OSIRIS Framework: construindo sistemas de monitoramentocom redes de sensores sem fio para compartilhar dados

Felipe Santos, Raphael Guerra

1Laboratorio Tempo — Instituto de ComputacaoUniversidade Federal Fluminense (UFF), Niteroi/RJ, Brasil

{fralph,rguerra}@ic.uff.br

Abstract. Physical components of wireless sensor networks (WSNs) are highlyheterogeneous, suffer damage, are replaced, data is generated massively andmust be managed, stored and made available to other systems. In this paper, wepropose the OSIRIS, which provides resources for monitoring the WSN, collec-ting, processing, and storing data, and an interface for providing data to otherapplications and/or systems. OSIRIS uses a set of abstractions to offer flexibilityfor the creation of various monitoring systems and to decouple network physicalsensors from data consuming applications. We used OSIRIS to build a thermalmonitoring system for datacenters.

Resumo. Componentes fısicos de redes de sensores sem fio sao altamente he-terogeneos, sofrem avaria, sao substituıdos, dados sao gerados massivamentee devem ser gerenciados, armazenados e compartilhados com outros sistemas.Neste trabalho, propomos o framework OSIRIS, o qual oferece recursos paracoletar, processar, armazenar e disponibilizacao dados da rede sensora paraoutras aplicacoes e/ou sistemas, alem de monitorar a propria rede sensora. Odiferencial do OSIRIS e a flexibilidade na criacao de sistemas de monitoramentodiversos e o desacoplamento entre a rede de sensores fısicos e a aplicacao final,que e obtido a partir de um conjunto de abstracoes definidos no framework. Nosutilizamos o OSIRIS para construir um sistema de monitoramento termico emcentros de processamento de dados.

1. IntroducaoRedes de sensores sem fio consistem de pequenos sensores com limitados recursoscomputacionais que trabalham em grupo de forma inteligente para atingir seus obje-tivos. A utilizacao destas redes em aplicacoes praticas tem como maior desafio alimitacao energetica e a baixa capacidade de processamento dos nos [Yick et al. 2008].Diversas aplicacoes destas redes ja foram propostas na literatura [Suzuki et al. 2007,Wang et al. 2011, Zanatta et al. 2014], inclusive para ambientes inteligentes e Internet dasCoisas [Piyare and Lee 2013, Kelly et al. 2013, Zhong et al. 2014].

O compartilhamento de dados coletados com outras aplicacoes representa um de-safio adicional a implantacao de sistemas baseados em redes de sensores sem fio. Dentreos desafios para esta interoperabilidade, podemos citar a natureza altamente heterogeneadas redes de sensores sem fio e a conectividade volatil dos nos. Alem disso, o trafegogerado em cada requisicao de dados aumenta o consumo de energia da rede. Estes da-dos muitas vezes ainda precisam ser processados antes de utilizados para oferecer uma

visao mais completa e robusta do ambiente monitorado, tecnica conhecida como fusao dedados [Durrant-Whyte and Henderson 2008]. Neste contexto, faz-se necessario uma in-fraestrutura capaz de coletar, processar, armazenar e compartilhar entre varias aplicacoesconcorrentes dados provenientes de diferentes fontes de maneira padronizada e flexıvel,alem de gerenciar a rede coletora ao mesmo tempo em que esconde detalhes intrınsecos daforma como os dados sao obtidos. Construir esta infraestrutura do zero para cada sistemade monitoramento e uma tarefa custosa.

Em nossa revisao bibliografica, o SenseWeb [Kansal et al. 2007] e a proposta deuma infraestrutura para compartilhamento de dados sensoriais que mais se assemelhaao nosso trabalho. Como podemos ver na Figura 1, ele define 4 componentes princi-pais: sense gateway, mobile proxy, coordinator e data transformer. O sense gateway eo mobile proxy provem uma interface uniforme para a comunicacao com os sensores. Ocoordinator armazena dados em cache para minimizar o fluxo de dados proveniente dire-tamente dos sensores e gerencia as necessidades de sensoriamento de cada aplicacao paralocalizar os sensores apropriados. Finalmente, o data transformers manipula os dados co-letados antes de repassa-los para as aplicacoes, seja para melhor visualizacao, conversaode unidade ou filtragem.

