No desenvolvimento de sistemas com base em solu¸c˜oes ZigBee existem dois tipos de abor- dagem: utiliza¸c˜ao de transceptores RF ou m´odulos integrados. Na primeira abordagem, os n´ıveis de customiza¸c˜ao e flexibilidade s˜ao maiores e os custos de produ¸c˜ao, em larga escala, s˜ao reduzidos. No entanto, os custos de desenvolvimento s˜ao elevados. Na segunda abordagem, a principal vantagem ´e a diminui¸c˜ao do tempo de desenvolvimento. No entanto, para elevados volumes de produ¸c˜ao, esta solu¸c˜ao n˜ao ´e aconselh´avel porque se torna muito dispendiosa.
No ˆambito deste trabalho, devido aos prazos existentes, optou-se pela segunda abordagem. Na sec¸c˜ao seguinte ser˜ao analisados alguns m´odulos integrados ZigBee. Estes m´odulos s˜ao habitualmente constitu´ıdos por um transceptor RF e um microcontrolador que implementa a stack ZigBee. A comunica¸c˜ao entre o m´odulo e o meio exterior ´e efectuada por uma interface padr˜ao.
7.1.1 MaxStream XBee e XBee-Pro ZigBee OEM
Os m´odulos XBee e XBee-PRO da empresa americana MaxStream [58] s˜ao uma solu¸c˜ao integrada para comunica¸c˜oes ZigBee. As configura¸c˜oes de f´abrica permitem a sua utiliza¸c˜ao em diversas aplica¸c˜oes. A configura¸c˜ao de funcionalidades mais avan¸cadas ´e implementada
utilizando comandos AT [59].
A Tabela 7.1 apresenta as caracter´ısticas mais relevantes dos m´odulos XBee e XBee-PRO. Caracter´ıstica Descri¸c˜ao
Utiliza¸c˜ao
Pode operar como Full Function Device (FFD) ou Reduced Function Device (RFD) Suporta as topologias peer-to-peer, point-to-point, point-to-multipoint e mesh Antena chip, whip (”chicote”) ou conector RF U.FL.
Transceptor Freescale MC13193
Mem´oria 1
I/O 8 pinos GPIO e 6 entradas para ADC multiplexadas Interface Comandos AT / API / Transparente
Potˆencia de transmiss˜ao
[XBee] 0 dB [XBee-PRO] 18 dB
Consumo
[XBee] TX - 45 mA, RX - 50 mA, < 10 µA em modo Power Down [XBee-PRO] TX - 215 mA, RX - 55 mA, < 10 µA em modo Power Down Tens˜ao de alimenta¸c˜ao 2.8 - 3.4 V
Dimens˜oes f´ısicas
[XBee] 2.438 cm x 2.761 cm [XBee-PRO] 2.438 cm x 3.294 cm
Pre¸co
[XBee]$19 (USD) [XBee-PRO]$32 (USD)
Tabela 7.1: Caracter´ısticas dos m´odulos XBee e XBee-PRO
7.1.2 Radiocrafts RC2300
O m´odulo RC2300 da empresa norueguesa Radiocrafts [60] ´e muito compacto e especialmente desenvolvido para aplica¸c˜oes ZigBee.
A Tabela 7.2 apresenta as caracter´ısticas mais relevantes do m´odulo RC2300.
7.1.3 Freescale System in Package (SIP) MC13214
O m´odulo MC13214 da empresa americana Freescale [57] ´e constitu´ıdo pelo microcontrolador MC9S08GT e pelo transceptor MC1320x. O microcontrolador permite integrar a stack ZigBee e o transceptor foi desenvolvido de acordo com a especifica¸c˜ao IEEE 802.15.4.
A Tabela 7.3 apresenta as caracter´ısticas mais relevantes do m´odulo MC13214.
Dos m´odulos analisados, a escolha final para o desenvolvimento de prot´otipos ZigBee, reca´ıu sobre os m´odulos XBee e XBee-PRO da MaxStream. Os motivos que justificam esta escolha prendem-se com a variedade de solu¸c˜oes de hardware presentes no kit de desenvolvi- mento (Tabela 7.4), a facilidade de utiliza¸c˜ao destes m´odulos e com o custo reduzido devido ao programa de apoio a universidades da MaxStream.
