Os desafios da integração de Identificação por Rádio Freqüência e Redes de Sensores Sem-fio no contexto da Computação Ubíqua

1. Introdução

O termo Computação Ubíqua (no inglês, Ubiquitous Computing - UbiComp) foi cunhado pelo pesquisador Mark Weiser (1991) do Palo Alto Research Center (PARC), da empresa Xérox, em meados da década de noventa. Para ele, a UbiComp seria um novo paradigma computacional que estaria sendo desenvolvido. Ele envolveria equipamentos e software que deveriam ser desenvolvidos para serem adicionados a objetos do mundo real e fornecer serviços necessários aos usuários, de forma amigável e natural. A Computação Ubíqua, portanto, procura desenvolver novas maneiras de pensar os sistemas computacionais, mesclando-os aos utensílios, móveis, roupas e outros elementos que existem ao nosso redor, permitindo que estes objetos possam interagir com os usuários e fornecer serviços desejados.

Para Weiser (1993), os equipamentos computacionais ubíquos deveriam ter três formatos básicos:

• Pad: seriam sistemas computacionais muito pequenos, portáteis, com telas sensíveis ao toque e comunicação sem-fio;
• Tab: seriam sistemas do tamanho de notebook, que forneceriam uma superfície de escrita e exibição de informações, com conectividade e interface para penpoint (caneta de apontamento);
• Board: quadros-brancos digitais que poderiam interagir com seus usuários.
• Estes dispositivos iniciais serviram de base para diversas pesquisas desde sua proposição em 1992. A Xerox produziu os protótipos: ParcTab e ScratchPad. Eles seriam os precursores dos Personal Digital Assistant (PDA) e dos Tablet PC.

A Computação Ubíqua possui uma relação direta com os conceitos de Pervasividade (do inglês, pervisive), Mobilidade, Adaptabilidade e Orientação a Localização (Falcão e Gomes, 2004; Levis et al., 2007). A Computação Pervasiva é aquela onde os computadores são embarcados em ambientes reais de forma invisível. Ela permite a criação de Casas Inteligentes, Prédios Inteligentes e Ambientes Reativos ao Usuário. Neste modelo computacional pervasivo são utilizados sensores e atuadores que permitem identificar a presença dos usuários e atuar em dispositivos, como condicionadores de ar ou motores de movimentação de persianas. O problema com a Computação Pervasiva é sua baixa mobilidade, a interferência entre os equipamentos e as características limitadas para execução dos software embarcados (Araújo, 2003).

Quanto a Mobilidade, diz respeito à capacidade de um sistema oferecer serviços mesmo que um usuário esteja em movimento. A Computação Móvel é a área da computação que trata destes sistemas. A Adaptabilidade é a capacidade de um sistema reagir ao seu contexto. Um contexto “(...) é qualquer informação que pode ser usada para caracterizar a situação de uma entidade. Uma entidade é uma pessoa, um lugar ou um objeto que é considerado relevante para a interação entre o usuário e uma aplicação, incluindo o próprio usuário e a própria aplicação” (Dey,1999 apud Barbosa et al., 2008). Assim, uma aplicação adaptável responderia ao seu contexto e teria suas características modificadas para a melhor adequação ao mesmo ou forneceria as informações solicitadas conforme o contexto em que estivesse. Por fim, como característica da Computação Ubíqua tem-se a Localização. Este conceito diz respeito à construção de sistemas que levem em consideração a posição física (localização) do equipamento utilizado pelo usuário. No caso, aplicações para PDA que utilizem coordenadas de localização por satélite – como as dadas pelos sistemas GPS – permitem a identificação do local onde o usuário se encontra com seu equipamento e podem fornecer uma rota para chegada a um destino desejado. Aplicações como estas já são utilizadas hoje para guiar turistas em cidades. 