Observamos que nao ha cache ou armazenamento persistente de dados proveni-entes de data transformers. Logo, dados crus que precisam ser manipulados antes derepassados as aplicacoes devem ser processados a cada solicitacao. Aplicacoes tambemprecisam estar cientes da necessidade de realizar estas transformacoes. Alem disso, seduas aplicacoes distintas solicitam dados da mesma rede sensora, havera trafego de dadosna rede para cada solicitacao, o que aumenta o consumo energetico. Notamos tambem queo coordinator e um elemento centralizador, o que compromete a escalabilidade. Final-mente, o SenseWeb nao oferece um elemento para gerenciar o funcionamento das redesde sensores sem fio, como consumo de energia, estado da arvore de roteamento, etc.

Nossa proposta e o OSIRIS Framework (veja a Figura 2). Ele consiste de 4modulos principais: Collector, SensorNet, VirtualSensorNet e DBManager. O Collec-

Figura 1. Arquitetura do SenseWeb.

Camada de comunicação

SensorNet VirtualSensorNet DBManager

Collectors Applications

Sensores Sensores Virtuais ...

Figura 2. Arquitetura do OSIRIS.

tor e o gateway que extrai dados da rede sensora e os transfere para o OSIRIS, podendohaver varios deles para uma mesma rede. O SensorNet e a representacao em softwaredo estado atual da rede fısica e de seus sensores, armazenando dados e metadados comonıvel de bateria, leitura atual de cada sensor, grafo de roteamento de dados, etc. O Vir-tualSensorNet e a entidade gerenciadora dos VirtualSensors, a abstracao de um sensordo ponto de vista das aplicacoes. O VirtualSensor esconde da aplicacao a fonte dos da-dos, podendo a fonte ser um sensor fısico diretamente ou um processamento de dadosproveniente de varios sensores (para tolerancia a falhas, fusao de dados, entre outros).O DBManager recebe requisicoes do SensorNet e do VirtualSensorNet para armazenar eretornar dados. Todos estes modulos sao distribuıdos e se comunicam por meio de umaCamada de Comunicacao.

O SensorNet e o VirtualSensorNet evitam que sucessivas consultas aos dadosde uma mesmo sensor gere trafego extra na rede sensora fısica, economizando ener-gia. Alem disso, o VirtualSensorNet permite que dados processados da rede fısica sejamarmazenados e disponibilizados como se fossem provenientes diretamente de sensores.Esta abstracao reduz a carga de processamento no framework e o acoplamento entre asaplicacoes e a natureza original dos dados como obtidos diretamente da rede fısica. Oposicionamento estrategico dos Collectors oferece tolerancia a falhas e reduz o trafegodentro da rede por oferecer varias opcoes de rota de saıda para os dados coletados. ODBManager permite a consulta de historicos sempre que necessario.

O resto deste documento esta estruturado da seguinte forma. A Secao 2 descrevea camada de comunicacao, e a Secao 3, os modulos do OSIRIS. Em seguida, apresenta-mos na Secao 4 uma implementacao de um sistema de monitoramento termico sobre oOSIRIS. Esta implementacao sera demonstrada no evento. Finalmente, a Secao 5 traz asconclusoes e propostas de trabalhos futuros.

2. Camada de comunicacao do OSIRISNo OSIRIS, os modulos podem se comunicar de maneira sıncrona ou assıncrona paraefetuar requisicoes, retornar repostas e difundir mensagens de eventos. Os modulosque requerem respostas as suas requisicoes comunicam-se de forma sıncrona como umatransacao atomica. Ou o cliente recebe a resposta a requisicao enviada, ou a acao soli-citada nao e efetuada no servidor. Ha tambem modulos que necessitam apenas divulgarmensagens sobre um determinado estado de seus recursos para um numero indetermi-nado de interessados seguindo o padrao publish-subscribe. Estes modulos realizam umacomunicacao assıncrona com garantia de entrega, mas sem confirmacao de recebimento.

