XIV Encontro de Iniciação à Pesquisa Universidade de Fortaleza 20 a 22 de Outubro de 2008
UMA ARQUITETURA PARA GESTÃO PARA O PROJETO PIMENTER. Fernando Eryck da Costa e Silva (IC)1; Paulo Abner Aurélio Mesquita (IC)2; Francisco Kelsen de Oliveira (IC)3; Antônio Mauro Barbosa Oliveira (PQ)4;
[email protected] (1);
[email protected] (2);
[email protected] (3);
[email protected] (4); Palavras-chaves: Domótica, Clusters Comutacionais, Sistemas Distribuidos
Resumo O Brasil possui aproximadamente 40 milhões de computadores pessoais em residências e empresas. Em sua maioria, essas máquinas passam grande parte de seu tempo desligadas ou subutilizadas. São ainda raros os usuários que deixam seus computadores funcionando em suas ausências. Este artigo apresenta uma arquitetura de gestão para o projeto PIMENTER, um sistema inovador que se propõe a otimizar o uso de computadores pessoais. A estratégia principal consiste em agregar serviços ao computador pessoal de modo a justificar o seu funcionamento 24 horas, a exemplo de eletrodomésticos como a geladeira. Dentre esses serviços pode-se destacar o monitoramento de ambiente físico (residência, empresa, etc.), o monitoramento pessoal (saúde, agenda, etc), a segurança local, dentre outros, característicos do conceito de domótica (BOLZANI, 2004). A universalização da proposta do PIMENTER em grandes ambientes, ou seja, o uso 24 horas de computadores pessoais motivados por serviços agregados, resulta na disponibilidade da capacidade ociosa de processamento de dezenas, centenas, milhares de computadores permanentemente ligados. Este cenário sugere a possibilidade de se aproveitar esta capacidade ociosa como um sistema de processamento baseado em clusTers (DANTAS, 2005). Resultados experimentais neste trabalho são apresentados a partir da implementação de dois protótipos, desenvolvidos como uma prova de conceito de sua aplicação nas duas áreas acima citadas: domótica e cluster em processamento.
Introdução Os computadores pessoais, em sua maioria, ficam desligados na maior parte do tempo, seja nos escritórios, em universidades ou residências. Mesmo quando ligados os usuários não fazem uso otimizado de todo poder de processamento disponível, desperdiçando assim recursos computacionais e, conseqüentemente, recursos financeiros investidos na aquisição de tais equipamentos. Se esses computadores estivessem permanentemente ligados, realizando algum serviço útil a seus usuários, teríamos, naturalmente, o uso mais otimizado dessas máquinas. Num século cada vez mais caracterizado pela convergência de infra-estrutura de comunicações multimídia, um computador pessoal pode, por exemplo, numa residência, ser utilizado para gerenciar dispositivos eletro-eletrônicos que oferecem serviços, tais como monitoramento de sinais vitais de saúde do indivíduo, segurança física, alarmes, etc. Este cenário inscreve-se dentro do conceito, cada vez mais popular, de domótica, a utilização de um conjunto de tecnologias e sistemas, que deverão funcionar de forma integrada, permitindo um controle e uma gestão automática dos diferentes recursos de uma habitação, relacionados à gestão de energia, comunicação, conforto ambiental, segurança pessoal e patrimonial. Para alcançar seu objetivo, a principal estratégia do PIMENTER é dotar o computador pessoal de uma série de importantes serviços que motivem seu usuário a mantê-lo permanentemente ligado, a exemplo da geladeira, do celular, etc. Além de otimizar o uso de computadores pessoais com a agregação de serviços essenciais aos usuários, no contexto de domótica, o PIMENTER também propõe a possibilidade do compartilhamento da capacidade de processamento desses computadores por outras aplicações. Ou seja, é factível imaginarmos que dezenas (senão centenas, milhares, etc.) de computadores conectados à Internet possam ser gerenciados sob forma de Clusters. ISSN 18088449
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Este trabalho apresenta uma arquitetura de gestão para o projeto PIMENTER.
