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% introducao
\chapter{Introdução}
\section{Motivação do Trabalho}
Redes de sensores sem fio têm sido utilizadas em inúmeras aplicações tanto com
objetivo de prover informações a sistemas computacionais que auxiliam o homem
na tomada de decisão~\cite{HANN}, quanto para prover aos próprios sistemas
computacionais informações para que estes atuem de maneira autônoma de forma a
realizar atividades de interesse de seus usuários, como por exemplo, em
serviços de localização utilizados em sistemas ubíquos e em computação
pervasiva~\cite{HIGHTOWER}.
Uma maneira de aumentar as possibilidades de uso das redes de sensores sem fio (RSSFs)
é fazer
com que elas sejam capazes de fornecer informações mais ricas utilizando-se
sensores com capacidades e características heterogêneas. Estas características
vão desde o tipo de dado que o sensor é capaz de fornecer, passando pelas
diferentes plataformas computacionais que suportam a sua atividade, até chegar
a sua capacidade de mobilidade.
Uma rede de sensores consiste em múltiplos nós sensores trocando dados normalmente
em um ambiente sem fio. Cada sensor pode coletar, processar e transferir informações
do ambiente~\cite{WSNSURVEY} sem precisar mandar os dados coletados para outro nó que
concentre a fusão dos dados. Cada sensor pode fazer seu processamento local
e enviar os dados já processados, diminuindo o tráfego e também a energia gasta pela rede.
Existem muitas áreas que podem se beneficiar pelo uso de redes de sensores, como
por exemplo automação residencial~\cite{JIAN} com sensores espalhados pelo ambiente
monitorando temperatura da casa, ou ainda monitorando as condições climáticas. Outro
exemplo de uso reside em aplicações militares~\cite{SENSMIL} onde se faz uso de
redes de sensores para monitoramento de ambiente e proteção de tropas. Tem-se também
utilização de redes de sensores em campos de engenharia biomédica~\cite{SENSHEALTH}
no monitoramento de pacientes em enfermarias.
Devido à descentralização do processamento que é intrínseco à topologia de
redes de sensores, inúmeras aplicações podem se beneficiar da utilização deste
tipo de arquitetura, tais como:
\begin{itemize}
\item Monitoramento de áreas de desastre.
\item Monitoramento de afluentes em rios.
\item Sistemas de vigilância.
\item Monitoramento de qualidade de produtos.
\end{itemize}
Devido ao tamanho dos nós sensores, eles podem ser facilmente acoplados à veículos
aéreos não-tripulados (VANTs) e com isso adicionar mobilidade física aos nós sensores.
Este tipo de abordagem pode ser utilizado também para o monitoramento de regiões de
interesse como por exemplo regiões de desastres naturais como queimadas ou enchentes.
O uso de VANTs em RSSFs aumenta a flexibilidade da rede por permitir que os
sensores se desloquem até a localidade que se deseja monitorar.
A eficiência energética é um desafio a ser superado em arquiteturas de
redes de sensores. Muitas vezes não se têm acesso aos nós e então torna-se
inviável a substituição da bateria dos mesmos. Alguns estudos~\cite{MACROUTE}
usam protocolos de roteamentos mais eficientes para tentar diminuir o consumo
de energia na transmissão de dados entre os nós, enquanto outros~\cite{DATARED}
procuram diminuir o tamanho dos pacotes que são transmitidos entre os nós.
Para permitir uma melhor disseminação de dados em redes de sensores sem fio, existem
propostas de utilização de agentes móveis~\cite{CHEN} para realizar estas tarefas.
Agentes são neste contexto uma ou mais entidades responsáveis por executar as atividades
necessárias no nó sensor. Um agente é capaz de tomar decisões
baseadas nas características do nó sensor e na RSSF onde ele está inserido.
Nós sensores têm hardware heterogêneo e com capacidade de processamento e
memória limitados. Em uma topologia comum de RSSF, é normal se ter nós
fazendo um trabalho colaborativo onde diferentes nós fazem partes diferentes
deste trabalho. A utilização da migração de agentes que carregam diferentes
tarefas para superar os desafios relacionados à limitação de hardware pode
ser vista como uma abordagem para superar as dificuldades impostas pelas RSSFs.
Um agente móvel é capaz de se mover entre diferentes nós carregando as tarefas que serão
executadas nestes nós. Uma RSSF pode conter diversos agentes, sejam eles móveis
ou não, e este sistema como um todo é chamado de sistema multi-agente (SMA).
As RSSFs aliada aos SMAs podem conter requisitos que variam ao longo do tempo
devido à diversas características que podem ou não estar associadas ao sistema, como por exemplo
desgaste de dispositivos ou ainda alterações climáticas. O uso de agentes em sistemas
que mudam suas características dinamicamente traz consigo o benefício da reconfiguração do sistema
em tempo de execução, visto que os agentes podem carregar novas tarefas ao
sistema fazendo com que ele seja reprogramado, o que aumenta a flexibilidade da RSSF onde eles estão inseridos.
