“ Um Estudo e Aplicação das Técnicas de Pesquisa, Armazenamento

Montevideo, 27-29 de setiembre de 2006
IBERSENSOR 20061
Um Estudo e Aplicação das Técnicas e Ferramentas de Pesquisa,
Armazenamento e Gerenciamento de Dados Nas Redes de Sensores Sem
Fio
Victor Enrique Cavero Soria, Sérgio Takeo Kofuji e Javier Ramirez Fernandes‫٭‬
¹Grupo de Computação Pervasiva de Alto Desempenho -PAD
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Brasil
{caverin,kofuji}@pad.lsi.usp.br, [email protected]
Abstract
This article describes the study and application of the techniques and tools of research-Queries, storage - Storage
and management - Manager of data in the rakes without boarded wire -RSSF since the optics of the software use
and managers of data bases for the implementation and functioning of the subject in mention, will be given to
special attention to the use of the tools of software Open Source, which had the one that our American Latin
reality if points out in a social level, financial and technological very different of the calls the developed
countries, to put counting on the presence of the same necessities, that they need to be taken care of of fast form
for being of vital importance for the development of our region, will also be given to an attention the
technologies proprietors to put in a lesser scale. In the management section any is our objective important to
consider a Front-end environment of high transparency destined to a final user that is it, “hiding” thus all the
complexity of the Back-end world of the RSSF. We aim at with this to understand and to consider the due
techniques and models adjusted for most diverse and known architectures of RSSF that operate with similar
protocols of communication, thus adding one high degree of technological and operational value.
Keywords: Queries, Storages, Back-end, Manager, Front-end and Open Source.
1. Introdução
A área das redes de sensores sem fio e considerada
uma área de pesquisa em auge nestas últimas
décadas, sendo assim diversos grupos de pesquisa
[6] vem sendo formados focando as suas
pesquisas nas áreas de maior interesse na aplicação
destas tecnologias que foi uma herança do
investimento militar no auge da guerra fria após a
segunda guerra mundial.
2. A Problemática Atual
Deixando de lado em nosso presente estudo a parte
referente ao hardware cujo fabricante é a
Crossbow [11] podemos citar três problemas
chaves
relacionados
ao
software
mais
“desafiantes” nesta tecnologia que citaremos a
seguir:
O primeiro refere-se ao gerenciamento da energia
que tem uma relação direta ao uso de protocolos e
algoritmos cada vez mais inteligentes que
permitam o uso bem eficiente dos recursos de
energia e comunicação numa RSSF dentre das
técnicas mais aplicadas temos a agregação de
dados o segundo enfoca a parte do storage ou
armazenamento de dados relacionado ao “depósito
de dados” ou back-ends dentro e fora de uma
RSSF que servirá de ponto de início para a
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obtenção do conhecimento mediante aplicação de
técnicas especificas como a mineração e
segmentação de dados e finalmente o terceiro
problema enfoca o relacionado à transparência da
tecnologia que aborda o desenvolvimento de novos
aplicativos específicos com interfaces mais
amigáveis chamadas de front-end como as utilizadas
na internet.Estes três problemas ainda dificultam o
beneficio das redes de sensores sem fio para um uso
comercialmente baixo e tecnicamente accessível para
serem aplicados nas diversas áreas de trabalho
principalmente na área de agricultura e pecuária de
precisão entre outras.
3. Estudo e Aplicação das Técnicas e
Ferramentas de Pesquisa, Armazenamento e
Gerenciamento de Dados
Neste artigo trataremos do estudo e aplicação das
técnicas e ferramentas de gerenciamento, pesquisa e
armazenamento de dados nas redes de sensores sem
fio.
3.1. As Técnicas de Pesquisas nas RSSF
Aqui precisamos dar atenção para uma técnica de
pesquisa muito utilizada numa RSSF chamada de
agregação de dados[3], que mediante aplicação de
sentenças de consultas denominadas TinySQL que
comumente chamamos de quereis na linguagem dos
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bancos de dados relacionais, esta técnica realiza
uma ”soma” dos dados diminuindo assim os
tamanhos dos pacotes a serem transmitidos pela
rede e ao mesmo tempo pode realizar uma
agrupação e seleção deles de forma específica e
associativa com um único interesse para quem as
submete para dentro de uma RSSF por exemplo
pode ser uma consulta para saber a temperatura
media de um ninho de pássaros de determinada
raça e em um determinado meio de habitat estes
dados são dados específicos com interesse somente
para o pesquisador daqueles pássaros.
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parâmetros.Todas
estas
ferramentas
aqui
mencionadas são tecnologias open source.
