Ambiente de monitoramento para o Canal da Piracema

CELTAB • 18 de Junho 2013
Ambiente de monitoramento para
o Canal da Piracema
Thiago Bitencourt
Luis Valdés
Gustavo Valiati
CELTAB
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Resumo
This document presents a general body of a project to solve the current situation of Piracema
channel. The researchers need their tools to make everything as automated as possible and with
posibilities of gather real-time information. Our proposal is to change old proprietary software
with new open innovative solutions.
Keywords: Monitoramento, Canal da Piracema, Open Source, Raspberry Pi, RFID
Introdução
O canal da piracema foi criado para facilitar a migração reprodutiva dos peixes no perı́odo da
piracema e seu retorno no perı́odo de outono e inverno, quando ocorre a migração trófica para áreas
de alimentação. A ligação é fundamental para a conservação da biodiversidade. O canal usa um
trecho do leito do Rio Bela Vista para vencer o desnı́vel médio de 120 metros existente entre o Rio
Paraná e a superfı́cie do reservatório e tem extensão de 10 quilômetros, dos quais quatro quilômetros
são de leito artificial.
O canal da piracema foi construı́do após a avaliação das condições de migração das espécies
de peixes do Rio Paraná. Depois da construção do canal, a Itaipu estuda nele, a migração dos
peixes em parceria com alguns grupos de pesquisa, permitindo o acompanhamento da dispersão
das espécies e fornecendo informações sobre o ciclo migratório. Com isso é possı́vel implementar
medidas de redução de impactos ambientais causado pela construção da barragem.
O projeto foi iniciado em 1996 e consiste no monitoramento dos peixes por meio de radiotransmissores implantados. Quatro pontos ao longo do canal são responsáveis por captar os sinais dos peixes
que já receberam a implantação dos transmissores, e então armazenar os dados coletados. Desde o
inicio do projeto mais de 45 mil peixes foram marcados, mas com a tecnologia de radiotransmissores
foram 1300 marcações. Com o monitoramento foi possı́vel perceber, por exemplo, exemplares
marcados em Itaipu que migraram 625 km até o lago artificial da usina de Porto Primavera [1].
A tecnologia em uso atualmente, apresenta alguns pontos negativos que dificultam o processo de
extração de conhecimento com base nos dados coletados. Portanto, é de interesse dos coordenadores
do projeto que tais pontos sejam eliminados, tornando o processo mais eficiente e otimizado.
Este documento tem com objetivo apresentar uma solução baseada em um ambiente otimizado que
atende as necessidades do projeto, possibilitando a extensão do mesmo. É feita uma apresentação da
solução atualmente utilizada, apresentando os seus pontos negativos e posteriormente é apresentada
a proposta de um modelo que atende as necessidades do projeto.
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Situação atual
1.1
Como é a tecnologia?
A tecnologia utilizada para realizar o processo de monitoramento da migração dos peixes, é composta
por:
• Transmissor implantado no peixe. RFID – Radio Frequency Identification, em que utiliza-se
ondas eletromagnéticas para acessar dados armazenados em um microchip (Passive Integrated
Transponder – PIT-tag).
• Hardware de leitura (Reader). Conjunto de equipamentos composto por uma antena e um
módulo de controle, responsáveis por fazer a leitura, via radiotransmissão, dos transmissores
dos peixes marcados. A Figura 1 representa a estrutura do Reader.
• Sistema operacional Windows XP. Sistema operacional que opera sobre o computador presente
no ponto de coleta, como requisito de funcionamento para o sistema TIRIS S2000.
• Computador. Elemento necessário para hospedar o sistema TIRIS S2000.
• Sistema TIRIS S2000 Texas Instruments. Sistema responsável por coletar os dados providos
pelo hardware na leitura realizada sobre os peixes. A interface gráfica do sistema pode ser
observada na Figura 2.
Figura 1: Estrutura do reader.
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Figura 2: TIRIS Multireader Program.
1.2
Quais os problemas?
