UNIVERSIDADE FEEVALE

MARINO TRISCH

ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE APLICAES UTILIZANDO OS PROTOCOLOS IEEE 802.15.4 E ZIGBEE

Novo Hamburgo 2011

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MARINO TRISCH

ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE APLICAES UTILIZANDO OS PROTOCOLOS IEEE 802.15.4 E ZIGBEE

Trabalho de Concluso de Curso apresentado como requisito parcial obteno do grau de Bacharel em Engenharia Eletrnica com nfase em Telecomunicaes pela Universidade Feevale.

Orientador: Prof. Me. Ewerton Artur Cappelatti

Novo Hamburgo 2011

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Dedico este trabalho a minha famlia, em especial aos meus pais Nadir e Zulma, exemplo de vida com respeito e honestidade que me guiaram por caminhos corretos, e s minhas irms Cristina e Simone por tudo que me ajudaram at hoje. Agradeo a eles a pessoa que me tornei e o estmulo recebido ao longo desta caminhada.

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O sucesso nasce do querer, da determinao e persistncia em se chegar a um objetivo. Mesmo no atingindo o alvo, quem busca e vence obstculos, no mnimo far coisas admirveis. Jos de Alencar

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AGRADECIMENTOS

Meus agradecimentos:

- Aos meus pais e irms que no mediram esforos para que eu chegasse at esta etapa de minha vida.

- Ao professor, amigo e orientador Ewerton por seu apoio e colaborao no amadurecimento dos meus conhecimentos que resultaram na elaborao deste trabalho.

- Aos amigos que conquistei durante o curso e colegas de trabalho com quem me relacionei at aqui e troquei muitas experincias profissionais.

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RESUMO

Este trabalho apresenta o estudo e a aplicao prtica de um padro de comunicao de redes sem fio: o ZigBee, cuja criao uma alternativa para controle de redes locais de pequeno alcance. Uma tecnologia relativamente simples, que utiliza um protocolo de pacotes de dados com caractersticas especficas, oferecendo flexibilidade quanto aos tipos de dispositivos que pode controlar.

O trabalho conta com estudo terico do protocolo IEEE 802.15.4, que a base do ZigBee, como tambm o protocolo ZigBee propriamente dito, o estudo da programao dos dispositivos XBee e o emprego dos dispositivos j programados em aplicaes de automao, principalmente industriais, apesar do padro ter sido criado para atender necessidades de automao residencial em primeiro propsito.

Palavras chave: IEEE 802.15.4 - ZigBee - XBee - Wireless

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ABSTRACT

This paper presents the study and practical application of a communication standard for wireless networks: the ZigBee, which is an alternative to control short-range local area networks. This is a relatively simple technology that uses protocol data packets with specific characteristics, providing flexibility in the types of devices it can control.

The study includes theoretical study of the IEEE 802.15.4 protocol, which is the basis of ZigBee, as well as the ZigBee protocol itself, the programming study of the XBee devices and the use of the devices already programmed in automation applications, specially the industrial ones, despite of the fact that the standard has been created to meet the requirements of the home automation in the first purpose.

Keywords: IEEE 802.15.4 - ZigBee - Xbee - Wireless

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Histrico dos padres IEEE 802.15.4 e ZigBee. ....................................... 25 Figura 2 - Logotipo ZigBee Alliance. ......................................................................... 28 Figura 3 - Logotipo das empresas Promoters da ZigBee Alliance. ............................ 28 Figura 4 - Participants ZigBee Alliance. .................................................................... 29 Figura 5 - Adopters ZigBee Alliance .......................................................................... 30 Figura 6 - Modelo ISO / OSI ...................................................................................... 31 Figura 7 - Espectro de frequncias da banda 2.4GHz .............................................. 32 Figura 8 - Modulao dos sinais das tecnologias wireless ........................................ 34 Figura 9 - Canais das faixas de frequncia do padro IEEE 802.15.4 ...................... 35 Figura 10 - Quadro de sincronizao entre dispositivos ............................................ 36 Figura 11 - Quadro de transmisso das informaes ................................................ 37 Figura 12 - Quadro de detalhamento do direcionamento .......................................... 38 Figura 13 - Estrutura superframe .............................................................................. 40 Figura 14 - Transferncia com Beacon do dispositivo para o coordenador .............. 41 Figura 15 - Transferncia com Beacon do coordenador para um dispositivo ........... 41 Figura 16 - Transferncia sem Beacon do coordenador para um dispositivo ........... 42 Figura 17 - Transferncia sem Beacon de um dispositivo para o coordenador......... 43 Figura 18 - Localizao das bandas ISM .................................................................. 43 Figura 19 - Modulao BPSK .................................................................................... 45 Figura 20 - Comparao entre modulaes (QPSK e O-QPSK) ............................... 46 Figura 21 - Arquitetura de protocolos ZigBee ............................................................ 50 Figura 22 - Quadro de detalhamento NWK ............................................................... 51 Figura 23 - Quadro de detalhamento APL ................................................................. 52 Figura 24 - Representao da topologia Estrela ....................................................... 54 Figura 25 - Representao da topologia Malha......................................................... 55 Figura 26 - Representao da topologia rvore ........................................................ 55 Figura 27 - Diagrama de irradiao da antena tipo Chip ........................................... 60 Figura 28 - Diagrama de irradiao da antena tipo Whip .......................................... 61 Figura 29 - Mdulos XBee Srie 1 e os tipos de antena ........................................... 64 Figura 30 - Dimenses dos mdulos XBee ............................................................... 65 Figura 31 - Dimenses dos mdulos XBee-PRO ...................................................... 66