O OSIRIS define grupos de mensagens para o envio de mensagens assıncronas.Qualquer modulo interessado nas mensagens de um grupo deve subscrever-se no respec-tivo grupo. O OSIRIS ja define alguns grupos de mensagens padroes, que serao discutidosna Secao 3, e o desenvolvedor que estende o OSIRIS pode criar novos grupos conformejulgar necessario para a sua aplicacao de monitoramento.

A troca de mensagens e feita usando o OMCP - OSIRIS module commu-nication protocol - um protocolo de comunicacao de baixo acoplamento desenvol-vido para a comunicacao entre os modulos do OSIRIS. Baseado no estilo arquiteturalREST [Fielding 2000], o OMCP define 5 metodos: GET, POST, PUT, DELETE e NO-TIFY. Os quatro primeiros metodos sao chamadas RPC sıncronas e bloqueantes que ne-

cessitam de retorno obrigatorio. Se o recebimento da mensagem de resposta nao forconfirmado, a acao nao e executada no servidor. O GET recupera informacoes de umrecurso, o POST cria um novo recurso, o PUT atualiza um recurso e o DELETE apagaum recurso existente. Ja o NOTIFY e um metodo sem retorno nao-bloqueante utilizadonotificacao assıncrona (publish-subscribe).

3. Modulos do OSIRISO OSIRIS consiste de um conjunto de modulos especializados que cooperam entre si. Te-mos para a coleta de dados o modulo Collector, para o processamento e disponibilizacaode dados o modulo VirtualSensorNet, para o a persistencia de dados o DBManager e parao monitoramento da rede sensora o modulo SensorNet. As proximas secoes descrevemestes modulos com mais detalhes.

3.1. Collector

O Collector e o modulo que conecta o framework a rede de sensores, capturando pas-sivamente (sumidouro) dados provenientes da rede de sensores para alimentar os outrosmodulos do OSIRIS. O Collector empacota os dados adquiridos para repassa-los ao fra-mework, atribuindo-lhes propriedades de rastreabilidade como a qual rede, coletor e sen-sor o dado pertence. E no Collector que os dados devem ser estritamente tratados, des-critos em detalhes, com identificacoes sobre o valor, o nome do campo (temperatura,pressao, luminosidade, etc.), o tipo do valor do dado no ambiente computacional (integer,bool, real, text, etc.), a unidade de medida do valor (Celsius, volt, ampere, entre outros) eo sımbolo da unidade de medida (Hz, V, A, entre outros). Por exemplo, uma amostra detemperatura teria para a tupla <valor, campo, tipo, unidade, sımbolo> os valores <30.5,temperatura, real, Celsius, C>.

Cada instancia em execucao do Collector deve possuir um identificador para si eum outro para qual rede ele pertence. Se todos os sensores enviam os dados para umadeterminada base, o Collector deve fazer parte desta base para receber os dados e repassa-los ao OSIRIS por meio do grupo de mensagens dedicado as mensagens do Colletor,chamado de omcp://collector.messagegroup.osiris/.

3.2. SensorNet

O SensorNet e o modulo responsavel por monitorar a rede fısica e emitir notificacoesquando alteracoes ocorrem na rede. Ele mapeia os dados e metadados da rede de sensorespara o ambiente computacional, organizando os dados logicamente utilizando os seguintesrecursos:

• Networks — Mapeamento para armazenar dados sobre todas as redes de sensoresmonitoradas com o SensorNet.• Collectors — Em cada rede monitorada, um ou mais coletores devem existir,

sendo estes alocados neste recurso.• Sensors — Os sensores sao alocados neste recurso, que e parte constituinte dos

recursos Collectors e Networks.

O SensorNet funciona da seguinte maneira. As mensagens de cap-tura enviadas pelos Collectors sao capturadas pelo SensorNet. Para tanto,

ele se inscreve no grupo de mensagens de divulgacao de dados do coletor,omcp://collector.messagegroup.osiris/. Os dados coletados sao utiliza-dos para atualizar os respectivos recursos, caso sejam dados de um recurso ja existente,ou para instruir o modulo a criar novos recursos. Como a rede sensora sem fio pode enviardados replicados ou fora de ordem, o SensorNet requer a especificacao de um campo iden-tificador nos dados coletados para nao atualizar o estado de um sensor com informacaoantiga nem repassar informacao replicada.

