Agrupamento dinâmico de sensores baseado na similaridade de leitura de dados

Abstract

Resumo: As Redes de Sensores Sem Fio (RSSFs) vêm sendo utilizadas em diversos tipos de aplicações de monitoramento urbano ou ambiental. Uma técnica comum nas RSSFs é o agrupamento lógico dos dispositivos da rede, ou nós, que gera uma hierarquia baseada em líderes e possibilita o melhor controle do tráfego da rede, melhorando questões de escalabilidade e eficiência em energia. Embora os protocolos de agrupamento tratem de várias categorias de dinamicidade na rede, desde a variação do posto de líder até a mobilidade dos nós na rede como um todo, são poucas as soluções que consideram as questões de similaridade entre as leituras dos nós. As relações de similaridade temporal e espacial das leituras possibilitam que os nós de leituras similares sejam mantidos no mesmo agrupamento lógico, trazendo diversas vantagens, como o uso mais eficiente de técnicas de compressão e até mesmo uma melhor detecção de eventos anômalos. Para a manutenção de agrupamentos que consideram a similaridade, uma alternativa é o uso da sincronização da leitura média dos agrupamentos nos seus nós. Esta alternativa possibilitaria um funcionamento distribuído e adaptativo dos agrupamentos. Assim, este trabalho propõe um protocolo de agrupamento lógico de nós para RSSFs que considera explicitamente a relação de similaridade espacial entre as leituras dos nós, visando o uso em aplicações para detecção de eventos, sem que haja consultas proativas a partir de uma estação-base. O protocolo proposto, chamado DDFC, emprega os princípios biológicos de vagalumes encontrados na natureza que, até o momento, são utilizados nas RSSFs para questões de sincronização de relógio, possuindo um grande potencial inexplorado. Uma avaliação do protocolo foi realizada através de simulações, que analisaram seu comportamento, comparando-o com uma variante sua e com o protocolo SCCS. Os resultados mostraram que o protocolo DDFC foi capaz de manter a agregação de leituras dos agrupamentos lógicos sincronizada, possibilitando que os nós de leituras similares se mantivessem agrupados. Além disso, o protocolo operou de maneira mais estável e dinâmica, selecionando líderes mais apropriados.

Abstract: Wireless Sensor Networks (WSNs) have been used by several kinds of urban and nature monitoring applications. The logical clustering of nodes on WSNs is a greatly used technique, corresponding to the creation of a hierarchy of nodes based on leaders that enables better network traffic management, improving issues such as scalability and energy efficiency. Although clustering protocols handle several categories of network dynamicity, from the rotation of the leader up to nodes' mobility on the network as a whole, few are the clustering solutions that consider data similarity among nodes readings. The temporal and spatial similarity relations allow nodes with similar readings to be kept on the same logical cluster, bringing several advantages, such as improving both the efficiency of compression techniques and even the detection of anomalous events. For maintaining similarity aware clusters, the synchronization of the cluter's average reading would allow a distributed and adaptive operation. Thus, this work proposes a logic clustering protocol for WSNs that explicitly handles the spatial similarity between nodes' readings, aiming events detection applications, without the need of proactive queries yielded by the base station. The proposed protocol, named DDFC, is inspired on the biological principles of fireflies which, up to the moment, usually are used on WSNs for clock synchronization matters, still leaving a huge potential unexplored. An evaluation of the protocol was performed through simulations, which analyzed the protocol's behavior, comparing it with another variation of itself and with the SCCS protocol. Results show that the DDFC protocol managed to keep the clusters' readings aggregation synchronized, hence enabling nodes with similar readings to be kept clustered together. Furthermore, the protocol behaved with more stability, electing more appropriate cluster-heads.