A partir das características vistas acima se pode inferir que os princípios básicos que norteiam o desenvolvimento de sistemas para UbiComp são (Araújo, 2003):

• Diversidade: não mais um só dispositivo de propósito geral;
• Descentralização: responsabilidades distribuídas;
• Conectividade: conexões sem fronteiras; movimentação entre redes heterogêneas de forma transparente.
• Neste contexto surgem as Redes de Sensores Sem Fio (no inglês, Wireless Sensor Network – WSN) e a Identificação por Rádio Freqüência (no inglês, Radio Frequency IDentification – RFID) como tecnologias que permitem a implementação dos conceitos propostos pela Ubicomp. Estas tecnologias já são realidade e estão sendo utilizadas para aplicações industriais, de monitoramento remoto e militares. O presente trabalho busca fazer um levantamento inicial sobre os atuais esforços de pesquisa para a integração destas tecnologias.

Será visto na seção dois uma introdução às WSN e na seguinte uma visão geral de RFID. Por fim, serão discutidas algumas propostas de integração destas tecnologias e serão feitas algumas observações sobre este processo de integração e sua relação com a Computação Ubíqua.

2. Redes de Sensores Sem Fio

As Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) são tipos especiais de Mobile Ad Hoc Network (MANET), cujos nós são equipamentos microprocessados que coletam informações através de sensores neles acoplados (Loureiro et al. 2003). Elas possuem como principais elementos os Nós Sensores (sensor nodes) ou motes (Sohraby et al., 2007), os Nós Sorvedouros (sink nodes) e os equipamentos de interligação com outras redes, chamados Gateway. Os Nós Sensores são compostos, normalmente, por um microcontrolador, um ou mais sensores, bateria e um tranceiver, que permitiria a transmissão e recepção de informações por sinais de rádio-freqüência. Já os Nós Sorvedouros são responsáveis pela coleta de informações provenientes dos sensores e, em alguns casos, pela fusão ou agrupamento de dados para serem enviados a um sistema monitor. Por fim, os Gateway são equipamentos que interligam as WSN a outras redes, como a Internet.

Segundo Sohraby et al. (2007) as principais diferenças entre as MANETS convencionais e as RSSF são:

• O modo de comunicação típico das RSSF é de múltiplas fontes de dados para um nó destino - sink node -, ao invés de ser entre os seus pares, como é o caso das MANET;
• Na maioria dos casos das Redes de Sensores Sem Fio, os sensores em si não são móveis, como é o caso dos nós das MANET;
• Há grande redundância de dados que são transmitidos nas WSN, devido aos múltiplos sensores estarem monitorando um mesmo fenômeno. Esta redundância, normalmente, não acontece com as MANET;
• A principal restrição de recurso nas WSN é a energia, o que não é o caso das MANET;
• O número de nós de uma WSN pode ser muito maior do que uma MANET convencional.

Embora possua estas diferenças, as MANET e as WSN possuem muitas semelhanças, como o comportamento Ad Hoc da rede e a utilização de protocolos multihop. Uma característica importante das WSN que as diferencia das Redes de Computadores em geral é o fato de estas primeiras serem orientadas a dados, ou seja, a topologia da rede deve favorecer que os dados coletados pelos sensores cheguem aos sink nodes, com o menor gasto de energia.

Segundo Loureiro et al. (2003) e Sohraby et al. (2007), os principais padrões de comunicação utilizados pelas RSSF são o IEEE 802.11, HomeRF, Bluetooth e ZigBee/IEEE 802.15.4.

Alguma das aplicações das WSN são (Sohraby et al., 2007):

• Monitoramento de Forças Inimigas (Aplicação Militar);
• Detecção de Incêndios Florestais (Aplicação Ambiental);
• Detecção de Ataques Biológicos ou químicos (Aplicação Militar);
• Monitoramento Remoto de Dados Fisiológicos (Aplicação Médica);
• Automação Residencial (Aplicação Residencial);
• Detecção de Correntes (Aplicação Ambiental).

As pesquisas e soluções na área de WSN vêm crescendo muito nos últimos anos devido ao interesse crescente de empresas e indústrias na utilização de uma estrutura de sensoriamento livre dos inconvenientes e problemas de engenharias decorrentes do cabeamento utilizado em redes de sensores que utilizam cabos.

3. Identificação por Rádio Freqüência

O RFID é um método de identificação automática de objetos através de rádio-freqüência, além de permitir o resgate e armazenamento de suas características e os locais pelos quais passou. Seus principais componentes são um Rótulo de Identificação (RFID tag) que possui um chip e uma antena para transmissão e recepção de sinais de rádio, além de um Leitor de Informações (RFID Reader) que permite o resgate de informações armazenadas nos rótulos de identificação.

