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:
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.
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.
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.
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
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.
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