O SensorNet tambem verifica periodicamente se seus recursos estao sendoatualizados. Caso nao estejam, o SensorNet altera o estado deste sensor paradesativado e emite uma notificacao para o sistema informando que o determi-nado recurso esta inativo. A notificacao e enviada para o grupo de mensagensomcp://notification.messagegroup.osiris/. Uma posterior atualizacaomuda o estado do recurso para ativo novamente. Um sensor tambem pode estar no estadoatualizado (se acabou de receber uma atualizacao de dados), novo (se acabou de ser cri-ado), reativado (se estava inativo e voltou a funcionar) ou malfuncionamento (se algunsde seus dados nao sao atualizados ou recebem valores estranhos).

Logo, este modulo evita que consultas sobre a rede de sensores sejam repassadasdiretamente para a rede fısica, o que reduz o trafego na rede, economiza energia e abstraia alta heterogeneidade intrınseca de redes de sensores sem fio.

3.3. VirtualSensorNet

O VirtualSensorNet e o modulo responsavel por desacoplar os dados coletados dos dispo-sitivos fısicos (fontes geradoras) existentes na rede de sensores. Sendo assim, ele e umaabstracao entre as aplicacoes e as fontes geradoras. O VirtualSensorNet pode ainda trataros dados obtidos antes de disponibiliza-los para as aplicacoes. Desta forma, alteracoesnas fontes geradoras sao invisıveis para as aplicacoes consumidoras de dados.

O VirtualSensorNet utiliza os sensores virtuais, que sao unidades sensoras de soft-ware. Existem 3 tipos de sensores virtuais: Link, Composite e Blending.

Os sensores virtuais do tipo Link podem vincular-se a um sensor fısico e arma-zenar seus dados. Ele permite tambem a ampliacao ou a substituicao dos dispositivosfısicos, pois pode alterar a sua fonte de dados mesmo depois de criado. Os sensores vir-tuais do tipo Composite sao capazes de compor um novo sensor virtual a partir da selecaode campos de diversos sensores virtuais existentes. A composicao roteia os dados ja ar-mazenados para o novo sensor virtual, sem duplicacao de dados. Os sensores virtuaisdo tipo Blending sao a especializacao projetada para realizar o processamento de dadossobre um conjunto de sensores virtuais. O sensor virtual do tipo Blending contem um con-junto de sensores virtuais e uma funcao para o processamento. As funcoes atuam comomodulos do OSIRIS e recebem como parametro os sensores virtuais selecionados paraprocessar o conjunto de dados. Ao termino da operacao, as funcoes enviam o resultadopara o Blending, para que o valor seja adicionado como um dado de leitura deste sensor.Com Blendings podemos implementar fusoes de dados, conversoes metricas, tolerancia afalhas, entre outros.

Similar ao SensorNet, o VirtualSensorNet emite notificacoes sobre mudancasde estados de seus sensores virtuais para as aplicacoes interessadas. As notificacoes

sao enviadas para o mesmo grupo de mensagens utilizado pelo SensorNet, o grupoomcp://notification.messagegroup.osiris/.

3.4. DBManagerO DBManager e modulo projetado para o armazenamento de dados do OSIRIS e traba-lha diretamente com a persistencia de dados do SensorNet e do VirtualSensorNet. Suatarefa e o armazenamento os dados de maneira inteligente, gerando o mınimo possıvelde duplicacao dos dados compartilhados entre o SensorNet e o VirtualSensorNet. Ou-tra caracterıstica do DBManager e otimizar as operacoes de busca e armazenamento dedados.

O DBManager nao possui nenhum grupo de mensagens, e as comunicacoes comele sao sempre realizadas por meio de metodos sıncronos.

4. Implementacao de um Sistema de Monitoramento TermicoQualquer sistema de monitoramento e controle termico deve, essencialmente, coletar da-dos sensoriais da temperatura do ambiente e agir sobre o ambiente monitorado de modoa manter a temperatura dentro do patamar desejado. Na demonstracao que apresentare-mos no evento, utilizamos o OSIRIS para construir o TMON, um sistema de monitora-mento termico para centros de processamento de dados. Seu codigo fonte e documentacaoda instalacao estao disponıveis no link https://github.com/labtempo/TMON/,onde o menu WiKi contem o manual de instalacao e uso.

