Modelo de Relatório - lume.ufrgs.br .2.3 Introdução ao Modelo de Referência OSI 4 3 Descrição

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  • UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

    ESCOLA DE ENGENHARIA

    TRABALHO DE CONCLUSO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAO

    Projeto de uma Rede de Comunicao sem F io Baseada

    no Transceptor nRF24L01+ Voltada para S istemas de

    Automao Predia l

    Autor: Mateus Streit Giaretta

    Orientador: Carlos Eduardo Pereira

    Porto Alegre, julho de 14

  • Projeto de uma Rede de Comunicao sem Fio Baseada no Transceptor nRF24L01+ Voltada para Sistemas de Automao Predial

    ii

    Sumrio

    Sumrio ii

    Resumo iv

    Abstract v

    Lista de Figuras vi

    Lista de Tabelas vii

    Lista de Abreviaturas e Siglas viii

    1 Introduo 1

    1.1 Objetivo Geral 1

    1.2 Objetivos Especficos 2

    2 Reviso Bibliogrfica 3

    2.1 Anlise do Desempenho do Transceptor nRF24L01+ em um Cenrio com Mltiplas Transmisses 3

    2.2 Rede de Sensores Dividida em Clusters 4

    2.3 Introduo ao Modelo de Referncia OSI 4

    3 Descrio da Camada Fsica do Sistema Proposto 6

    3.1 Descrio dos Componentes 6

    3.1.1 Mdulo Integrado para o Componente nRF24L01+ 6 3.1.2 Microcontrolador Arduino Pro-Mini 6 3.1.3 Fontes de Alimentao 7

    3.2 Meio Fsico de Transmisso 8

    3.2.1 Taxa de Transmisso e Uso de Banda de Frequncia 8 3.2.2 Compartilhamento da Banda de Frequncia 9 3.2.3 Alcance de Transmisso 10

    4 Camada de Enlace 11

    4.1 Protocolo Enhanced Shockburst 11

    4.2 Biblioteca RF24 12

    4.3 Recepo de Dados 12

    4.4 Controle de Acesso ao Meio 13

    4.5 Mecanismo para Evitar Colises em Acesso ao Meio 15

    5 Camada de Rede 16

    5.1 Definio de Cluster 16

    5.2 Rede Dividida em Clusters 16

    5.3 Retransmisso de Mensagens entre Clusters 19

    5.3.1 Definio do Tamanho Mximo da Rede 19 5.3.2 Vetor de Alcance e Mapa de Rede 20 5.3.3 Mecanismo de Busca e Retransmisso 20 5.3.4 Construo e Atualizao do Mapa de rede 21

  • UFRGS Mateus Streit Giaretta iii

    6 Camada de Aplicao 22

    6.1 Estrutura da Mensagem 22

    6.1.1 Cabealho 22 6.1.2 Variveis 23 6.1.3 Comandos 24

    7 Resultados de Ensaios Realizados 25

    7.1 Ensaio de Comunicao Bidirecional entre Dois Componentes25

    7.2 Ensaio de Comunicao Interna ao Cluster 25

    7.3 Ensaio de Comunicao Entre Clusters 26

    7.4 Ensaio com o uso de Retransmisso de Mensagens 27

    7.5 Ensaio com o uso de componentes reais 28

    8 Concluses e Trabalhos Futuros 29

    9 Referncias 30

    10 Anexos 31

    10.1 Definies da Estrutura da Mensagem 31

    10.2 Funo que Escuta por Rudos no Canal 31

    10.3 Funo que Checa o Recebimento de Mensagens 32

    10.4 Funo que Escreve a Mensagem e Aguarda pela Resposta 32

    10.5 Funo que Escreve a Mensagem 33

    10.6 Funo que Escreve um Comando 33

    10.7 Funo que inicializa e Rotula Mensagem a ser Enviada 33

    10.8 Funo que Interpreta Mensagem Recebida 34

    10.9 Funo que Envia Mapa de Rede 36

    10.10 Funo que Mapeia Dispositivos ao Alcance 37

  • Projeto de uma Rede de Comunicao sem Fio Baseada no Transceptor nRF24L01+ Voltada para Sistemas de Automao Predial

    iv

    Resumo

    Este trabalho prope o desenvolvimento de uma estrutura de rede sem fio, composta por componentes de baixo custo, para aplicaes de automao. As estratgias desenvolvidas tm como objetivo otimizar as caractersticas da rede para atendimento dos requisitos das aplicaes alvo, em especial para a rea de automao residencial. Elas se baseiam no uso e na expanso das funcionalidades do rdio transceptor nRF24L01+, por meio da implementao de funes em um microcontrolador externo, definido como sendo um Arduino Pro-mini.

    Para evitar a ocorrncia de coliso entre mensagens determinada uma diviso hierrquica entre os ns da rede, com um mestre centralizando a comunicao com os demais dispositivos, tidos como escravos. Com o intuito de expandir o nmero de dispositivos e o alcance da rede, proposta uma estrutura de rede dividida em clusters e o uso de um mecanismo de roteamento. Adicionalmente, so definidas as interfaces de troca de dados entre os dispositivos, por meio de comandos de leitura e escrita de variveis compartilhadas. Ao final do trabalho so mostrados resultados de ensaios, que capacitam o sistema desenvolvido ao objetivo proposto de atuar em uma rede de automao residencial.

