IMPLEMENTAÇÃO DE UMA REDE DE SENSORES SEM FIOS PARA ALERTA E MONITORAMENTO DAS PRAIAS DO SUMBE. 

IMPLEMENTATION OF A WIRELESS SENSOR NETWORK FOR  ALERT AND MONITORING OF SUMBE BEACHES.

REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/dt10202505301107


Arnaldo Tomás Sandele1
Alfredo Cruzeiro Muachia2
Pedro Nhani Kamanha3
Cecília Walquiria Zacarias Lopes4
 Silva Mavungo5


RESUMO 

Este artigo tem como objetivo a implementação de uma rede de sensores sem  fios (RSSFs) para alerta e monitoramento de zonas banhistas nas praias do município  do Sumbe província do Cuanza Sul, fatores climáticos e estado impróprio da água  do mar para pratica de banho podem ocasionar acidentes marítimos aos banhistas  como: afogamentos, doenças variadas. Os sensores utilizados foram implantados nas  áreas banhistas formando uma rede de sensores sem fio, onde coletaram informações em tempo real através de padrões pré-estabelecidos e transmitem a um  centro de tratamento de dados e respondem com alertas luminosos e sonoros. Com  isso, espera – se que a mesma RSSFs ajuda na redução de afogamentos, previna  doenças e melhore na gestão das praias no município do Sumbe. 

Palavras-chave: RSSF. Monitoramento. Zonas banhistas. Sumbe. 

ABSTRACT 

This article aims to implement a wireless sensor network (WSNs) to alert and  monitor bathing areas on the beaches of the municipality of Sumbe, province of  Cuanza Sul. climatic factors and unsuitable state of sea water for bathing can cause  maritime accidents to bathers such as: drowning, various diseases. The sensors used  will be deployed in bathing areas, forming a wireless sensor network, where they will  collect information in real time through pre-established patterns and transmit it to a  data processing center and respond with light and sound alerts. With this, it is expected  that the same WSNs will help reduce drownings, prevent diseases and improve beach  management in the municipality of Sumbe. 

Keywords: WSN. Monitoring. Bathing areas. Sumbe. 

INTRODUÇÃO 

O município do Sumbe oferece belas praias que atrai munícipes e um dos  importantes destinos turísticos e recreativos para muitos nacionais e estrangeiros, por  outro lado, a segurança é a maior preocupação das autoridades locais a partir dos  Serviços de Protecção Civil e Bombeiros (SPCB). Fortes ondas marítimas, poluição e  mudanças climáticas imprevisíveis constituem elementos de risco a vida humana. A  implementação de uma rede de sensores sem fios (RSSFs) pode ser uma solução  eficiente para monitorar essas condições e alertar em tempo real. 

O Ministério do Interior a partir do Serviço Nacional de Proteção Civil e  Bombeiros implementou o projeto Praias Seguras de Angola (PSA) é uma plataforma  nacional coordenada e aprovada. É um programa de socorro que pretende minimizar  as situações de risco para os banhistas nas praias marítimas e fluviais. O projeto PSA em 2013 contou com 27 torres fixas de vigilância, 18 viaturas de apoio, 18 motos  todo-o-terreno e nove motos aquáticas. Os meios humanos são constituídos por 174  efectivos, 97 profissionais e 77 voluntários (AngoPress, 2021). 

O processo informativo utilizado atualmente pelos SPCB são advertência  verbal e as bandeiras colocadas nas praias como forma universal de comunicação  visual que indica as condições do mar e a segurança para os banhistas conforme mostra a tabela abaixo:

Tabela 1: Cores informativas das bandeiras colocadas nas praias. 
Fonte: SPCB.

Conforme a Organização Mundial da Saúde (2003), orienta a realização de  actividades recreativas em praias expõe os diversos grupos de usuários a uma série  de perigos, a depender da zona, das pessoas e do tipo de actividade a realizar, os  principais grupos de pessoas como: Hóspedes de hotéis, Turistas nacionais e  estrangeiros, Nadadores, desportivas, pescadores e outros. 

A implementação de uma RSSF pode ser uma solução tecnológica para  monitorar estas condições em tempo real e emitir alertas preventivos. Este artigo  explora a viabilidade e os benefícios de tal implementação, baseando-se em trabalhos  já realizados sobre RSSF, suas aplicações em monitoramento ambiental e de  segurança. 