A reconfiguração do sistema não está limitada somente às tarefas que estão sendo
executadas a nível de {\it{software}} no processador principal do sistema. Este sistema
pode conter algum tipo de {\it{hardware}} reconfigurável, como por exemplo um
{\it{Field Programmable Gate Array}} (FPGA). O uso de FPGAs aumenta a flexibilidade
dos sistemas pois permite a reprogramação da arquitetura de {\it{hardware}} permitindo
que o sistema seja reconfigurado quase que por completo. A reconfiguração de {\it{hardware}}
em RSSF permite que a plataforma não fique presa somente a uma aplicação, permitindo
o uso de plataformas mais genéricas que atendem um maior número de aplicações
{\cite{ALLGAYER2009}}.
O uso de arquiteturas reconfiguráveis podem contribuir para o desenvolvimento de SMAs, visto que
os agentes podem se beneficiar das características oferecidas em {\it{hardware}}
para reprogramar o sistema. Agentes podem ser implementados desta forma diretamente
em {\it{hardware}} \cite{FPGA_MOB_ROBOT} utilizando-se um dispositivo
reprogramável, como por exemplo um FPGA. A reprogramação dinâmica destes dispositivos
faz com que o uso de agentes não esteja limitado somente ao processador principal do
sistema.
%Uma das grandes barreiras ainda impostas pela computação pervasiva reside na
%manutenção e execução de diferentes aplicações em plataformas que são heterogêneas.
%Neste contexto, existe a possibilidade de criação de um {\it{middleware}}~\cite{MIAO}
%servindo como uma camada de abstração ao hardware de cada nó sensor. Este tipo de
%abordagem aliada ao uso de uma arquitetura de hardware {\it{reconfigurável}} nos
%permite diminuir-se o {\it{time to market}} ou o tempo que leva desde o
%desenvolvimento do projeto de um dispositivo até a sua chegada ao mercado.
\section{Objetivos}
Este trabalho tem como objetivo criar uma arquitetura que suporte a migração de
agentes entre plataformas de {\it{software}} e de {\it{hardware}}. Aliada à migração, os
agentes devem ser capazes de se comunicar de forma transparente independentemente
da forma como estão implementados. Desta forma, a arquitetura é reconfigurável, pois os agentes
são capazes de migrar entre os nós alterando-se a configuração tanto de {\it{software}}
quanto de {\it{hardware}}. A arquitetura deve ser ainda compatível com outras arquiteturas
de SMAs existentes, permitindo o interfaceamento entre elas.
Como será visto ao longo deste trabalho, o SMA será desenvolvido utilizando-se como base
um {\it{framework}} já existente que permite o rápido desenvolvimento de SMAs mantendo
a compatibilidade com outros sistemas. Para isso é utilizado o Jade {\cite{JADE}} como
arquitetura de suporte aos agentes. Os agentes em {\it{hardware}} serão implementados em
FPGAs e serão descritos através de uma linguagem de descrição de {\it{hardware}} de alto
nível, como por exemplo VHDL. Será criada uma camada de interfaceamento dos agentes
de {\it{software}} e de {\it{hardware}} que é chamada de Wrapper, pois encapsula
as requisições de ambos tipos de agentes.
O sistema será validado através de experimentos implementados diretamente sobre uma
plataforma de testes que contém dispositivos análogos ao que se encontra em nós
sensores comerciais. Será implementada toda a arquitetura de {\it{software}} dos
agentes bem como a arquitetura de {\it{hardware}} desenvolvida no FPGA. A arquitetura
será feita de forma modular, permitindo a sua expansão e uso em outros projetos
que tenham como base o uso de SMAs.
Como resultado espera-se ter uma plataforma de agentes que suporte comunicação entre
os diferentes tipos de agentes e ainda permitindo a migração destes agentes, o que
caracteriza a arquitetura heterogênea de agentes móveis.
\section{Organização}
Este trabalho está organizado da seguinte maneira. No Capítulo~{\ref{chap:rssf}} são
apresentados os conceitos relativos às RSSFs, discutindo-se questões de arquitetura
da rede e do nó sensor. No Capítulo~{\ref{chap:reconf}} são apresentados os conceitos
de arquiteturas reconfiguráveis onde são discutidas arquiteturas de {\it{software}} e
{\it{hardware}} que suportam reconfiguração. No Capítulo~{\ref{chap:agents}} são apresentados
os conceitos de agentes e SMA, bem como é apresentada a plataforma do Jade, que é utilizada
neste trabalho. No Capítulo~{\ref{chap:related}} são discutidos os trabalhos relacionados
a este e que serviram como base para a criação da arquitetura aqui proposta.
No Capítulo~{\ref{chap:prop}} é apresentada a proposta de arquitetura deste projeto
enquanto que no Capítulo~{\ref{chap:arch}} é discutida a sua implementação. O Capítulo~{\ref{chap:usecase}}
descreve os estudos de caso utilizados na validação da proposta deste trabalho. O Capítulo~{\ref{chap:concl}}
analisa os resultados obtidos neste trabalho e descreve brevemente os trabalhos
futuros. Finalmente os anexos e
apêndices mostram mais com mais detalhes aspectos que foram deixados de fora do texto.
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