Para o sistema de comunicação foi utilizado um nó sensor XBee, que emprega o protocolo ZigBee para transmissão de dados.
4.2.2.1 Rádio XBee
Este rádio é produzido pela empresa Digi International [63], que disponibiliza quatro tipos de módulos, como mostra a Figura 4.4.
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Figura 4.4-Módulos XBee e antenas disponíveis. (a) conector UFL; (b) antena chip; (c) conector RPSMA; (d) antena whip
As principais características dos módulos, são[63]: taxa de transferência de dados até 250 Kbp; gama de alimentação entre 2,1 V a 3,7 V potência de transmissão de saída baixa; frequência de operação de 2,4 GHz; sensibilidade do receptor: -96 dBm; baixo custo;
pequenas dimensões;
variedade de antenas e conectores;
Neste projecto foi utilizado o XBee o qual é fornecido com firmware ZNet 2.5, que possui vinte pinos (Anexo C). Foram utilizados os pinos: 1(VCC), 2(Tx), 3(Rx) e 10(GND).
O pino 1 foi utilizado para alimentar o módulo a 3,3 V. Os pinos 2 e 3 foram utilizados para realizar a comunicação ente o XBee e o microcontrolador através de uma interface UART.O pino 10 é a ligação à massa do sistema.
Estes módulos podem operar de duas formas diferentes na rede: o modo
transparente (AT) e modo API (Application Programming Interface).
No modo transparente os dados recebidos na UART pelo pino RX são colocados numa fila para serem transmitidos por rádio frequência, enquanto os dados recebidos do canal de rádio frequência serão transmitidos através do pino TX. Neste modo, a forma de recepção e transmissão de informação é a mesma que numa comunicação série padrão RS232. Estes módulos possuem buffers para a transmissão e recepção, para garantir um melhor desempenho na comunicação [63].
Em relação ao modo API, a informação (recebida e transmitida) é inserida em tramas (Figura 4.5). Estas podem descrever operações dentro do módulo. Este modo permite configurar a identificação da fonte e a identificação do destino. Por este motivo, foi escolhido este tipo de operação para os nós desenvolvidos neste trabalho.
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Figura 4.5 – Estrutura da frame em modo de operação API [63].
A Figura 4.5, mostra os campos constituintes de uma trama (frame) em modo API. O primeiro campo Start Dilimiter define o início da mensagem. Em relação ao campo
Length, especifica o comprimento da mensagem, através do bit mais significativo (MSB) e
o bit menos significativo (LSB). O Frame Data é composto por um API Identifier e o
Identifier Espefic Data. O primeiro indica o tipo de mensagem que é apresentada no campo Identier Especific Data. O Checksum é o byte responsável pela verificação da integridade
da mensagem [63]. Neste trabalho o campo API Identifier foi colocado com o valor de identificação 10, que corresponde apenas ao envio de mensagem para a rede, podendo ser enviados 72 bytes por pacote.
4.2.2.2 Protocolo ZigBee
Este protocolo foi desenvolvido pela ZigBeeTM Alliance, no ano de 2002. Como se
trata de uma tecnologia recente, a sua apresentação ao público foi feita em 27 de Julho de 2005. A empresa responsável por este protocolo é constituída por 200 empresas provindas de mais de 20 países diferentes, em conjunto com membros da IEEE (Institute of Electric
and Electronic Engineers) [64].
Este protocolo foi essencialmente desenvolvido para realizar a transmissão de dados, possuindo as seguintes características [64]:
baixo consumo energético;
suporte de diferentes topologias de rede: estrela (star), malha (mesh) ou árvore (cluster tree);
espalhamento espectral por sequência directa;
capacidade de suportar um elevado número de nós por rede (cada rede pode suportar até 65535 nós);
tempo de ligação à rede, menor que nos outros protocolos, diminuindo a taxa de latência;
dois estados de operação: active para envio e recepção de dados e sleep para as restantes funções;
dois modos de operação na rede: Beacon e non-beacon;
suporte de três dispositivos lógicos: coordinator (coordenador), router e end-
divice;
elevada fiabilidade;
Os protocolos da camada física e da camada de controlo de acesso da IEEE 802.15.4 foram a base do padrão do protocolo ZigBee.
