Tecnologia e computação ajudam na coleta de informações debaixo d’água

08/02/2019 - Fonte: Minas faz Ciência
Redes de sensores sem fio aquáticas ficam no fundo de rios, lagos e oceanos coletando dados de interesse em ambientes aquáticos

Você sabia que mais de 95% do volume dos oceanos nunca foram vistos pelos seres humanos? Isso significa que há muitos segredos escondidos no fundo dos mares e somente com tecnologia descobriremos esse ambiente inexplorado. Um das possibilidades é o uso de redes de sensores sem fio, que ajudam a coletar dados debaixo d’água, revelando informações essenciais e submersas.

As redes de sensores sem fio aquáticas (RSSFAs) são compostas por dispositivos computacionais (nós sensores) que têm capacidades de processamento, armazenamento e comunicação sem fio, bem como de sensoreamento de variáveis e eventos de interesse em ambientes aquáticos.

Os nós sensores aquáticos não são exclusivamente usados em oceanos. São depostos, também, em lagos e rios para a coleta autônoma de dados. Podem ser úteis para:

– monitoramento da qualidade da água em reservatórios e rios;

– detecção precoce de tsunamis e maremotos,

– acompanhamento da vida marinha;

– verificação do impacto da atividade humana nos oceanos (medições da temperatura nos oceanos, por exemplo);

– monitoramento de vazamentos em plataformas de petróleos, entre outros.

O pesquisador Rodolfo Wanderson Lima Coutinho é um especialista no assunto. Ele é autor da tese “Controle de topologia e roteamento oportunístico em redes de sensores aquáticas”, desenvolvida na Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e vencedora do Prêmio Capes de Tese 2018, na categoria Ciência da Computação. Ele pesquisou a topologia das RSSFAs e desenvolveu um protocolo de roteamento para melhorar a entrega dos dados dessas redes.

Desafios de informações submersas

Segundo o cientista, a topologia tem um papel fundamental no processo de comunicação entre os dispositivos em uma rede e, no caso de informações submersas, há algumas especificidades.

“Diferentemente de uma rede celular ou uma rede local cabeada, a topologia de uma rede de sensores sem fio aquática dificilmente seguirá um planejamento, dado as dificuldades de deposição dos nós sensores aquáticos e os eventos que acontecem nos meios aquáticos como, por exemplo, correntes aquáticas que fazem com que os nós sensores não permaneçam em uma mesma localização. A topologia dinâmica da rede resulta em desafios para a comunicação. Contudo, ela pode ser controlada por meio do ajuste de parâmetros em nós sensores, por exemplo, a potência de transmissão usada na comunicação sem fio”, explica.

Essas informações coletadas debaixo d’água são enviadas pelos nós sensores a uma central de monitoramento. Sendo assim, o controle de topologia em RSSFAs é fundamental para aprimorar a coleta e eficiência dos caminhos de roteamentos. Além disso, melhora o aproveitamento energético e, consequentemente, prolonga o tempo de vida útil de uma RSSFA.

Durante os trabalhos da tese, Rodolfo Coutinho criou o GEDAR, protocolo de roteamento com objetivo de resolver o “vazio de comunicação”. “Esse problema acontece sempre que um nó não possui um vizinho cuja distância para o destinatário é menor que a sua. A abordagem que havia na literatura para lidar com esse problema era a busca de um caminho de roteamento alternativo. Para isso, era necessário o envio de pacotes adicionais de controle, para descobrir e manter esse caminho de roteamento alternativo. Isso resultava num gasto excessivo de energia, visto que a topologia da rede mudava frequentemente devido a mobilidade no meio aquático”, detalha o pesquisador.

Na tese, conforme explica Rodolfo Coutinho, foi proposto um método inovador para lidar com o problema. Quando um nó sensor está em uma área de “vazio de comunicação”, o GEDAR determina uma nova profundidade para o nó, que permitirá a entrega de pacotes de dados produzidos a partir das informações que ele coletou do ambiente. “Essa abordagem evita que se tenha um gasto excessivo de energia, visto que alguns nós sensores aquáticos no mercado apresentam mecanismos para o movimento vertical (ajuste da profundidade) com um baixo custo de energia”.

Para testar o modelo matemático, o pesquisador usou o simulador ns2 (network simulator 2) para reproduzir o ambiente aquático e as RSSFAs. Com ele, é possível imitar o ruído que afeta as transmissões acústicas no meio aquático, como por exemplo, a temperatura da água, vento, turbulência e atividades marítimas. Simulam-se também as colisões de pacotes quando há vários nós sensores aquáticos em um mesmo instante e em uma mesma área de cobertura; a absorção do sinal acústico e outras características importantes de RSSFAs e da comunicação acústica nos ambientes aquáticos. De acordo com o cientista, essa ferramenta permitiu simular a mobilidade dos nós sensores aquáticos em função das correntes marítimas.

Três perguntas para o pesquisador

MFC: O que te motivou a estudar o tema?

Rodolfo Coutinho: os grandes desafios presentes nessas redes e a importância em habilitar aplicações de monitoramento de ambientes aquáticos. Na graduação, tive meu primeiro contato com redes de sensores sem fio terrestres para aplicações de monitoramento do meio ambiente. Fiquei fascinado naquela época por estar conhecendo uma algo diferente das tradicionais redes de computadores.

Alguns anos depois, me aprofundei sobre o tema, inicialmente para escrever um projeto de pesquisa para minha inscrição no mestrado e posteriormente para desenvolver a dissertação na área. Foi nessa época que conheci os trabalhos desenvolvidos no SensorNet, um grupo de pesquisa no Departamento de Ciência da Computação (DCC) na UFMG, que estudava os desafios de pesquisa na área de redes de sensores sem fio terrestres.

Conheci as redes de sensores aquáticas e comecei a estudar. Quanto mais eu aprendia sobre RSSFAs, mais identificava os desafios que precisavam ser superados e entendia a verdadeira importância dessa tecnologia para os seres humanos e o meio ambiente. Isso fez com que eu desenvolvesse minha pesquisa nessa área, buscando entender e resolver problemas fundamentais no roteamento dos dados para que possamos ter uma coleta eficiente, autônoma e em larga escala de variáveis.

MFC: O que é ser cientista na área de Computação?

Rodolfo Coutinho: estudar problemas desafiadores, avançar a fronteira do conhecimento e resolver problemas fundamentais que permite o aperfeiçoamento e a criação de novas tecnologias que impactam positivamente na vida dos seres humanos.

MFC: Quais contribuições sua tese deixa para essa área da ciência?

Rodolfo Coutinho: o desenvolvimento de soluções que permitirão uma coleta de dados mais eficientes em RSSFAs. Essas soluções avançam o estado da arte em direção a uma nova tecnologia de redes das coisas aquáticas, que quando atingir maturidade, permitirá coletar grandes volumes de dados sobre os oceanos e a vida marítima. Isso ajudará a entender o papel dos ambientes aquáticos na manutenção da vida na Terra.