Metodologia O projeto PIMENTER é constituído de duas fases que resultaram em dois protótipos. O primeiro busca agregar diversas tecnologias ao computador pessoal no intuito de disponibilizar uma série de serviços pessoais, modulares e de baixo custo no PC que motivem ao usuário a mantê-lo ligado. O segundo protótipo se presta a um propósito mais ousado: fazer uso do processamento ocioso de tais máquinas ligadas 24 h por dia, envolvendo conceitos mais avançados como o de sistemas distribuídos, Clusters e Grades Computacionais. PIMENTER INTELLIGENT HOME – PIH O PIMENTER INTELLIGENT HOME é um protótipo de monitoramento de ambiente. Seu objetivo é fazer a gerência e a integração de dispositivos instalados em qualquer ambiente, seja este residencial ou comercial. Para tanto, o PIH aproveita-se da estrutura computacional do computador pessoal que se encontra nas residências. O PIH funciona como um sistema supervisor que gerencia alguns dispositivos de uma casa ou ambiente. Sua execução se dá no PC (Personal Computer) onde é possível monitorar, configurar e ajustar sensores, atuadores e dispositivos instalados no ambiente em questão. A composição do protótipo PIH consiste em hardware e software, onde sensores e atuadores são conectados ao DAC (data acquisition), um coletor de dados, e este, ao computador pessoal. Os dispositivos gerenciados pelo PIH nesse protótipo são uma lâmpada, uma web cam e uma porta de entrada do laboratório. Os sensores são de presença, passagem, temperatura e detector de fumaça. Como atuador foi utilizado uma sirene. A condição para o acendimento de uma lâmpada e o disparo do alarme é a detecção de presença, onde cada vez que se abre a porta e o sensor de passagem ou de presença detecta movimento, ligam-se as luzes, tira-se a foto e envia um SMS (Short Message Service) ao celular do proprietário previamente cadastrado. Pela Internet, através do portal do PIH, é possível visualizar a foto tirada. Na figura 01 abaixo é possível visualizar a arquitetura do PIH.
Figura 01. Arquitetura PIMENTER Intelligent Home COMPONENTES DO PIMENTER INTELLIGENT HOME Abaixo são descritos os elementos de hardware e software utilizados para a implementação do protótipo PIH. O FIELD LOGGER é um equipamento de aquisição e registro de variáveis analógicas. Opera como um registrador eletrônico de dados, armazenando informações adquiridas em sua memória interna para análise posterior. Pode ainda operar como um módulo remoto de medição em tempo real, que não possui memória interna, e apenas adquire informações e as transmite para um sistema supervisório. PROTÓTIPO MINI-DAC: Protótipo de aquisição e registro de variáveis analógicas que possui as principais características e funcionalidades encontradas no FIELD LOGGER, para sua comunicação com o PC é utilizada a porta paralela. ISSN 18088449
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Figura 02. Protótipo DAC : SENSOR DE TEMPERATURA: Hardware do sensor de temperatura constitui-se de um termopar tipo j e outro tipo k contendo sensor de temperatura. Sendo que o tipo j faz a aferição da temperatura interna e o tipo k da temperatura externa. No software PIH, pode ser programada a temperatura do ambiente desejado de acordo com a preferência do usuário. SENSOR DE PRESENÇA/PASSAGEM Controla o sinal de presença no ambiente e a condição do status da porta, aberta ou fechada. Se o sensor de presença receber um sinal de movimento no ambiente ou a porta for aberta com o sensor ativado, a iluminação do ambiente acende, e imediatamente é tirada uma foto pela web cam. Em seguida é enviando um SMS ao celular do proprietário da residência. ATUADORES No PIH foram utilizados dois atuadores. O atuador 1 é responsável por ligar/desligar as lâmpadas e o atuador 2 simula um alarme indicando que a porta esta aberta ou que há uma presença no ambiente. PIMENTER SHARE CENTER - PSC O PSC é uma arquitetura de gestão que tem por finalidade, gerenciar o conjunto de computadores conectados 24 h por dia à Internet. A este conjunto de computadores foi denominado Floresta PIMENTER FP. O PSC é um gerenciador de recursos computacionais que faz uso do processamento dos computadores pessoais que compõem a FP. Desta forma, uma de suas principais funções é realizar processamento de tarefas para clientes que não exijam grande poder computacional. Sendo assim, além do aumento de performance para o processamento de aplicações, o PSC pode trazer benefícios a usuários, organizações ou empresas que permitam que terceiros façam uso de seus recursos computacionais para processar as mais variadas aplicações de diferentes nichos empresariais, Um dos grandes benefícios oferecido pelo PSC está na redução do tempo de processamento. Por meio de uma interface gráfica, portal PIMENTER, o usuário pode enviar jobs (tarefas) para serem processados em computadores da FP. Para tanto, o PSC gerente administra essas requisições, distribuindo as tarefas para os computadores com recursos disponíveis na floresta. ARQUITETURA DE GESTÃO PSC Nesta seção será apresentada a arquitetura de gestão do PIMENTER SHARE CENTER, suas camadas e os serviços prestados por cada uma delas. O objetivo desta arquitetura de gestão é aproveitar a formação de um novo sistema distribuído, constituído pelos computadores ligados 24 horas por dia, e fazer a gerência dos serviços compartilhados pelos computadores que compõem a rede. ARQUITETURA DE GESTÃO PSC A arquitetura do sistema de gerenciamento do PIMENTER é composta por quatro camadas: Filtro; Gerente; Particionador; Relacionador. A camada Filtro é responsável por fazer a seleção dos jobs (trabalhos) que podem ser processados na Floresta PIMENTER. A maneira como estas camadas estão dispostas é mostrada na Figura 03. As camadas contidas no bloco escalonador, correspondem ao PIMENTER Share Center, enquanto as camadas contidas no bloco ISSN 18088449
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superior filtro, correspondem ao portal PIMENTER. Situado acima do bloco filtro está o cliente outsourcing e abaixo do bloco escalonador está a Floresta PIMENTER.