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Figura 32 - Comunicao serial padro RS-232 ....................................................... 67 Figura 33 - Estrutura do frame de dados no modo API ............................................. 68 Figura 34 - Formato dos comandos AT ..................................................................... 69 Figura 35 - Placa CON-USBEE fornecida pela RogerCom ....................................... 69 Figura 36 - Detalhe das funes da placa CON-USBEE ........................................... 70 Figura 37 - Mdulos XBee Wi-Fi ............................................................................... 73 Figura 38 - Placa adaptadora PROTO-BEE .............................................................. 77 Figura 39 - Placa de prototipao INT705 ................................................................. 78 Figura 40 - Opto acoplador 4N25 .............................................................................. 79 Figura 41 - Porta lgica NOT..................................................................................... 80 Figura 42 - Porta lgica OR ....................................................................................... 80 Figura 43 - Componentes que compem uma ponte rolante .................................... 84 Figura 44 - Circuito transmissor da ponte rolante ...................................................... 85 Figura 45 - Circuito receptor da ponte rolante ........................................................... 86 Figura 46 - Cabealho inicial do aplicativo X-CTU .................................................... 87 Figura 47 - Procedimento para garantir o modo default do mdulo .......................... 88 Figura 48 - Configurao do XBee Transmissor ....................................................... 88 Figura 49 - Configurao do XBee Receptor............................................................. 89 Figura 50 - Montagem do circuito transmissor em matriz de contatos ...................... 90 Figura 51 - Montagem do circuito receptor em matriz de contatos ............................ 91 Figura 52 - Circuito de potncia entre o inversor e o motor ...................................... 92 Figura 53 - Circuito Receptor conectado ao inversor de frequncia .......................... 93 Figura 54 - Circuito transmissor de acionamento do motor ....................................... 94 Figura 55 - Cabealho inicial do aplicativo X-CTU .................................................... 96 Figura 56 - Procedimento para garantir o modo default do mdulo .......................... 97 Figura 57 - Configurao do XBee Transmissor ....................................................... 97 Figura 58 - Configurao do XBee Receptor............................................................. 98 Figura 59 - Montagem do circuito Transmissor em matriz de contatos ..................... 99 Figura 60 - Montagem do circuito Receptor em matriz de contatos ........................ 100 Figura 61 - Montagem final da implementao de acionamento de motor .............. 101 Figura 62 - Mdulo Coordenador na CON-USBEE, conectada ao computador ...... 102 Figura 63 - Comunicao serial entre ZigBee e microcontrolador ........................... 102 Figura 64 - Montagens dos circuitos Roteador e Dispositivo Final .......................... 103 Figura 65 - Circuito eletrnico do Roteador e Dispositivo Final ............................... 104

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Figura 66 - Topologia estrela e a configurao dos mdulos .................................. 105 Figura 67 - Topologia estrela e a configurao dos mdulos .................................. 106 Figura 68 - Acionamento remoto da sada D2 do Roteador .................................... 106 Figura 69 - Erro durante a gravao dos mdulos XBee ........................................ 107 Figura 70 - Resoluo ANATEL n 497. .................................................................. 115 Figura 71 - Tabela de Referncias dos mdulos RF Digi ........................................ 116 Figura 72 - Configurao interna do mdulo XBee-PRO. ....................................... 117

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LISTA DE GRFICOS

Grfico 1 - Classificao das tecnologias wireless .................................................... 57 Grfico 2 - Comparativo de tecnologias wireless ...................................................... 58

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Bandas de frequncia e taxa de dados .................................................... 34 Tabela 2 - Principais diferenas entre tecnologias wireless ...................................... 58 Tabela 3 - Pinagem dos mdulos XBee .................................................................... 62 Tabela 4 - Parmetros dos Mdulos XBee ................................................................ 71 Tabela 5 - Comparao entre mdulos XBee ........................................................... 72 Tabela 6 - Tabela dos Parmetros configurados no inversor de frequncia ............. 95