Os RFID tag podem ser somente leitura, não permitindo alterações nas informações armazenadas; escrita uma vez e múltiplas leituras; e de leitura e escrita. Além destas categorias, os rótulos de RFID podem ser classificados em Ativos, Passivos e Battery Assisted Passive (BAP). No primeiro caso, esses rótulos possuiriam energia própria, na forma de baterias. No segundo caso, eles necessitariam de uma fonte externa para ativar a tag. No último caso, BAP, o rótulo precisaria de uma fonte externa para ser ativado, porém, possuiria uma bateria para aumentar o alcance do sinal de transmissão.

As aplicações para a RFID são diversas, podendo-se citar:

• Ticket de estacionamento, para identificação do veículo e informações para bilhetagem do tempo de permanência;
• Registro de início de corrida e tempo de maratonistas e velocistas, ajudando a dar maior precisão ao monitoramento destes atletas;
• Passaportes, através dos E-Passaports, que permitem gravar informações de hora, data e locais por onde se entrou e saiu de um país. Esta experiência está sendo feita em diversos países do mundo (e.g. Malásia, Noruega e Japão);
• Gerenciamento de Ativos (assets) de uma empresa, permitindo seu monitoramento, identificação e rastreamento (tracking).

3.1. Regulamentações e padronização de RFID

Não há uma regulamentação global das freqüências usadas pelo RFID, sendo cada país responsável por suas próprias regras nesta questão, porém, existem diversas padronizações das tecnologias envolvidas em Radio Frequency IDentification:

• ISO 14223/1: RFID para animais;
• ISO/IEC 14443: padronização de identificação por rádio-freqüência utilizando a faixa de Alta-freqüência de 13,56 MHz, usada em E-passports;
• ISO 15693: padrão usado em cartões inteligentes de crédito e pagamento;
• ISO/IEC 18000: utilizado em ativos que se deseja gerenciar. Esta padronização está dividida em 7 partes;
• EPCglobal: o Eletronic Product Code Global é um framework padrão para criação de um código de produto global, padrões para RFID e compartilhamento de dados para esta tecnologia através da Internet, usando as EPCglobal Network. Este padrão também engloba Os EPC Information Services e protocolo de Leitores RFID (Reader Protocol);
• EPC Gen2: o padrão EPCglobal UHF Class 1 Gereration 2 é um protocolo de segunda geração do EPCglobal que foi desenvolvido para uso global e resolve alguns problemas dos protocolos class 0 e class 1.

4. Propostas de integração entre RFID e WSN

Diversas pesquisas estão sendo feitas ao redor do mundo procurando integrar as vantagens das tecnologias de RFID e WSN, permitindo a criação de ambientes inteligentes que possam identificar objetos e pessoas dentro deles, podendo reagir a estes.

Para Zhang e Wang (2006), existem três formas de integrar estas tecnologias em uma só arquitetura:

• Na primeira forma, os nós WSN e os rótulos RFID comporiam uma rede heterogênea, estando nós e rótulos separados. Neste caso, as bases WSN e os Leitores RFID estariam integrados em uma mesma estação-base, chamada smart base stations. Esta forma permitiria monitorar se um determinado ambiente está adequado a um tipo específico de produto. Por exemplo, se a temperatura e a umidade de um setor de estocagem estariam adequadas para acondicionar caixas de leite;
• Na segunda forma, aumenta-se o número de leitores RFID diminuindo suas funcionalidades, a fim de minimizar a complexidade de cada leitor, em relação à primeira forma;
• Por fim, pode-se usar rótulos ativos mais inteligentes (smart active tags), onde as tags não enviariam diretamente para os leitores as mensagens, mas  enviariam para rótulos mais próximos até chegar a estes.
• Para a última forma de integração supracitada, Zhang e Wang (2006) propõem uma arquitetura utilizando nós sensores inteligentes que possam também captar as informações dos rótulos RFID. Estes nós seriam compostos por uma parte de sensoriamento, que colheria dados do ambiente; uma parte de coleta de dados de rótulos por RF e, por fim, um transceiver (transmissor e receptor de RF) para comunicação de dados. Em todas as três formas de integração propostas por estes autores, o problema já discutido na seção sobre Redes de Sensores Sem Fio é uma preocupação constante: o gasto de energia. Os protocolos e modos de operação dos nós inteligentes devem levar em consideração esta séria restrição do sistema e procurar poupar energia o máximo possível.