Caracter´ıstica Descri¸c˜ao
Utiliza¸c˜ao
Pode operar como Full Function Device (FFD) ou Reduced Function Device (RFD) Suporta as topologias peer-to-peer, point-to-point, point-to-multipoint e mesh
Antena chip
Transceptor Texas Instruments CC2420
Mem´oria
FLASH - 128 KB RAM - 8 KB EEPROM - 4 KB
I/O
32 entradas/sa´ıdas digitais e anal´ogicas ADC de 10 bits e 8 canais
2 USART / SPI
Debug
Interface 1
Potˆencia de transmiss˜ao 0 dB
Consumo RX - 37 mA, TX - 30 mA ( < 10 µA em modo Power Down) Tens˜ao de alimenta¸c˜ao 2.8 - 3.4 V
Dimens˜oes f´ısicas 9 mmm x 9 mm
Pre¸co 1
Tabela 7.2: Caracter´ısticas do m´odulo RC2300
7.2
Testes de performance dos m´odulos XBee e XBee-PRO
Nesta sec¸c˜ao ser˜ao analisados os resultados dos testes efectuados ao alcance e autonomia dos m´odulos XBee e XBee-PRO da MaxStream.
7.2.1 Ensaios sobre o alcance
Para testar o alcance indoor m´aximo de cada m´odulo, foram efectuados v´arios ensaios expe- rimentais. Estes ensaios consistiram em medir a perda de sinal na sede da empresa Micro I/O, fazendo variar o tipo de m´odulo (XBee ou XBee-PRO) e o tipo de antena (chip, whip ou antena dipolo).
Todos os ensaios foram efectuados tendo por base o m´odulo XBee-PRO com a antena dipolo. Deste modo, garante-se que, trocando cada um dos m´odulos remotos, os resultados traduzem os valores m´aximos de alcance.
As perdas em dBm podem variar entre os valores -40 dBm (recep¸c˜ao ´optima de sinal) e -100 dBm (valor a partir do qual n˜ao ´e garantida a entrega dos pacotes). Em todos os testes foram enviados cerca de 40 pacotes, aguardando-se pelos respectivos acknowledges. A Tabela 7.5 e o gr´afico da Figura 7.1 representam os resultados obtidos. Na constru¸c˜ao do gr´afico apenas foram consideradas as primeiras cinco divis˜oes devido `a linearidade da distˆancia entre elas (o Corredor ´e a divis˜ao mais pr´oxima da esta¸c˜ao base e a Sala T´ecnica II a mais distante). Como esperado, da an´alise dos resultados apresentados verifica-se que, quanto maior for a distˆancia entre o m´odulo remoto e o m´odulo base, maior ´e a atenua¸c˜ao do sinal em dBm, o que implica a perda de tramas transmitidas. Entre os dois tipos de m´odulos testados (XBee e
Caracter´ıstica Descri¸c˜ao
Utiliza¸c˜ao
Pode operar como Full Function Device (FFD) ou Reduced Function Device (RFD) Suporta as topologias peer-to-peer, point-to-point, point-to-multipoint e mesh
Antena N˜ao Transceptor Freescale MC1320x Mem´oria FLASH - 60 KB RAM - 4 KB I/O 38 GPIO
1 porto de 8 bits para interrupts de teclado 1 ADC de 10 bits e 8 canais
2 interfaces de comunica¸c˜ao s´erie independentes (SCI)
Interface 1
Potˆencia de transmiss˜ao 3 dB
Consumo RX - 27 mA, TX - 30 mA ( 0.6 µA em modo Power Down) Tens˜ao de alimenta¸c˜ao 2.0 - 3.6 V
Dimens˜oes f´ısicas 12.7 mm x 25.4 mm Pre¸co $4.61 (USD) (> 1000)
Tabela 7.3: Caracter´ısticas do m´odulo MC13214
XBee-PRO), verifica-se que a perda de sinal ´e menor quando a comunica¸c˜ao ´e efectuada entre dois m´odulos XBee-PRO. Este facto deve-se `a maior potˆencia do sinal transmitido por parte dos m´odulos XBee-PRO. Comparando os diferentes tipos de antenas testados (chip, whip ou dipolo), considerando o m´odulo remoto como sendo um XBee, verifica-se que a antena chip ´e a que apresenta maiores perdas de sinal, seguida pela antena whip e a que apresenta menores perdas ´e a antena dipolo. A diferen¸ca de valores deve-se ao espectro de radia¸c˜oes de cada antena. Na antena whip e dipolo o espectro de radia¸c˜oes assemelha-se a um ”donut”. Por este motivo, a potˆencia do sinal emitido pelos m´odulos que usam este tipo de antenas ´e mais intensa no plano perpendicular `as antenas. Por outro lado, o padr˜ao de radia¸c˜oes da antena chip n˜ao ´e t˜ao uniforme como nos casos anteriores. Por este motivo, algumas orienta¸c˜oes apresentar˜ao menores perdas de sinal que outras.