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 

Definição  

Um sensor é um dispositivo que detecta e responde a mudanças no ambiente,  convertendo um estímulo físico, químico ou biológico em um sinal que pode ser  medido, registrado ou interpretado. Sensores são componentes essenciais em  sistemas de monitoramento, automação e controle, capazes de medir grandezas como:  temperatura, umidade, pressão, luz, movimento, som etc. (Santos, 2007).

Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) 

“As RSSF são uma subclasse das redes ad hoc, pois possuem por base a  descentralização do envio e recepção de dados, permitindo que qualquer ponto da  rede possa realizar o roteamento dos dados, enviando e recebendo solicitações.” (Verona, 2010) 

Por seu turno Akyildiz e Kasimoglu (2004), redes de sensores sem fio são um  grupo de sensores e atores ligados por um meio sem fio para realizar sensoriamento  distribuído e tarefas agindo através de uma rede desse tipo. O papel dos sensores e de reunir  informações sobre o mundo físico, enquanto o dos atores e tomar decisões e  executar ações apropriadas sobre o meio ambiente. Assim, um dos principais  objetivos na RSSF é diminuir o atraso de comunicação no sentido de ajudar nas  tomadas de decisão sobre um determinado meio. Entre os componentes da RSSF podemos citar os Nodos que realizam o  sensoriamento e são compostos por sensor, memória, microcontrolador, transceptor  sem fio e bateria. O gateway que faz a ligação entre a rede e o computador. E ainda  a estação base que é o dispositivo que recebe as informações do gateway, para  posterior análise e armazenamento dos mesmos.

Figura 1: típica rede de sensores sem fio 
Fonte: Akyildiz e Kasimoglu (2004)

Arquitetura de Redes de Sensores Sem-fio 

Os nós-sensores são normalmente espalhados em um campo de  sensoriamento como mostra a figura 2. Cada sensor tem a capacidade de coletar dados e roteá-los de volta para o sink e o usuário final. Os dados são roteados de volta  ao usuário final por uma arquitetura multi-hop (com múltiplos saltos) sem infra estrutura através do sink como mostrados na figura 2. O sink pode se comunicar com  o nó gerenciador de tarefas pela internet ou por satélite.

Figura 2: Nós-sensores espalhados em um campo de sensoriamento. 
Fonte: Autor. 

A pilha de protocolos consiste de uma camada de aplicação, uma camada de  transporte, uma camada de rede, uma camada de enlace, uma camada física e planos  de gerenciamento de energia, gerenciamento de mobilidade e gerenciamento de  tarefas. Dependendo das tarefas de sensoriamento diferentes tipos de softwares de  aplicação podem ser feitos e utilizados na camada de aplicação. A camada de  transporte ajuda a manter o fluxo de dados caso a rede de sensores necessite. A  camada de rede é encarregada do roteamento dos dados fornecidos pela camada de  transporte. Como o ambiente é ruidoso e os nós-sensores podem ser móveis, o  protocolo MAC (Medium Access Control) deve estar ciente da energia disponível e ser  capaz de minimizar o número de colisões com as transmissões vizinhas. A camada  física lida com as necessidades de um simples, mas robusto sistema de modulação e com as técnicas de transmissão e recepção. Além disso, os planos de energia,  mobilidade e tarefas monitoram a energia, a movimentação e a distribuição de tarefas  entre os nós-sensores. Esses planos ajudam os nós-sensores a coordenar as tarefas  de sensoriamento e reduzir o consumo total de energia. 

Protocolo de Comunicação 

As definições sobre protocolos de comunicação em redes de sensores sem fio  (RSSF) incluem conceitos como topologia flat, onde todos os nós têm igual prioridade  em uma estrutura descentralizada; a camada MAC, que utiliza TDMA para controle de  acesso ao meio, reduzindo interferências e economizando energia; os padrões IEEE  802.11 (Wi-Fi), com taxas de até 54 Mbps para redes sem fio de maior alcance, e IEEE  1451, que padroniza interfaces para interoperabilidade entre sensores; além de  processos de configuração e gerenciamento de rede, envolvendo distribuição de nós,  monitoramento de desempenho, segurança e eficiência energética, utilizando  modelos dinâmicos para otimização da operação. (Lourenço, 2017). 

Segundo Weber (2017)Tradicionalmente, protocolos de roteamento utilizam a  abordagem single-path para escolha de caminhos. Ou seja, baseado em uma métrica  de performance ou na menor distância, um único caminho é escolhido. Porém, através  da abordagem de roteamento por múltiplos caminhos é possível melhorar a resiliência  da rede, ou seja, a capacidade que a rede possui de se recuperar de falhas, visto que  protocolos que utilizam a abordagem single-path interrompem o roteamento por algum  tempo ou por completo em um evento de falha. 

