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Dissertação submetida à Coordenação do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Telecomunicações do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Telecomunicações
Tipologia: Teses (TCC)
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Compartilhado em 22/08/2019
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SISTEMA DE REDES DE SENSORES SEM FIO PARA
PREVENÇÃO DE INCÊNDIOS FLORESTAIS E
MONITORAMENTO ATRAVÉS DE PLATAFORMA IOT
Dissertação submetida à Coordenação do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Telecomunicações do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Telecomunicações. Área de concentração: Sistemas de Telecomunicações Orientador: Prof. Dr. Francisco José Alves de Aquino Co-orientador: Prof. Dr. Edson da Silva Almeida
Dedico este trabalho a Deus, minha maravilhosa esposa, mãe, irmão e aos meus amigos.
“Do. Or do not. There is no try.”
Yoda, Jedi Master. Personagem fictício da saga Star Wars.
Resumo
Esta dissertação possui como objeto de estudo a prevenção de incêndio nas florestas de determinada comunidade e/ou região geográfica. Este trabalho teve como objetivo geral desenvolver um sistema (wireless) para monitorar focos de incêndios. Pretende-se que esse sistema monitore remotamente e analise, em tempo real, um conjunto de dados ambientais com o intuito de alertar líderes e responsáveis para que possam tomar atitudes preventivas. Possui como objetivo específico projetar e implementar uma Rede de Sensores Sem Fio (RSSF) para obter dados de gás, fumaça, umidade, temperatura, em tempo real e transmiti-lo através da rede móvel, para análise e possível alerta. No que tange à motivação do presente estudo, mediante análise dos dados relacionados às calamidades e com base em histórico de focos ativos de queimadas monitorados pelo INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), percebe-se a gravidade dos casos com grande número de vítimas fatais no mundo, fator motivador do desenvolvimento desta pesquisa. Para a metodologia deste trabalho foram delimitados diversos tipos de redes de sensores sem fio e optou-se por uma rede do tipo ZigBee e um sistema GSM para retransmissão dos dados. Foram também realizadas medições em laboratório e em campo para validar o funcionamento global: sensores, placa e comunicação. Todos os sensores assim como o hardware coordenador foram testados individualmente e, em seguida, a rede completa. No que se refere aos resultados deste trabalho, foram realizados experimentos de forma controlada para verificar a eficiência do sistema através da intensidade dos gases, temperatura, fumaça, radio ranger test, throughput, testes de rede em ambiente aberto e da rede móvel GSM e o envio dos dados monitorados para a plataforma IoT (thingspeak). O protótipo funcionou como esperado, permitindo a aquisição de um grande conjunto de dados, que foram enviados via rede móvel GSM. Concluiu-se que o sistema de prevenção aos incêndios florestais apresenta uma ótima resposta e capazes de se tornar um fator ímpar no combate a essas catástrofes. Com a rapidez do sistema GSM e atualmente considerado uma solução de baixo custo, o protótipo executa seu objetivo como desejado.
Palavras-chave: arduíno, IoT, ZigBee, redes de sensores sem fio, incêndios florestais, prevenção de incêndios.