Figura 03 – Visão Geral do Sistema (Fonte: MESQUITA et al., 2006) Filtro O bloco denominado filtro é responsável por receber, selecionar, armazenar e atribuir uma marcação para o trabalho submetido pelo cliente. O Filtro está subdividido em quatro camadas: Interface de entrada: Consiste em um portal Web onde o cliente efetua seu login e submete o trabalho, descrevendo suas características, para o sistema; Análise: Subdividida em duas partes (Seleção e Configurações Estáticas – CE). Faz a classificação do job segundo as regras estabelecidas nas CE; Marcação: Realiza a identificação dos jobs ao serem aceitos pelo sistema; Buffer: Armazena temporariamente as tarefas enviadas pelos clientes. Escalonador Escalonador é o bloco responsável por verificar constantemente o estado da Floresta PIMENTER e selecionar os PIMENTERs adequados para realizar o processamento requerido pelo Cliente Outsourcing. Dentre as funções do bloco escalonador estão as funções das camadas constituídas por este.
Gerente Esta camada é responsável por transportar o pacote job entre a camada filtro e o fragmentador, e também por adicionar ao pacote as informações de quantas unidades (units) o job deve ser dividido e quais os PIMENTERs adequados para processarem as units.
Fragmentador Este bloco consiste em uma camada intermediária entre o gerente e o relacionador, responsável pelo particionamento dos jobs. Através da informação fornecida anteriormente pelo gerente, o fragmentador particiona os jobs na quantidade de PIMENTERs informado.
Relacionador O relacionador corresponde à camada inferior do bloco Escalonador. Este é responsável por garantir que todas as units enviadas para a Floresta PIMENTER sejam processadas corretamente. A camada relacionadora também é responsável pela unificação das units processadas, resultando em um único job devolvido ao portal Web. ISSN 18088449
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Floresta Pimenter Denominação ao conjunto de computadores ligados 24 h por dia. Esta é formada pelo conjunto de computadores ligados 24 horas e pelo PSC Gerente, sendo este último responsável pelo total gerenciamento da “Floresta de PIMENTERs”. FUNCIONAMENTO DO PSC Paralelo a instalação do PIMENTER Intelligent Home, sistema para fazer o monitoramento e controle da casa inteligente, é também instalado no PC do usuário um agente do PSC denominado de PIMENTER Manager Control Center. Este agente funciona como uma “espécie” de porta de processamento das units enviadas do PIMENTER Gerente para o cliente. Além de servir como porta de processamento, é função também do agente verificar a cada intervalo de tempo o estado atual do PIMENTER identificando o status da freqüência do processador, memória disponível, nome do sistema operacional e se o PIMENTER está ocioso ou não. Estas informações são enviadas ao PIMENTER Gerente, através de um advertisement (aviso) na rede, para que o mesmo possa atualizar sua lista contendo o status de todos PIMENTERs on line na floresta. Ao iniciar a aplicação pela primeira vez, o usuário PIMENTER faz um registro de um login e uma senha. Uma vez efetuado o login, o PIMENTER une-se a um grupo padrão e recebe um ID (Identificador) único na rede para sua identificação e comunicação com o PSC Gerente e os demais PIMENTERs na floresta. Na figura 04 pode ser visualizado a tela de login do PIMENTER Manager Control Center.
Figura 04 – Tela de login do agente PIMENTER Manager Control Center. De acordo com o registro de cada PIMENTER junto a FP é feita a modelagem da comunidade, constituindo os grupos a partir das configurações de cada PIMENTER. Os grupos são formados para o posterior envio das tarefas que serão processadas. Por exemplo, um job submetido pelo cliente é filtrado verificando se é possível ou não executar o processamento do job em questão. Sendo possível, e se o job exigir alto desempenho da floresta, tempo máximo de processamento, robustez e paralelismo serão selecionados pelo PSC Gerente os PIMENTERs que poderão realmente atender a demanda do cliente em um tempo hábil. Como há uma lista atualizada periodicamente enviando as informações de todos PIMENTERs na floresta, estando estes ociosos ou não, o PSC Gerente selecionará o grupo formado por PIMENTERs com recursos computacionais ociosos que poderão dar um melhor desempenho para o processamento do job. Uma vez selecionado o grupo que fará o processamento, o job é enviado e, conseqüentemente, processado. Após o término do processamento é verificado se ocorreu alguma falha durante o processamento das units.