Como ferramenta secundaria de consulta de dados
temos a ferramenta Cougar [8] que é também um
framework de gerenciamento de consulta de dados
numa RSSF, este ao invés do TinyDb trabalha
totalmente na plataforma Java fazendo uso de applets
na camada de visualização,
Exemplo de Sentença SQL amostrando uma solicitação de
consulta de Temperatura > de 400
SELECT nodeid, nestNo, light
FROM sensors
WHERE light > 400
EPOCH DURATION 1s
Tabela 01
Epoch
Nodeid
nestNo
Light
0
1
17
455
0
2
25
389
1
1
17
422
1
2
25
405
Sensor
3.2. As Ferramentas de Pesquisa nas RSSF
Como principal ferramenta de pesquisa temos a
denominada TinyDb [1] utilizada na plataforma
Mica rodando sob o Sistema operacional TinyOS,
esta ferramenta é um framewok e integrador de
arquiteturas de baixo e alto nível que faz a
conversão das sentenças SQL e multiqueries [2]
para os objetos que podem ser tratados e
exportados para fora da rede e posteriormente
armazenados e recuperados na forma de
informação disponibilizada de forma acessível e
transparente no caso do TinyDb usa-se uma API
desenvolvida na linguagem Java que ajuda na
implementação e configuração dos módulos de
extensão e agregação do Tinydb estes módulos que
são escritos na linguagem denominada NesC [12]
que é uma variação da linguagem C ansi, os
módulos uma vez implementados na precisam
mais serem compilados e configurados eles ficam
disponíveis no TinyDb para serem utilizados, a
linguagem Xml é utilizada na configuração dos
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Figura 01- Interface do console do TinyDb
3.3. As Técnicas de Armazenamento ou Backend nas RSSF
Nas redes de sensores sem fio existem dois técnicas
de armazenamento de dados:
A primeira é feita na própria RSSF comportando-se
esta como uma “grande tabela” esta tem uma
caraterística importante que é a volatibilidade dos
dados e a segunda é feita da forma tradicional ou seja
em depósitos de dados ou back-ends, aqui
encontramos uma técnica muito usada na descoberta
do conhecimento –Datamining e outra no
armazenamento de grandes volumes de dados
denominada -Datawarehouse ambas perfeitamente
aplicadas as RSSF[5].
3.4. As Ferramentas de Armazenamento ou
Back-end nas RSSF
Como ferramentas de armazenamento de dados mais
usadas nas RSSF podemos citar as seguintes:
Postgree e MySql ambas são de código aberto,
suportam transações relacionais e são verdadeiros
SGBD, isto quer dizer que podemos armazenar,
exportar, importar, migrar e recuperar os dados de
forma classificada e segmentada atendendo a
necessidade de cada usuário final.
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3.5. As Técnicas de Gerenciamento ou
Front-end nas RSSF
Como técnica de gerenciamento podemos citar o
desenvolvimento de frameworks de camada de
apresentação, estas técnicas devem ter em
consideração o tamanho do dispositivo para o qual
serão implantadas como por exemplo: Um PDA,
um celular , um desktop ou Latpop.no caso de um
portal web deve-se observar o acesso rápido e fácil
dos dados que serão submetidos, recuperados e
apresentados na tela, outro ponto de consideração
e o aspecto da heterogeneidade[10] da aplicação
de apresentação que deverá suportar diversos
ambientes de execução operacional.
Figura 03 Interface da Ferramenta LabView usada No
Gerenciamento Remoto via Web
4. Avaliações das Tecnologias e Ferramentas
Estudadas e Aplicadas
Figura 02 Testes de Interfaces em Plataformas Heterogêneas
3.6. As Ferramentas de Gerenciamento ou
Front-end nas RSSF
Como principais ferramentas de gerenciamento
temos o TinyDb, MoteLab [9] e o Cougar [8],
todas elas são open source e estão disponíveis à
comunidade acadêmica estes back-end tem a
funcionalidade de deixar transparente o mundo
back-end aos usuários que não precisam de se
preocupar com funcionamento e implementação de
protocolos de roteamento e algoritmos complexos.
A ferramenta TinyDb nos deixa extensível
diversas funcionalidades de gerenciamento de uma
RSSF, o MoteLab nos permite fazer simulações de
funcionamento dos motes em ambientes
heterogêneos e por último o Cougar [8] nos expõe
a complexidade do processamento de uma
RSSF[5] em um ambiente robusto e interpretado
usando para isso as API desenvolvidas na
linguagem Java.