Energia em Redes de Sensores Sem Fio 

O tempo de vida da rede depende da quantidade de energia disponível nos  nodos sensores, tornando a conservação de energia um dos aspectos mais  importantes. O conhecimento sobre a quantidade de energia disponível em cada parte  da rede (mapa de energia) pode auxiliar a prolongar o tempo de vida da rede. 

Como não existe nenhuma RSSF densa em pleno funcionamento, alguns modelos de  dissipação de energia são propostos na literatura para simulações que envolvam a  energia destas redes. (Lourenço, 2017). 

Metodologia 

Gil (2008) define o método como caminho para se chegar a determinado fim. E  método científico como o conjunto de procedimentos intelectuais e técnicos adotados para se atingir o conhecimento. Nesse trabalho utilizou – se alguns métodos científicos  que proporcionaram as bases lógicas da investigação. 

Quanto aos objetivos a pesquisa enquadra – se como uma pesquisa exploratória,  estas pesquisas têm como objectivo principal desenvolver, esclarecer e modificar  conceitos e ideias, tendo em vista a formulação de problemas mais precisos ou  hipóteses pesquisáveis para estudos posteriores. (Gil, 2008).  

Quanto a sua abordagem utilizou -se a pesquisa quantitativa que de acordo  com Creswell (2010), a pesquisa quantitativa é caracterizada por sua abordagem  estruturada e sistemática, com foco em medições precisas e objetivas. O autor  destaca que esse método é particularmente útil para testar teorias e estabelecer  relações de causa e efeito entre variáveis. 

Para a recolha de dados as técnicas que melhor se adequaram ao estudo  proposto foi a entrevista, esta técnica foi utilizada no intuito de obter mais informações  dos banhistas e utentes da praia seleccionada, de como são alertados das condições  do mar e que meios o SPCB utiliza para fazer chegar essas informações a população. 

O uso dessa técnica é proveitoso, pois não precisou de preenchimento de formulários e relatórios, na verdade foi uma conversa face a face que o pesquisador teve com  esta entidade que a partir dali abriu as portas para a investigação. (Gil, 2008)

Resultados 

A implementação de uma Rede de Sensores Sem Fios (RSSF) para o alerta e  monitoramento das praias do município do Sumbe teve como foco principal a medição  de parâmetros críticos, como o pH e a turbidez da água do mar, a velocidade dos  ventos e a umidade do ar. Esses dados são essenciais para garantir a segurança dos  banhistas, a preservação do ecossistema costeiro e a gestão eficiente das atividades  turísticas. A seguir, são apresentados os resultados obtidos, acompanhados de telas  de configuração comentadas, pontos de vista de autores reconhecidos na área e uma  discussão crítica sobre os achados. 

O monitoramento do pH da água do mar é essencial para avaliar a acidez da  água e identificar possíveis impactos da poluição. Durante os testes realizados na  praia piloto, os sensores registraram naquele instante valor de pH entre 6.8 que indica  estar dentro dos padrões normais para a prática banhista. A turbidez foi monitorada  para detectar a presença de sedimentos ou poluentes causados pelas águas das  chuvas. Normalmente, nesses períodos de chuvas intensas os sensores indicaram  um aumento na turbidez, sugerindo o impacto do escoamento terrestre.

Nota 1: a figura abaixo exibe os valores em tempo real, incluindo gráficos de  tendência, histórico de variação e alertas automáticos para valores críticos.

Figura 3: Interface de Monitoramento de pH e Turbidez.  
Fonte: Autor. 

Os sensores de vento instalados ao longo da costa registraram variações  significativas de velocidade e direção. Durante a implementação, foram detectadas  rajadas superiores a 60 km/h em determinados períodos, indicando condições  adversas para a navegação e atividades na praia. 

Nota 2: Apresenta medição em tempo real, previsões e alertas para velocidades  críticas

Figura 4: Painel de Alerta de Ventos Fortes. 
Fonte: Autor. 

com gráficos detalhados e previsões meteorológicas. A interface inclui alertas visuais  para temperaturas extremas e um mapa interativo que indica a localização dos  sensores. 

Figura 5: Exibe dados em tempo real sobre a variação da temperatura. 
Fonte: Autor.