Resultados e Discussão A proposta do projeto PIMENTER fundamenta-se na perspectiva de transformar o computador pessoal, uma máquina ociosa em grande parte do seu tempo e de grande importância para o desenvolvimento sócio-econômico, em um dispositivo doméstico inteligente e de acesso remoto. Os resultados são novos e numerosos serviços aos usuários do PIMENTER estejam estes próximos ou distantes desta espécie de “new electronic slave”. (OLIVEIRA et al., 2006). ISSN 18088449
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O projeto também prevê a possibilidade de se ter eletrodomésticos cada vez mais “inteligentes” reforçando a idéia de agregar ao PIMENTER toda a automação de uma residência, ou de um escritório. É o caso do Ikan (IKAN,2008), um dispositivo que conectado ao computador, organiza a lista do supermercado, programa as encomendas e efetua a compra dos produtos que podem ser entregues na própria casa do usuário. Funções como acesso à distância ao sistema permitiria ao usuário um leque inimaginável de serviços, em especial no tocante a questão da segurança pessoal e de veículos através do PIH. Estes, disponíveis em empresas prestadoras deste serviço a um custo relativamente elevado. No PIMENTER, tal serviço seria mais barato e, principalmente, confidencializado, devido o usuário aproveitar-se de uma estrutura computacional que já se encontra em sua residência. Outro fator a se considerar é que com a oferta de recursos computacionais por parte de empresas e instituições, surge a possibilidade de “billing” a estas, uma vez que recursos ociosos podem ser disponibilizados para outras empresas e/ou pessoas que necessitem de poder de processamento para um melhor desempenho de suas tarefas. E por fim, o acesso as Tecnologias de Informação e Comunicação (TICs) uma vez que o cidadão fará um uso mais freqüente do computador, conseqüentemente, também à internet.
Conclusões Este artigo propôs o PIMENTER, um sistema que visa otimizar o uso de computadores pessoais objetivando aproveitar seus tempos ociosos no fornecimento de serviços cada vez mais essenciais no diaa-dia do cidadão comum, tais como monitoramento de ambiente físico (residência, empresa, etc.), monitoramento pessoal (saúde, agenda, etc.), segurança local, dentre outros serviços. Uma vez alcançado seu objetivo, o PIMENTER busca, mediante sua arquitetura de gestão, gerenciar os computadores ligados 24 horas por dia, disponibilizando o processamento de tais máquinas para outros fins. Desta forma, o PIMENTER ao agregar ao computador pessoal serviços como segurança residencial e monitoramento de sinais vitais, permitirá que um país como o Brasil, que busca seu crescimento e desenvolvimento sócio-econômico, use de maneira mais eficiente o computador pessoal, um equipamento de extrema importância para o desenvolvimento sócio-econômico do país. Diante desse trabalho foi evidenciado que para transformar o computador pessoal numa espécie de “robô estático” o uso da domótica é indispensável devido esta oferecer serviços facilmente adaptáveis ao computador pessoal e pelo fato desta tecnologia oferecer instrumentos que tornam os lares da população mais confortáveis, seguros, práticos e eficientes, assim como, contribui substancialmente para o atendimento à população de idade avançada e às pessoas portadoras de necessidades especiais.
Referências Bibliográficas (BOLZANI, 2004) BOLZANI, M.A.C. Residências Inteligentes. 1.ed. Editora Livraria de Física, 2004. 332p. (CPD, 2008) Cooperativa Pirambu Digital. Disponível em: < http://www.pirambudigital.com >. Acesso em: 25 de maio de 2008. (DANTAS, 2005) DANTAS, M. Computação Distribuída de Alto Desempenho – Redes, Clusters e Grids Computacionais. 2.ed. Excel, 2005. 288p. (IKAN,2008) Ikan Revolutionize your grocery shopping. Disponível em:https://www.ikan.net/Default.aspx. Acesso em: 26 de junho de 2008. (MESQUITA et al., 2006) MESQUITA, A. A. P.; ARAÚJO, C. A. T.; SOUZA, A. D.; Proposta de Arquitetura para o Projeto PIMENTER. Fortaleza: CEFET-CE, 2006.8 p. (OLIVEIRA, et al., 2006) OLIVEIRA, Mauro; Gonçalvez, Hairon; Franklin, Miguel; Andrade, Rossana. Pimenter: O computador 24 horas. Fortaleza: CEFET-CE, 2006. 46 p.
Agradecimentos
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