Nossa implementacao assume a existencia de uma camada de coleta de dadoscom redes de sensores sem fio. Neste trabalho, usamos a mesma rede sensora propostapor Zanatta et al [Zanatta et al. 2014]. O TMON apresenta graficos com as leituras detemperatura de cada sensor, calculo da media de temperatura na sala, e o monitoramentodo estado da rede sensora, tudo disponibilizado para o usuario por meio de uma interfacede visualizacao Web. O monitoramento do funcionamento da rede de sensores sem fio erealizado com informacoes sobre a atividade dos sensores, a topologia da rede e o nıvelde bateria de cada no.

Nos usamos o modulo SensorNet para realizar o monitoramento da rede de senso-res sem fio. Com os dados obtidos do SensorNet (sensor, network, collector), foi possıvela construcao do grafo da rede sensora. Parametros de informacao adicionais foram utili-zados para declarar o parentesco dos sensores e o papel de atuacao (sensor e/ou roteador).

A Figura 3 mostra um grafo da topologia de roteamento de dados da rede sensorana nossa interface Web. Nesta figura, e possıvel visualizar a organizacao da rede sensoraem forma de arvore, formada pela relacao pai-filho entre os nos. As cores dos nos indicamse estao ativos ou inativos (verde ou vermelho); o no azul e a estacao base. Tambem vemosos numeros identificadores de cada no. A Figura 4 apresenta o nıvel de energia de um no.Todos os nos da rede possuem bateria, mesmo que nao estejam realizando a funcao decaptura.

Para o monitoramento do ambiente, a Figura 5 apresenta o mapa termico do CPD,com a temperatura capturada sobre cada ponto da sala em um dado instante. Ja a Figura 6apresenta um grafico, na parte superior, com a temperatura media da sala do CPD. Dadosde temperatura de cada sensor e da temperatura media da sala do CPD foram implemen-tadas com o OSIRIS utilizando os sensores virtuais. Os sensores virtuais sao capazes de

Figura 3. Grafo da rede sensora. Figura 4. Consumo de energia.

Figura 5. Leitura de temperatura decada sensor.

Figura 6. Calculo da temperaturamedia da sala.

operar sobre um conjunto de sensores virtuais, processando a informacao de temperaturamedia do ambiente e atribuindo este resultado como uma nova medida de um sensor vir-tual. A fonte dos dados (sensor fısico ou processamento) e completamente indiferentepara a aplicacao de visualizacao, que enxerga tudo como sendo um dado de sensor.

5. Conclusao

O compartilhamento de dados coletados com outras aplicacoes representa um desafioadicional a implantacao de sistemas baseados em redes de sensores sem fio. Neste traba-lho, apresentamos o OSIRIS, uma infraestrutura capaz de coletar, processar, armazenar ecompartilhar entre varias aplicacoes concorrentes dados provenientes de diferentes fontesde maneira padronizada e flexıvel, alem de gerenciar a rede coletora ao mesmo tempoem que esconde detalhes intrınsecos da forma como os dados sao obtidos. O OSIRISainda oferece abstracoes para representar em software o estado atual dos sensores fısicos(o SensorNet) e para abstrair das aplicacoes consumidoras de dados quem sao as fontesgeradoras de dados (o SensorNet).

Neste trabalho, demonstramos uma aplicacao deste framework para construir umsistema de monitoramento termico. Vimos que o pequeno conjunto de abstracoes de-

finidos pelo OSIRIS e capaz de expressar os mais diversos requisitos de um sistemade monitoramento que precisa processar dados coletados e disponibiliza-los para outrasaplicacoes.

Dentre os trabalhos futuros, destacamos a necessidade de descentralizar o Sen-sorNet e o VirtualSensorNet. Alem disso, a inclusao de um localizador de dados, comono SenseWeb [Kansal et al. 2007], automatizaria a tarefa de encontrar sensores virtuaisque atendam aos interesses das aplicacoes e de vincular sensores virtuais a sensores doSensorNet.

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