As especifica¸c˜oes t´ecnicas dos m´odulos indicam que, para os m´odulos XBee e XBee-PRO, a sensibilidade de recep¸c˜ao do sinal que garante 1% de erros na entrega dos pacotes ´e, res- pectivamente, de -92 dBm e - 100 dBm. O n´ıvel de perda de sinal aconselh´avel para que o sistema funcione imune a ru´ıdos ´e de - 85 dBm. Os resultados obtidos est˜ao em conformidade com os ensaios efectuados pela MaxStream [61].
7.2.2 Ensaios sobre a autonomia
Para determinar o consumo energ´etico dos m´odulos ZigBee, foi utilizada a ferramenta Battery Life Calculator v.2.2 da MaxStream [62]. Esta ferramenta permite definir v´arios parˆametros como o tipo de m´odulo, tamanho das tramas transmitidas e dura¸c˜ao dos ciclos de utiliza¸c˜ao (sleep, idle/receive e transmit). Deste modo ´e poss´ıvel definir v´arios cen´arios de utiliza¸c˜ao para os m´odulos XBee e XBee-PRO.
Caracter´ıstica Descri¸c˜ao
Imagem do produto
Hardware inclu´ıdo 1 M´odulo XBee-PRO com antena ”chicote”integrada
1 M´odulo XBee-PRO com conector RF U.FL. (para antena RPSMA) 1 M´odulo XBee com antena chip
1 M´odulo XBee com antena ”chicote”integrada
1 M´odulo XBee-PRO com conector RF U.FL. (para antena RPSMA) 4 Placas de desenvolvimento RS-232
1 Cabo RS-232
1 Placa de desenvolvimento USB 1 Cabo USB
2 Antenas de 4.5”com conector RPSMA 4 Adaptadores 9V 1A
3 Portadores para pilhas de 9V 1 Adaptador s´erie loopback
1 Adaptador null modem (macho-macho) 1 Adaptador null modem (macho-fˆemea) 1 Manual de utilizador
2 Cabos RF assemblados (para as antenas RPSMA) Software inclu´ıdo API de desenvolvimento
Pre¸co $250 (USD) (Programa de Desconto Educacional)
Tabela 7.4: Kit de desenvolvimento da MaxStream
e regressariam ao estado idle/receive durante 16s. A alimenta¸c˜ao foi fornecida por uma t´ıpica bateria de 9V. Os consumos dos m´odulos, presentes nas Tabelas 7.6 e Tabela 7.7, foram obtidos ap´os medi¸c˜ao. Os valores de autonomia foram calculados usando a ferramenta da MaxStream.
Analisando os resultados, verifica-se que os dispositivos do tipo Coordinator e Router n˜ao possuem o estado Sleep. Este motivo deve-se `as fun¸c˜oes de gest˜ao da rede ZigBee (binding, routing, etc.) destes dispositivos que os obriga a estarem sempre ligados. Por isso, o n´umero de horas de funcionamento quando alimentados por uma pilha de 9V ´e muito reduzido. No caso dos dispositivos End device, devido `a utiliza¸c˜ao t´ıpica destes m´odulos (sensores, actuadores, etc.), o estado maiorit´ario em que estes dispositivos se encontram ´e o Sleep. Por isso, a autonomia pode chegar aos v´arios meses de utiliza¸c˜ao. Comparando a autonomia entre os m´odulos XBee e XBee-PRO, verifica-se que os m´odulos XBee tˆem uma autonomia superior devido ao menor consumo durante a transmiss˜ao.
M´odulo Antena
Perdas
Corredor Sala 1 Entrada Sala T´ecnica I Sala T´ecnica II Parque Administra¸c˜ao (4,7 m) (7,2m) (10,8 m) (15,3 m) (21,15 m) (13,5 m) (30,6 m) XBee chip -73 -79 -86 -1012 SMF4 -962 -983 whip -53 -61 -79 -982 -932 -85 -952 dipolo -55 -60 -79 -88 -96 -86 -982 XBee-PRO whip -40 -40 -61 -69 -73 -63 -75
Tabela 7.5: Perdas de sinal indoor para diferentes tipos de m´odulos e antenas
Figura 7.1: Gr´afico das perdas de sinal em fun¸c˜ao da distˆancia ao m´odulo base