As aplicações para integração de WSN e RFID propostas por Zhang e Wang (2006) estão voltadas para o monitoramento de objetos ou ativos de uma indústria ou empresa.

Outra aplicação para a integração destas tecnologias foi proposta por López e Kim (2008) e seria sua utilização para provimento de serviços que possuem percepção de contexto. Neste caso, rótulos de identificação por rádio-freqüência e nós sensores estariam espalhados por ambientes e no vestuário de pessoas, a fim de permitir uma identificação de contexto e a oferta de um serviço relacionado com este contexto e o usuário nele presente. A estrutura de sensores sem fio e rótulos RFID permitiria associar entidades (objetos e pessoas identificadas e monitoradas) dentro de um contexto para que possa ser ativado um determinado serviço. O cenário hipotético descrito por estes autores permite uma visualização do potencial deste trabalho: enquanto uma pessoa está voltando de seu trabalho para casa, sensores sem fio em sua roupa captam a transpiração (umidade) e a temperatura de seu corpo, resultantes de um dia quente, e informações de localização por GPS de seu celular – que foi identificado que estava com ele –, permitem que um sistema baseado em percepção de contexto possa ativar um serviço que ligaria o ar-condicionado da residência desta pessoa, tão logo ela chegue à casa. Note, o sistema ofereceu um serviço conforme a necessidade percebida e o contexto da pessoa.

Outros trabalhos relacionados com esta abordagem de contexto são o de Isoda et al. (2004) que deduz o estado de um usuário a partir de informações sobre os rótulos localizados em suas roupas e objetos que ele carrega. No entanto, as informações coletadas dos rótulos RFID não são complementadas com leituras sensoriais do ambiente. O trabalho de Brunette et al. (2005) apresenta a utilização de WSN somente como infra-estrutura para captação dos códigos captados em RFID tag que seriam entregues a visitantes de um museu. Assim, poder-se-ia saber em que áreas estas pessoas estariam neste museu. Aqui se percebe um exemplo de utilização desta integração para sistemas baseados em localização.

Por fim, Moh et al. (apud Ahson e Mohammad, 2008) propõe a utilização de uma rede de sensores sem fio e de rótulos de identificação por rádio-freqüência para o acompanhamento de pacientes que estejam sendo tratados em casa. Este sistema utiliza RFID tag nos frascos de medicamento e uma balança que está ligada a uma WSN, onde estes frascos devem ser colocados. Assim, é possível saber se o paciente tomou uma determinada medicação, baseado no modelo de comportamento do paciente e nos dados obtidos pelos sensores. Este sistema também permite a localização do paciente através de um processo similar ao proposto por Brunette et al. (2005), e atua preventivamente alertando a pessoa monitorada sobre a hora de tomar determinado medicamento. Esta solução também permite avisar familiares e o serviço de assistência médica, no caso do paciente não estar tomando devidamente os medicamentos.

6. Conclusões

A Computação Ubíqua é um novo paradigma que está permitindo a criação de sistemas que oferecem serviços aos usuários, baseados nas necessidades destes, seu contexto e sua localização. A integração de tecnologias como o RFID e o WSN permitem que parte deste paradigma possa ser concretizado. As soluções vistas na seção 6 deste trabalho mostram aplicações que permitem a localização de usuários, determinação de seu contexto, ativação e provimento de serviços. No entanto, ambas as tecnologias possuem um fator de restrição altamente relevante, a saber, a energia. Buscar soluções de roteamento de informação, modo de funcionamento de sensores, compressão de informações e fusão de dados é essencial para que se possa economizar mais energia para os dispositivos de sensoriamento sem fio e para as RFID tag. Além deste desafio, há a questão da segurança das informações transmitidas, que pode ser crítica em sistemas como o de monitoramento de pacientes remotos proposto por Brunette et al. (2005) e o tamanho físico dos sensores e etiquetas, que deverão ser embutidos em vestuários humanos.

