Redes de sensores sem fio industriais: Padrões, desafios e requisitos

Uma rede de sensor sem fio pode ser caracterizada pela utilização de nós sensores capazes de se comunicar em variados ambientes para as mais diversas aplicações.

José Carlos da Silva e Joseval Melo Santana

A conveniência e a capacidade de conectar dispositivos sem o uso de fios levam a uma crescente aceitação da tecnologia de transmissão sem fio pelas indústrias de bens de consumo. Dessa forma, destacam-se as redes de sensores sem fio.

Uma rede de sensor sem fio pode ser caracterizada pela utilização de uma certa quantidade de nós sensores capaz de se comunicar em variados ambientes para as mais diversas aplicações. Tratando-se de uma rede de sensores sem fio industrial, os nós sensores podem ser instalados em equipamentos industriais para monitorar alguns parâmetros críticos, como, por exemplo, temperatura, vibração, e verificar sua eficiência com base em uma combinação de medições. Após coletados, os dados monitorados são transmitidos por meio de um canal sem fio para uma central de monitoramento, que analisa os dados a partir de cada sensor, conforme ilustra a figura abaixo.

Na indústria, por exemplo, existe uma grande diversidade de setores onde as redes de sensores sem fio podem ser implementadas: química, petroquímica, petróleo e gás, usinas nucleares, automação e controle da manufatura. A utilização dessas redes permite eliminar a necessidade da presença humana em vários locais, incluindo áreas perigosas e de difícil acesso. Na implementação de sistemas de monitoramento e controle em ambientes industriais, as redes de sensores sem fio, em comparação com as redes de sensores cabeadas existentes, têm inúmeras vantagens: flexibilidade na instalação e atualização da topologia da rede, redução na implementação e custos de manutenção. Porém, apesar das vantagens, é preciso lidar com questões específicas relacionadas aos ambientes industriais, como, por exemplo, atenuação, ruídos, interferências e propagação multicaminhos. Além dessas possibilidades mencionadas, outro fator que pode degradar o desempenho e prejudicar a qualidade das comunicações sem fio é a existência de transmissões simultâneas em enlaces na própria rede de sensores sem fio.

Uma maneira de lidar com questões relacionadas à comunicação sem fio, no tocante à qualidade dos canais no ambiente industrial, é o desenvolvimento de protocolos que utilizam múltiplos canais. A utilização de protocolos multicanais permite alcançar uma melhor utilização das frequências, aumentando a capacidade da rede por meio da transmissão simultânea usando várias frequências diferentes, e minimizar interferências.

Desta forma, a caracterização de ambientes industriais, verificando-se as fontes de interferência e as características de propagação, é um passo importante para o desenvolvimento de novas aplicações e protocolos que fazem uso de redes sem fio.

Requisitos para redes de sensores sem fio industriais

As redes de sensores sem fio industriais necessitam satisfazer alguns requisitos específicos no domínio industrial, dentre eles estão:

• Tamanho dos sensores e custo: dispositivos compactos e de baixo custo são importantes para realizar implantações em grande escala.

• Interoperabilidade: redes de sensores sem fio industriais devem ser capazes de interagir com as redes de sensores cabeadas e redes de sensores sem fio já existentes no ambiente industrial.

• Consumo de energia: sensores devem economizar a energia de suas baterias para prolongar sua vida útil.

• Autoconfiguração e auto-organização: redes de sensores devem ter a capacidade de operar independentemente da intervenção humana por longos períodos de tempo.

• Tolerância a falhas: a rede de sensores necessita ser construída de tal forma que a falha de um ou de alguns nós sensores não resulte em falha de toda a rede.

• Enlace confiável: devido á baixa potência dos nós sensores, os enlaces em ambientes industriais podem degradar e levar á perda de pacotes e atrasos.

• Garantias de tempo real: alguns sistemas, como sistemas de controle, necessitam de comunicação com atrasos previsíveis.

• Escalabilidade: redes de sensores sem fio industriais devem ser escaláveis para suportar mudanças na topologia da rede, permitindo a inclusão ou remoção de vários nós na rede.

• Qualidade de serviço: existe uma grande variedade de aplicação, onde cada uma necessita de requisitos diferenciados, como, por exemplo, confiabilidade, latência e disponibilidade. Como exemplo de QoS – qualidade de serviço, podemos mencionar o tempo de entrega das informações entre o sensor e o sink.

Aplicações das redes de sensores sem fio industriais

As redes de sensores sem fio industriais podem ser aplicadas em vários seguimentos da indústria:

• Uma rede de sensores sem fio é utilizada para medir a pressão anular da cabeça de um poço em uma plataforma de petróleo no oceano. Em outra aplicação, a temperatura de um secador rotativo industrial é controlada para garantir o processo de secagem.

• Em outro exemplo, relatamos a utilização de uma rede de sensores cujo objetivo é monitorar um equipamento responsável pela fabricação de correias e outras máquinas.

• Sensores sem fio podem ser instalados internamente nas bombas para coletar dados referentes ao desgaste de componentes internos. O objetivo é realizar a manutenção preventiva das bombas substituindo os componentes desgastados.

• Redes de sensores sem fio industriais podem ser utilizadas para monitorar o processo de usinagem em uma máquina com controle numérico computadorizado (CNC).

Como pode ser observado, existe uma grande diversidade de aplicações e domínios em que as redes de sensores sem fio podem ser utilizadas. Dessa forma, os requisitos necessários para aplicações de tais redes em ambientes industriais podem variar significativamente. Diante disso, o conhecimento da arquitetura e padrão a ser implementado é de extrema relevância.