada VANT receba mensagens de maneira mais rápida e mais eficiente, bem como otimiza os caminhos para que uma mensagem alcance seu destino. Para a composição destes rastros é utilizada uma heurística inspirada em fenômenos biológicos, mais especificamete no comportamento de formigas quando buscam alimento. O princípio deste comportamento, de forma simplificada, é que uma formiga libera seu rastro através de um caminho no momento em que começa sua viagem em busca de alimento. Este rastro é composto por feromônios que exalam um odor específico para marcar o caminho percorrido. Um ponto importante a se ressaltar é que este rastro se evapora com o passar do tempo, isto, por fim, resulta em um gradiente que decresce de acordo com o tempo. Consequentemente, este caminho possuirá duas extremidades, uma extremidade com baixo valor de feromônio (início do caminho) e uma extremidade com altíssima concentração de feromônio (posição atual da formiga). Este rastro possibilita que a formiga (detentora do rastro) possa ser alcançada por qualquer outro indivíduo (outras formigas) que possua capacidades de interpretar o odor do feromônio. A Figura 4 demonstra o fenômeno descrito. Inspirado no comportamento anteriormente descrito, torna-se possível criar uma adaptação do mesmo para implementação no uso de redes de sensores sem fio em conjunto com veículos aéreos não tripulados. Para isso, basta que se con-
43 42 Figura 4: Fenômeno Biológico de Distribuição de Feromônio. sidere um VANT como uma formiga capaz de produzir um rastro feromônio. Este rastro resultará em uma espécie de backbone de feromônios que otimizará a entrega de mensagens destinadas ao VANT. A estratégia utilizada para que este comportamento seja mapeado para uma rede de sensores pode ser dividida em duas responsabilidades: 4.4 Entrega de Feromônios pelos VANTs Cada VANT sobrevoando a área de interesse exala seus feromônios digitais periodicamente durante seu vôo. Utilizando recursos de comunicação sem fio, o
44 43 VANT simplemeste enviará pacotes beacon periodicamente em broadcast. Este comportamente garante que os pacotes são enviados a todo momento para todos os nós sensores que se encontram no alcance do raio de comunicação do VANT. Um ponto interessante a se ressaltar é o VANT deve enviar, em cada pacote, um atributo que indique o "sabor"de feromônio que este VANT possui. Isto garante que no caso de vários VANTs sobrevoando a área de interesse os rastros não se sobreponham, de modo que em um mesmo local possam ser armazenador rastros distintos. Como demonstra a Figura 5, cada cor nas setas representa um sabor de feromônio.. Figura 5: Envio de um pacote em broadcast. 4.5 Armazenamento por parte dos Nós Sensores Os nós sensores espalhados pela área são responsáveis por armazenar os feromônios distribuídos pelos VANTs, de modo a reproduzirem os rastros. Cada
45 44 nó, ao receber um pacote enviado por um VANT deverá armazenar o sabor de feromônio recebido. Esta ação, quando observada em nível macro (todas as microações produzidas por cada nó), resultará em um comportamento global, construindo rastros de feromônios digitais que representam os caminho percorridos por cada VANT dentro da área de interesse. Figura 6: Feromônios esmaecendo em função do tempo. Além de armazenar o valor de feromônio recebido, o nó sensor deve agendar uma tarefa interna para reduzir (evaporar) seu valor de feromônio de acordo com o tempo. Um exemplo de tarefa é reduzir em vários intervalos de tempo o valor de feromônio armazenado a uma taxa de 10%, de modo a simular a evaporação do feromônio. Esta evaporação garante que o rastro mantenha-se em maior con-
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