Nesta composição, alguns problemas foram identificados, sendo eles:
• Multireader só roda em Windows XP. O sistema TIRIS S2000 tem como requisito o sistema
operacional Windows XP. Em uma eventual necessidade de troca do computador por um
equipamento moderno, a utilização do sistema operacional Windows XP se torna inviável, já
que a Microsoft não oferece mais suporte ao mesmo [2].
• Programa em inglês. O sistema TIRIS S2000 usa padrão de configuração internacional,
trazendo problemas com questões de idiomas e formato de data/hora.
• Acesso apenas local. Em cada ponto de coleta, existe um computador que faz o armazenamento
dos dados coletados, o que implica na descentralização dos dados.
• Banco de dados. O banco de dados utilizado é alimentado manualmente. Uma coleta manual
é realizada em cada ponto, e o usuário é responsável por inserir os dados na planilha (banco
de dados Access).
• Falta um software mais adequado para análise dos dados. Os usuários encontram grande
dificuldade na manipulação dos dados armazenados nas planilhas, quando procuram fazer
remoção de informação inválida e extração de conhecimento, devido ao fato de que é feito de
maneira manual.
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Solução Proposta
Nesta seção são apresentadas as caracterı́sticas de um sistema que atende as necessidades já
mencionadas, além de oferecer flexibilidade para evolução do projeto.
• Permitir importação de dados antigos. O sistema possibilita que a base de dados antiga
(Access) seja importada para o novo ambiente, para que os dados fiquem armazenados e
acessı́veis em um único local, evitando a descentralização. A importação é acompanhada, caso
necessário, de uma filtragem de dados redundantes, que podem ser encontrados na base antiga.
• Persistir dados em forma local e remota, com tolerância a falhas. Cada ponto de coleta está
equipado com um Raspberry PI [3], que faz a leitura dos dados recebidos da antena e armazena
esses dados localmente (Em um cartão de memória, por exemplo) e verifica se existe conexão
com o banco dados central. Se existir, envia os dados para o servidor através do meio de
comunicação utilizando um protocolo de transmissão de dados. Caso não exista conexão com
a base de dados central, os dados são armazenados localmente.
• Os dados coletados devem ser filtrados antes da persistência. Quando o sistema efetua a
leitura dos dados oriundos do Reader, é realizada a filtragem de dados redundantes, para que
não sejam persistidos dados inúteis (redundantes), aproveitando adequadamente o espaço de
armazenamento, a banda de rede e evitando processamento desnecessário.
• Oferecer interface de importação e exportação de dados. Alguns pontos de coleta de dados
podem não estar conectados com a base de dados central e, portanto, os dados são persistidos
apenas localmente. Para que seja possı́vel a centralização dos dados mesmo sem conexão, é
oferecida uma interface de exportação no ponto de coleta, que conta com uma porta USB
na qual é possı́vel conectar um dispositivo de armazenamento removı́vel, para onde os dados
serão exportados. Os dados exportados de um ponto de coleta podem ser importados para
a base de dados central. O sistema verificará a integridade dos dados e evitará que dados
redundantes sejam armazenados.
• Oferecer interface de monitoramento dos pontos de coleta. O sistema permite monitorar cada
ponto de coleta, com objetivo de verificar seu funcionamento e integridade. Permite visualizar
as seguintes informações:
– Verificar se os dados estão sincronizados, para evitar perdas. Quando um ponto não está
conectado com o servidor, persiste os dados localmente e quando esse ponto se conectar
ao servidor, os dados devem ser persistidos na base central. Portanto, o sistema deve ser
capaz de verificar quais dados ainda não foram armazenados para evitar redundância de
dados e garantir a integridade dos mesmos.
– Verificar a comunicação com os pontos. Quando a comunicação com um ponto está
estabelecida o sistema mantém contato com o mesmo. Quando a comunicação não existe,
o sistema emite uma notificação para que a coleta manual seja feita. Ou seja, é necessário
fazer a exportação dos dados no ponto de coleta e a importação dos mesmos para o
sistema.