    Palavras Chave: transceptor nRF24L01+, hierarquia mestre-escravo, diviso em clusters, automao residencial

  • UFRGS Mateus Streit Giaretta v

    Abstract

    This project proposes the development of a framework for a wireless network, composed of low-cost components, for automation applications. The developed approaches are intended to optimize the network characteristics for home automation systems. The radio transceiver nRF24L01+ and an Arduino Pro-Mini were selected as target hardware and the required functions were developed in C.

    To avoid messages collision, a hierarchical network strategy was developed, following a master-slave pattern. In order to expand the number and range of the network devices, a cluster-based network division and a routing mechanism were proposed. In addition, to allow data exchange between devices a shared memory interface was defined. The developed ideas were experimentally validated and the obtained results are shown in the last part of this report.

    Keywords: nRF24L01 + transceiver, master-slave hierarchy, clustering division, home automation

  • Projeto de uma Rede de Comunicao sem Fio Baseada no Transceptor nRF24L01+ Voltada para Sistemas de Automao Predial

    vi

    Lista de F iguras

    Figura 1 Perda de Pacotes em Diferentes Cenrios de Rede - Traduzido pelo autor de figura em (Christ et al., 2011) ................................................................................................ 3

    Figura 2 - Diviso em clusters - Fonte: (Urdiain et al., 2012) ................................................ 4

    Figura 3 Camadas do modelo de Referncia OSI Fonte: (Redes da Organizao Profibus, 2004) ...................................................................................................................... 5

    Figura 4 Diagrama eltrico e placa do mdulo nRF24L01+ - Fonte: (Nordic, 2007) ......... 6

    Figura 5 Placa Arduino Pro-Mini Fonte: (Arduino, 2014) ................................................ 7

    Figura 6 Circuito Regulador de Tenso - Fonte: Autor ...................................................... 7

    Figura 7 Utilizao de banda de sistemas sem fio operando na banda ISM de 2,4 GHz Fonte: Traduo de figura contida em (Gerrior e Woodings, 2006) ..................................... 9

    Figura 8 Diagrama de tempo para transmisso de dados Fonte Autor ........................ 11

    Figura 9 - Formato do Pacote Fonte: (Nordic, 2007) ........................................................ 12

    Figura 10 Topologia da organizao hierrquica de mestre e escravo Fonte: Autor .... 14

    Figura 11 Diagrama de tempo para um ciclo de comunicao Fonte: Autor ................ 14

    Figura 12 Topologia de rede dividida em clusters Fonte: Autor ................................... 17

    Figura 13 Diagrama de tempo para comunicao entre clusters Fonte: Autor ............ 18

    Figura 14 Topologia de rede com mecanismo de retransmisso entre ns mestres Fonte: Autor ......................................................................................................................... 19

    Figura 15 Diagrama de tempo de uma mensagem retransmitida por um cluster intermedirio Fonte: Autor .............................................................................................. 21

    Figura 16 Estrutura da mensagem de dados Fonte: Autor ........................................... 22

    Figura 17 Campo FLAGS Fonte: Autor ........................................................................... 23

    Figura 18 Varivel comando Fonte: Autor ..................................................................... 24

    Figura 19 Exemplos de interpretao de comandos Fonte: Autor ................................ 24

    Figura 20 Medida de latncia para ensaio com mltiplos dispositivos Fonte: Autor ... 26

    Figura 21 Latncia em comunicao interna e externa ao cluster Fonte: Autor .......... 27

    Figura 22 Latncia de uma mensagem retransmitida entre clusters Fonte: Autor ...... 28

  • UFRGS Mateus Streit Giaretta vii

    Lista de Tabelas

    Tabela 1 Uso de Banda de Frequncia nRF24L01+ - Traduzido pelo autor a partir de tabela contida em (Nordic, 2007) .......................................................................................... 8

    Tabela 2 Tipos de Variveis a serem trocadas Fonte (Brooks, 1999) ............................ 24

    Tabela 3 Ensaio de Comunicao Bilateral Fonte Autor................................................ 25

  • Projeto de uma Rede de Comunicao sem Fio Baseada no Transceptor nRF24L01+ Voltada para Sistemas de Automao Predial

    viii

    Lista de Abreviaturas e Siglas

    SPI Interface Perifrica Serial

    OSI - Open Systems Interconnection

    ISO International Organization for Standardization

    PWM Modulao por Largura de Pulso

    GFSK - Gaussian Frequency Shift Keying

    ISM Industrial Scientific and Medical

    TX Transmissor

    RX Receptor

    ACK Pacote de Reconhecimento de Mensagem

    CRC Verificao Cclica de Redundncia

    FLAGS Bits de Configurao

    RETR Bit de Configurao de Retransmisso

    MAP Bit de Configurao de Mapeamento

    RESP Bit de Configurao de Resposta

    DATA - Bit de Configurao de Troca de Dados

    BOOL Varivel Booleana

    INT Varivel Intei