Autores como Akyildiz, Su, Sankarasubramaniam, e Cayirci (2002) destacam a  importância de redes de sensores sem fio para monitoramento ambiental, enfatizando  sua capacidade de operar em ambientes remotos e hostis. No caso do Sumbe, a  RSSF mostrou-se adaptável às condições costeiras, resistindo à umidade e à  corrosão salina.  

Nossa experiência no município do Sumbe reforça essas visões. A  configuração dos sensores e a definição de limiares de alerta mostraram-se eficazes  para a detecção de eventos críticos, como alterações no pH da água e ventos fortes.  No entanto, desafios como a calibração frequente dos sensores de turbidez e a  interferência de condições climáticas extremas foram identificados. Para superar  esses obstáculos, sugerimos a utilização de sensores com maior robustez e a  implementação de rotinas de manutenção preventiva. ´ 

Conclusão 

Dessa forma, a implementação da RSSF para o monitoramento das praias do  Sumbe demonstrou resultados autênticos e promissores. A rede foi capaz de coletar dados precisos e emitir alertas em tempo real, contribuindo para a segurança dos  banhistas e a preservação do ecossistema costeiro. Acreditamos que a replicação  dessa solução em outras regiões pode trazer benefícios significativos, desde que  sejam considerados os desafios técnicos e operacionais identificados. 

Recomendações 

Considerando as limitações de várias ordens, o projeto em causa ainda  merece uma especial atenção e abrangência, portanto recomenda – se a sua  integração dos dados processados para um centro de processamento de dados mais  robusto, disponibilização dos dados com uma plataforma web no sentido que os  turistas nacionais e estrangeiros possam ter acesso as informações mesmo a  distância a partir de um dispositivo (telemóvel, tablet e computadores). Por outra que  este projecto seja adaptável para outras zonas banhistas do país.

Referências 

Akyıldız , I. F., & Kasimoğlu , İ. H. Wireless Sensor and Actor Networks: Research  Challenges. Elsevier Ad Hoc Networks, New York: NY Press, 2004, p. 23.

Akyildiz, I. F., Su, W., Sankarasubramaniam, Y., & Cayirci, E. Wireless sensor  networks: a survey. Computer networks. New York: NY Press, 2002. AngoPress. 2021. Disponível em: www.sebastiaomartins.org. Acesso em: 05 de  Novembro de 2010 

Creswell, J. W. Educational Research: Planning, Conducting, and Evaluating Quantitative and Qualitative Research. 4. ed. NJ: Pearson Education, 2010.

Gil, C. A. Metodos e tecnicas de pesquisa social. São Paulo: Atlas S.A, 2008.

Li, N., & Thuraisingham, B. Preservação de privacidade em redes de sensores sem  fio: Uma pesquisa de última geração. Zhanjiang: Universidade Oceânica, 2009.

Lourenço, A. A. Redes de Sensores Sem Fio. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de  Computadores, p. 15-31, 2017. 

Organization, W. H. Monitoring Bathing Water: a Practical Guide to the Design and  Implementation of Assessments and Monitoring Programmes V. 1, geneva:  Switzerland, 2003. 

Santos, S. T. Rdes de sensores sem fio em cmonitoramento e controle. Rio de Janeiro:  UFRJ, 2007. 

Verona, A. B. Simulação e Análise de Redes de Sensores Sem Fio Aplicadas à  Viticultura. Maringá: UEM, 2010.


1Docente do curso Superior de Gestão de Empresas Agrárias do Instituto Superior Politécnico do Cuanza Sul, Angola. Mestre em Engenharia Informática (UGS). E-mail: arnaldo.sandele@ispcs.ao

2Docente do curso Superior de Agronomia do Instituto Superior Politécnico do Cuanza Sul, Angola.  Licenciatura em Engenharia Química (ISPTEC). E-mail: alfredo.muachia@ispcs.ao

3Docente do curso Superior de Contabilidade do Instituto Superior Politécnico Cuanza Sul, Angola.  Mestre em Engenharia Informática (UGS). E-mail: pedro.kamanha@ispcs.ao

4Docente do curso Superior de Contabilidade do Instituto Superior Politécnico Cuanza Sul, Angola.  Licenciatura em Engenharia Informática ((UMN). E-mail: engwallopes@gmail.com

5Docente do curso Superior de Engenharia Informática do Instituto Superior Universitário Nimi ya Lukeni, Angola. Mestre em Engenharia Informática (UGS). E-mail:  silva.mavungo@inspunyl.co.ao