– Monitoramento em tempo real. Criar um serviço que forneça os dados em tempo real,
para que outras aplicações possam acessar. O objetivo do sistema é manter uma base de
conhecimento para fins de estudo e pesquisa e, portanto, o sistema oferece uma interface
que fornece os dados armazenados na base de dados e também dados em tempo real. Com
isso, é possı́vel desenvolver aplicações que farão a leitura dos dados fornecidos, utilizando
técnicas de data mining, para que sejam feitos estudos mais elaborados e complexos.
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• Interface de configuração da antena e RFID. Interface de configuração do equipamento
responsável por captar os dados da antena e também inserir dados em novos RFIDs.
A Figura 3 apresenta um diagrama simplificado das funcionalidades que serão oferecidas pelo
sistema.
Figura 3: Sistema de monitoramento de peixes.
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Materiais necessários
3.1
Pontos de Coleta
• Raspberry Pi (Figura 4) equipado com sistema operacional Linux e o sistema responsável por
fazer a leitura e persistência dos dados.
• Cartão de memória SD (Figura 5) para atuar como disco rı́gido.
• Fonte de energia 2,5 volt via MicroUSB ou header GPIO (Figura 7).
• Meio de comunicação com a base de dados central (Rede Local, USB Wireless (Figura 6), 3G
e etc.).
• Disco rı́gido removı́vel com interface USB (Figura 8) para exportação dos dados.
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Figura 4: Raspberry Pi.
Figura 5: Cartão de memoria SD 4Gb.
Figura 6: Adaptador USB Wireless.
Figura 7: Fonte Micro USB.
Figura 8: Pendrive 4 Gb.
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3.2
Custo aproximado por ponto
Nome
Raspberry Pi
Cartão de memória SD
USB Wireless
Pendrive
Fonte Micro USB
Custo total
3.3
Custo estimado
150,00
30,00
80,00
15,00
27,00
R$ 302,00
Software para Raspberry Pi
• Protocolo de comunicação com o Hardware “data reader”/“multi reader”.
• Sistema que utiliza o protocolo para a persistência dos dados local ou remota.
• Exportação dos dados.
• Sincronização com tolerância a falhas.
3.4
Software Servidor
• Interface de monitoramento em tempo real.
• Base de dados centralizada.
• Monitoramento dos pontos de coleta.
• Importação dos dados.
• Controle da sincronização dos dados.
3.5
Software de Interface Gráfica
• Visualizar os dados em tempo real.
• Visualizar dados da base de dados.
• Visualizar monitoramento dos pontos de coleta.
• Importação dos dados coletados manualmente.
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Conclusão
A solução proposta, tem como objetivo suprir as necessidades apresentadas pelo projeto de monitoramento do canal da piracema. A ideia inicial era de resolver alguns problemas pontuais que a
solução corrente apresenta. Porém, foi identificado que ao implementar apenas a solução única e
direta aos problemas descritos, implicaria em uma solução fraca e atrelada a realidade única do
ambiente em que consiste o canal da piracema.
A solução proposta por este documento, tem como objetivo, além de suprir as necessidades do
projeto, oferecer uma solução de software livre baseada em tecnologias que podem ser estendidas a
outros projetos similares, ou seja, uma solução adequada aos problemas apresentados mas que não
está restrito a esses.
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Ainda, os autores consideram como uma solução mı́nima para o ambiente problemático, a
expansão da solução para além dos pontos citados. Já que, a solução de tais pontos são desconexas,
referindo produção de resultados que implicariam em refatoração total da solução, em inevitáveis
melhorias posteriores.
Observando estas premissas, os autores propõem um ambiente dinâmico, integrado, com tecnologia
de ponta, produzindo um ambiente de monitoramento moderno e otimizado, que pode ser usado
como modelo para outros projetos.
Referências
[1] Itaipu,
Canal da Piracema.
Disponı́vel em <http://www.itaipu.gov.br/meioambiente/canal-da-piracema>
Acessado em 17/06/2013.
[2] Microsoft,
Windows XP.
Disponı́vel em <http://www.microsoft.com/brasil/oem/windows xp.html>
Acessado em 18/06/2013.
[3] Raspberry Pi Foundation,
Raspberry Pi.
Disponı́vel em <http://www.raspberrypi.org/>
Acessado em 18/06/2013.
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