7. Referências

AHSON,S.; MOHAMMAD, I. RFID Handbook: Applications, Technology, Security and Privacy. Editora CRC Press, ISBN-13: 978-1-4200-5499-6, 2008.

ARAUJO, R. B. de. Computação Ubíqua: Princípios, Tecnologias e Desafios. Texto escrito para o Mini-curso homônimo, apresentado no XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores (SBRC 2003), URL: < http://www.sbrc2003.ufrn.br/portugues/minicursos.php >, 2003. Acessado em: 20 de Maio de 2008.

BARBOSA, D. N. F.; SARMENTO, D. F.; BARBOSA, J. L. V. ; GEYER, C. F. R. Em direção a Educação Ubíqua: aprender sempre, em qualquer lugar, com qualquer dispositivo. Artigo publicado na revista do Centro Interdisciplinar de Novas Tecnologias na Educação (CINTED), ISSN 1679-1916, URL: , 2008. Acessado em: 10 de Agosto de 2008.

BRUNETTE, W. LESTER, J.; REA, A.; BORRIELLO, G. Some sensor network elements for ubiquitous computing. Artigo publicado nos anais do 4th international symposium on Information processing in sensor network, 2005.

FALCÃO, T. P. da R.; GOMES, A. S. Modelagem de soluções ubíquas para uso em salas de aula do Ensino Fundamental. Artigo publicado no VI Simpósio sobre Fatores Humanos em Sistemas Computacionais (IHC 2004), URL: < http://www.ime.uerj.br/~raquel/wied/ihc2004>, 2004. Acessado em: 20 de Julho de 2008.

ISODA, Y.; KURAKAKE, S.; NAKANO, H. Ubiquitous Sensors based Human Behavior Modeling and Recognition using a Spatio-Temporal Representation of User States. Artigo publicado na 18th International Conference on Advanced Information Networking and Applications (AINA'04), 2004.

LEVIS, D.; BARBOSA, J. L. V.; PINTO, S. C. C. S.; BARBOSA, D. N. F. Aperfeiçoamento Automático do Perfil do Aprendiza em Ambientes de Educação Ubíqua. Artigo publicado nos anais do XVIII Simpósio Brasileiro de Informática na Educação (SBIE 2007), 2007.

LÓPEZ, Tomás S.; KIM, D. Wireless Sensor Networks and RFID integration for Context Aware Services. Artigo publicado no Web Site do Auto-ID Labs, URL: < http://www.autoidlabs.org/uploads/media/withhold_AUTOIDLABS-WP-SWNET-026.pdf >, 2008. Acessado em: 10 de Outubro de 2009.

LOUREIRO, Antônio A. F.; NOGUEIRA, José M. S.; RUIZ, Linneyer B.; MINI, Raquel A. de F.; NAKAMURA, Eduardo F.; FIGUEIREDO, Carlos M. S. Redes de Sensores Sem Fio. Texto do mini-curso apresentado no XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores, 2003.

SOHRABY, K.; MINOLI, D.; ZNATI, T. Wireless sensor networks: technology, protocols, and applications. Editora Wiley-Interscience, ISBN: 978-0-471-74300-2, 2007.

SKRABA, P.; AGHAJAN, H.; BAHAI, A. RFID Wake-up in Driven Sensor Networks. Artigo publicado nos anais da conferência do Special Interest Group on Data Communication (ACM SigComm’04), URL: < http://wsnl.stanford.edu/papers/sigcomm_rfid.pdf >, 2004. Acessado em: 10 de Outubro de 2009.

WEISER, M. Some Computer Science Issues in Ubiquitous Computing. Artigo publicado em Communication of the ACM (Association for Computing Machinery), vol. 36, no. 7, pg. 75-84, Disponível em: < http://portal.acm.org/citation.cfm?id=159617>, julho, 1993. Acessado em: 23 de Junho de 2008.

WEISER, M. The computer for the 21st century. Artigo publicado na revista Scientific American, vol. 265, no. 3, pg. 94–104, setembro, 1991.

ZHANG, L.; WANG, Z. Integrations of RFID into Wireless Sensor Networks: Architectures, Opportunities and Challenging Problems. Artigo publicado nos Anais da Fifth Internacional Conference on Grid and Cooperative Computing Workshops (GCCW’06), 2006.