Lista de Figuras
Lista de Tabelas
Lista de Figuras
1 Aumento significativo de focos de incêndios no estado da Califórnia entre os dias 30 e 31 de julho de 2018. Fonte: (INPE, 2018)............... 18
2 Série histórica do total de focos ativos detectados pelo satélite de referência, no período de 1998 até 18/07/2018. Fonte: (INPE, 2018).............. 21
3 Exemplo de uma rede de sensores sem fio típica. Fonte: (CARVALHO et al., 2012)........................................ 24
4 Modelo de topologia em Estrela. Fonte: (ZIGBEE, 2010)............ 29
5 Modelo de Topologia em Árvore. Fonte: (ZIGBEE, 2010)........... 29
6 Modelo de Topologia em Malha. Fonte: (ZIGBEE, 2010)............ 30
7 Evolução da tecnologia celular. Fonte: (ALMEIDA, 2013)........... 31
8 Blocos básicos de construção da IoT. Fonte: (SANTOS et al., 2016)...... 32
9 Diagrama da estrutura do projeto de redes de sensores sem fio contra incêndios. Fonte: O autor, 2018............................... 36
10 Ilustração dos sensores MQ-2, MQ-135 e DHT11. Fonte: O autor, 2018.... 37
11 Ilustração de um arduino Uno R3. Fonte: (SOLARBOTICS, 2018)....... 38
12 Ilustração de um RTC DS3231. Fonte: (SOLARBOTICS, 2018)........ 39
13 Ilustração de um Xbee Explorer USB. Fonte: (SOLARBOTICS, 2018)..... 39
14 Ilustração do Módulo Xbee. Fonte: (SOLARBOTICS, 2018).......... 40
15 Ilustração do Módulo SIM800L para comunicação GSM/GPRS. Fonte: (SOLARBOTICS, 2018)............................. 40
16 Diagrama composto por todos os componentes do nó sensor. Fonte: O autor, 2018 42
17 Diagrama composto por todos os componentes do coordenador. Fonte: O autor, 2018........................................ 42
18 Topologias de Redes Implantadas. Fonte: (AZEVEDO, 2006)......... 44
19 Modelo da árvore lógica de uma rede ZigBee. Fonte: (AZEVEDO, 2006)... 45
20 Software de Configuração do Rádio - XCTU. Fonte: O autor, 2018....... 46
21 Interface de configuração do software XCTU. Fonte: O autor, 2018....... 47
22 Ilustração da Plataforma ThingSpeak. Fonte: O autor, 2018........... 48
23 Teste de performance dos sensores. Fonte: O autor, 2018............ 50
24 Amostragem de verificação da presença ou ausência dos gases através da leitura do sensor MQ-2. Fonte: O autor, 2018...................... 51
25 Amostragem de verificação da presença ou ausência de fumaça através da leitura do sensor MQ-135. Fonte: O autor, 2018................. 52
26 Análise dos dados através da leitura do Rx - coordenador. Fonte: O autor, 2018 53
27 Ilustração do recebimento de alertas via GSM. Fonte: O autor, 2018...... 53
28 Teste de envio de pacotes, para a validação do rádio. Fonte: O autor, 2018... 54
29 Teste de verificação do sinal dos nós em campo fechado. Fonte: O autor, 2018. 55
30 Teste de Envio e recebimento dos pacotes para cada nó. Fonte: O autor, 2018. 56
31 Nível de eficiência de envio e recebimento dos pacotes para cada nó. Fonte: O autor, 2018.................................... 56
32 Taxa de transferência de dados por cada nó sensor até o coordenador pelo software XCTU. Fonte: O autor, 2018...................... 57
33 Teste da Transferência de dados por cada nó sensor até o coordenador pelo software XCTU. Fonte: O autor, 2018...................... 58
34 Ilustração dos pontos que marcam cada roteador utilizado para cobrir a trilha do parque do Cocó. Fonte: O autor, 2018.................... 59
35 Teste de temperatura (grau Celsius), umidade, gás e fumaça do nó 1 em percentual. Fonte: O autor, 2018......................... 61
36 Teste de temperatura (grau Celsius), umidade, gás e fumaça do nó 2 em percentual. Fonte: O autor, 2018......................... 62
37 Teste de temperatura (grau Celsius), umidade, gás e fumaça do nó 3 em percentual. Fonte: O autor, 2018......................... 63
Lista de Tabelas
1 Variação da Modulação do padrão ZigBee.................... 27
2 Estudo comparativo entre as tecnologias de comunicação utilizadas nos serviços das aplicações dos IoT.............................. 34
3 Informações do Módulo Arduíno Uno...................... 38
4 Estudo de custo do Coordenador......................... 41
5 Estudo de custo dos nós sensores......................... 41
6 Distância dos nós sensores ao coordenador.................... 54
7 Geo-localização dos pontos que marcam cada roteador utilizado para cobrir a trilha do parque do Cocó............................. 60
Lista de Abreviações
RSSF Redes de Sensores Sem Fio
IOT Internet of Things
GSM Global System Mobile
PAN Personal Area Network
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers
PHY Physical
MAC Medium Access Control
LR-PAN Low-Rate Wireless Personal Area Networks
NWK Network Layer
APL Application Layer
APS Application SubLayer
PAN Identity Personal Area Network
FFD Full Function Device
RFD Reduced Function Device
IP Internet Protocol
RFID Radio-Frequency Identification
NFC Near Field Communication
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
FPGA Field Programmable Gate Array
EF Entidades Físicas
17
m incêndio é uma ocorrência de fogo não controlado, e pode se tornar um fato extremamente grave, causando danos irreparáveis, tanto para os seres vivos quanto para as estruturas e materiais de uma certa comunidade. A exposição de uma população a um incêndio é gravíssima e pode levar à morte, seja por intermédio da inalação de gases ou por meio de queimaduras graves em que a população venha a ser exposta.