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Frequências de operação do ZigBee
O referido protocolo opera segundo as bandas atribuídas ao ISM (Industrial,
Scientifical and Medical). Estas três bandas não requerem licenciamento. As bandas
são[64]:
2400 – 2483,5 MHz (banda dos 2,4 GHz). 902 – 928 MHz (banda dos 915 MHz); 868 – 868,6 MHz (banda dos 868 MHz);
As duas primeiras gamas de frequências são utilizadas nos Estados Unidos e, enquanto a última é utilizada no continente Europeu. As especificações de cada banda são apresentadas na Tabela 4.2
Tabela 4.2 – Comparação entre as bandas de frequências utilizadas no protocolo ZigBee. Bandas de Comunicação Taxa de transmissão Nº de canais disponíveis Tipo de modulação 868 – 868,8 MHz 20 Kbps 1 BPSK 902 – 928 MHz 40 Kbps 10 BPSK 2,400-2,4835 GHz Máx: 250 Kbps Utilizada: 125 Kbps 16 O-QPSK
Pode-se ver que para uma maior frequência de operação, maior é a taxa de transmissão e o número de canais disponíveis.
Tipos de dispositivos
Para uma rede de sensores sem fios segundo o padrão IEEE 802.15.4 são atribuídos dois tipos de dispositivos: Full Function Divices (FFDs) e Reduced Function Divices (RFDs). Um dispositivo FFD aceita e executa qualquer função do protocolo IEEE 802.15.4. Um RFD possui funções limitadas, isto é, só pode comunicar um dispositivo FFD [64].
O coordenador (FFD) é responsável pela formação da rede ZigBee, sendo um dispositivo fundamental em todas as redes, tem por função estabelecer um canal de operação e um número lógico para o desenvolvimento da rede. Após a rede formada, este componente permite a integração dos restantes elementos da rede, passando posteriormente a router[64].
O router (FFD) é um nó responsável pela criação ou manutenção das informações sobre a rede. Desta forma, tem a função de encaminhar os dados pela melhor trajectória. Permitem a integração dos end-devices na rede [64].
Um end-device só pode interagir com o router ou coordenador na rede. Só transmite e recebe dados, não possuindo capacidade para redireccionar informação [64].
Topologia da Rede
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Figura 4.6- Topologias de uma rede ZigBee [65].
Na topologia em malha, o coordenador e o router podem comunicar entre si, mas só os routers podem comunicar com os end-device. Assim, permite um maior alcance da rede. O coordenador gere e regista a entrada e saída de elementos na rede .
Na topologia em estrela é o coordenador que gere a rede, sendo o elemento central da comunicação, isto é, ele comunica com todos os dispositivos. Todos os pacotes de dados na rede têm de passar por ele obrigatoriamente [66].
No que diz respeito à topologia em árvore, esta assume uma distribuição de dados hierárquica, não existindo comunicação entre routers [66].
Modos de operação
Como já foi apresentado o ZigBee pode operar em dois modos: beacon e non-
beacon.
O modo beacon sugere uma organização da rede, isto é, os dispositivos sabem quando comunicar uns com os outros. O coordenador é responsável pelo envio de uma mensagem de sinalização (beacon) para os restantes dispositivos da rede. Esta mensagem, vai desencadear o “acordar” dos dispositivos da rede, que verificam se têm alguma mensagem a receber. Em caso negativo, o dispositivo volta a “adormecer” [67].
No modo non-beacon não existe uma coordenação de rede. Cada elemento da rede pode estabelecer comunicação com o coordenador, quando assim desejar. Este modo de operação implica um maior consumo da rede, tendo em conta que o coordenador tem de estar sempre no estado activo [67].