Nas avaliações de desempenho da aplicação das
ferramentas de consulta e gerenciamento de dados
TinyDb e Cougar [8] conseguimos avaliar e
comparar o seguintes resultados:
Tabela 02
TinyDb
Cougar
Aplica-se a plataforma
Mica Mote
Extensível à
implementação de
novos módulos
Integrado dentro da
camada de protocolos
e SO.
Aplica-se a plataforma
Mica Mote
Extensível à
implementação de
novos módulos
Externo a camada de
protocolos
Roda com recurso
computacional padrão
Usa Back-end Aberto
Exige alto recurso
computacional
Usa Back-end Aberto
Framework aberto
Framework totalmente
encapsulado
Front end transparente
Front end transparente
5. Trabalhos Futuros
Como trabalho futuro propomos o desenvolvimento
de aplicações de dados genéricas, heterogêneas e précompiladas para RSSF, integrando: dados, protocolos
e sistema operacional numa convergência de
transparência aos usuários, estes frameworks
facilitaram em muito o trabalho de configuração e
implementação das mais variadas arquiteturas de
redes de sensores wireless, ficando sob cuidados do
usuário a definição do hardware que será utilizado e a
finalidade ao qual a rede será destinada. Não é longe
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o tempo em que teremos na prateleira de um
supermercado um kit a venda de uma RSSF cada
um para uma finalidade específica de fácil
instalação, manuseio e extensão a preços
accessíveis as grandes maiorias.
[4] Antonio José Gonçalves Pinto, Jorgito Stochero, José
Ferreira de Rezende, Descoberta de Rotas e Mecanismo de
Agregação em Redes de Sensores, Grupo de
Teleinformática e Automação (GTA),Universidade
Federal do Rio de Janeiro (UFRJ).
6. Conclusão
[5] http://w3.antd.nist.gov/wahn_ssn.shtml, Wireless Ad
Hoc Sensor Networks.
Podemos concluir que segundo o nosso estudo e
avaliação das ferramentas e técnicas de pesquisa,
armazenamento back-end e gerenciamento de
dados front-end numa rede de sensores sem fio, a
ferramenta Tinydb e as técnicas de consulta e
agregação
de dados[7] – Quereis.Rodando sob o Sistema
operacional TinyOS [14] orientado e eventos, são
as mais indicadas para a implementação das mais
variadas arquiteturas de RSSF, sendo estas
ferramentas totalmente open source e abertas a
colaboração da comunidade acadêmica para o
constante perfeiçoamento e aproximação cada vez
mais da comunidade de usuários finais.
[6] http://www.cin.ufpe.br/~nsr/p-v1.doc, Proposta de
Projeto de Implementacão de uma RSSF.
Referências Bibliográficas
[1] S. Madden, J. Hellerstein, and W. Hong , TinyDB:
In-Network Query Processing in TinyOS, Pervasive
Computing, Version 0.4, September, 2003.
[2] N. Trigoni, Yong Yao, Alan J. Demers, Johannes
Gehrke,
Rajmohan
Rajaraman:
Multi-query
Optimization for Sensor Networks. DCOSS 2005: 307321.
[3] Pinto, Antonio José Gonçalves, Mecanismo de
Agregação de Dados Empregando Técnicas
Paramétricas em Redes de Sensores [Rio de Janeiro]
2004 XVI, 99 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ,M.Sc.,
Engenharia Elétrica, 2004).
ISBN: 9974-0-0337-7
[7]http://www.gta.ufrj.br/ftp/gta/TechReports/Antonio04/
Antonio04.pdf, Técnicas de Agregação e Roteamento de
Dados para RSSF.
[8]http://www.cs.cornell.edu/database/cougar/index.htm,
Ferramenta de consulta de dados para RSSF.
[9] Geoffrey Werner-Allen, Patrick Swieskowski, and
Matt Welsh, MoteLab: A Wireless Sensor Network
Testbed, Division of Engineering and Applied Sciences
Harvard University.
[10] Marcus Chang Graduate Student, Evaluation of a
Web-based Sensor Network Interface, Dept. of Computer
Science University of Copenhagen
[11]http://www.xbow.com/Products/productsdetails.aspx?s
id=122, Fabricante de Hardware para RSSF.
[12] http://nescc.sourceforge.net/, Pequena Linguagem de
Programação baseado em C ansi.
[13] David Gay, Phil Levis, Rob von Behren, Matt Welsh,
Eric Brewer, and David Culler. The nesC Language: A
Holistic Approach to Networked Embedded Systems, In
Proceedings of Programming Language Design and
Implementation (PLDI) 2003, June 2003.
[14] http://www.tinyos.net/tinyos-1.x/doc/tutorial/,
Sistema Operacioanl TinyOs.
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