A propagação do fogo tende a se iniciar de formas variadas, tais como: panes na rede de eletricidade, velas de cera acesas indevidamente, pontas de cigarro atiradas aleatoriamente no meio ambiente próximo a elementos inflamáveis e ainda, fogueiras não devidamente controladas. A ocorrência dos incêndios pode ocorrer com tanta frequência que até a cozinha de nossas residências pode favorecer, quando normas de uso dos botijões de gás não são obedecidas (ABNT, 2012).
No intuito de equacionar o problema causado pelos incêndios em geral, sobretudo, dos incêndios florestais - que são, na maioria dos casos, os de maior gravidade - faz-se necessário, inicialmente, determinar quais são as suas causas. Aproximando-se dos fatores de risco e propagação de incêndios em geral e, especificamente, os florestais, tem-se que esses mesmos podem vir a acontecer em determinado local em função de fatores variados tais como os associados diretamente ao fenômeno da combustão e daqueles elementos existentes no local que influenciam indiretamente a combustão, como os materiais altamente inflamáveis que, por sua vez, atuam na intensificação e na diversificação da sua propagação. Especificamente, os fatores de propagação são: a) o material combustível, b) as condições climáticas, c) a topologia e d) a cobertura vegetal da região - caso o incêndio ocorra em área florestal (IBAMA, 2010). A análise criteriosa destes fatores de risco - fonte de ignição e condições favoráveis de propagação -, permitem aos estudiosos dessas catástrofes uma avaliação do potencial de seu risco em uma determinada região e permite também que se possa estabelecer a potencialidade de como e onde este fogo vai se propagar, e por último, de sua extinção.
Os incêndios se propagam por meio de quatro fatores específicos, são eles: primeiro lugar, irradiação - quando a energia ocorre em forma de radiação elas se dispersam através do ar
1 Introdução 18
suportado por ondas infravermelhos e ondas eletromagnéticas; segundo lugar, convecção - quando a energia é transportada pela movimentação do ar aquecido pela combustão; terceiro lugar, condução - em que a energia é transportada através de um corpo bom condutor de calor; e finalmente, por projeção de partículas inflamadas - que pode ocorrer na presença de explosões e fagulhas transportadas pelo vento.
Através da análise da Figura 1, realizadas nos dias 30 e 31 de julho de 2018, do estado da Califórnia nos EUA, foram registrados ventos que chegam a velocidades de 130 km/h, aumentando a quantidade dos focos de incêndio em mais de 132% em um único dia, onde existe uma concentração maior ao sul da Califórnia. As imagens foram capturadas pelos satélites GOES 16 (azul) e o TERRA MT (laranja) (INPE, 2018).
Figura 1: Aumento significativo de focos de incêndios no estado da Califórnia entre os dias 30 e 31 de julho de 2018. Fonte: (INPE, 2018)
Por outro lado, o incêndio pode se arrefecer por limitação do calor, pelo seu abafamento e pela eliminação ou mitigação do combustível. Essas são as normas convencionais de proteção contra os mesmos.
Seria dispensável ressaltar a importância do combate ao incêndio por qualquer processo que se queira utilizar, entretanto, a forma realmente eficaz é a sua prevenção, sobretudo, por aqueles processos em que se recorre às técnicas e tecnologias avançadas de sensoriamento juntamente com o conceito IoT - aplicativos, programas ligados à (Internet of Things). Este termo torna-se um diferencial primordial, por ser capaz de moldar o sistema de modo a alertar imediatamente a população local para evacuação do ambiente e entorno do sinistro e também, principalmente, por informar aqueles que têm a função de prevenção e combate ao fogo, logo nos seus momentos iniciais quando o fogo poderá ser facilmente controlado.
Com o intuito de prevenir os incêndios - que é o que é mais correto que se tem a fazer e não,