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

A - Microampres

s - Microssegundos

ACK - Acknowledgment

AES - Advanced Encryption Standard

AIEE - American Institute of Electrical Engineers

ANATEL - Agncia Nacional de Telecomunicaes

AP - Access Point

API - Application Programming Interface

bps - Bits por segundo

BPSK - Binary-Phase-Shift Keying

BWMAN - Broadband Wireless Metropolitan Area Networks

CAP - Contention Access Period

CCA - Clear Channel Assessment

CFP - Contention Free Period

CLP - Controlador Lgico programvel

cm - Centmetros

CRC - Cyclic Redundancy Check

CSMA-CA - Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

dBm - Decibl miliwatt

DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum

ED - Energy Detection

FCC - Federal Communications Commission

FCS - Frame Check Sequence

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FFD - Full Function Device

FL - Frame Length

GHz - Giga-hertz

GTS - Guaranted Time Slots

HART - Highway Addressable Remote Transducer

IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers

IFS - Interframe Space

IP - Internet Protocol

IRE - Institute of Radio Engineers

ISM - Industrial Scientific and Medical

ISO - International Standard Organization

Kbps - Kilobits por segundo

LAN - Local Area Network

LED - Light Emitting Diode

LQ - Link Quality

mA - Miliampres

MAC - Medium Access Control

MHz - Mega-hertz

mm - Milmetros

NIST - National Institute of Standards and Technology

O-QPSK - Offset Quadrature Phase Shift Keying

OSI - Open System Interconnection

PAN - Personal Area Network

PCI - Placa de Circuito Impresso

PDU - Protocol Data Units

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PS - Preamble Sequence

PSDU - PHY Service Data Unit

PSK - Phase Shift Keying

PWM - Pulse Width Modulation

RF - Radiofrequncia

RFD - Reduced Function Device

RSSI - Received Signal Strength Indicator

SFD - Start of Frame Delimiter

SHR - Synchronization Header

USB - Universal Serial Bus

V - Volt

Wi-Fi - Wireless Fidelity

WLAN - Wireless Local Area Network

WPAN - Wireless Personal Area Network

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SUMRIO

INTRODUO .......................................................................................................... 22

1 FUNDAMENTAO TERICA ............................................................................ 24 1.1 HISTRICO .................................................................................................... 24 1.2 ORGANIZAO IEEE .................................................................................... 26 1.3 ZIGBEE ALLIANCE ........................................................................................ 27 1.4 DEFINIO DO MODELO ISO / OSI ............................................................. 30 1.5 PROTOCOLO 802.15.4 .................................................................................. 31

1.5.1 Camada Fsica (PHY) ............................................................................ 33 1.5.1.1 Sincronizao entre dispositivos ................................................ 36

1.5.2 Camada MAC ......................................................................................... 37 1.5.2.1 Transferncia de dados com Beacon ......................................... 40 1.5.2.2 Transferncia de dados sem Beacon ......................................... 42

1.5.3 Bandas ISM ............................................................................................ 43 1.5.4 Modulao .............................................................................................. 44

1.5.4.1 Modulao BPSK ....................................................................... 44 1.5.4.2 Modulao O-QPSK ................................................................... 45

1.5.5 Segurana .............................................................................................. 46 1.5.6 Tempo de Transmisso .......................................................................... 47

1.6 PADRO ZIGBEE .......................................................................................... 49 1.6.1 Camada de rede (NWK) ......................................................................... 51 1.6.2 Camada de aplicao (APL)................................................................... 52 1.6.3 Dispositivos ZigBee ................................................................................ 52

1.6.3.1 Dispositivos Fsicos .................................................................... 52 1.6.3.2 Dispositivos Lgicos ................................................................... 53

1.6.4 Topologias ZigBee ................................................................................. 54 1.6.4.1 Topologia Estrela ....................................................................... 54 1.6.4.2 Topologia Malha ......................................................................... 54 1.6.4.3 Topologia rvore ........................................................................ 55

1.7 DIFERENA ENTRE OS PROTOCOLOS ...................................................... 56 1.8 ZIGBEE E OUTROS PADRES WIRELESS ................................................. 56 1.9 TIPOS DE ANTENAS ..................................................................................... 59

1.9.1 Diagrama de irradiao .......................................................................... 59 1.9.1.1 Antena tipo Chip ......................................................................... 59 1.9.1.2 Antena tipo Whip ........................................................................ 60 1.9.1.3 Conector U.FL e RPSMA ........................................................... 61

2 MDULOS XBEE ................................................................................................. 62 2.1 MDULOS XBEE 802.15.4 (SRIE 1) ........................................................... 63

2.1.1 Principais caractersticas ........................................................................ 63 2.2 MDULOS XBEE ZB (SRIE 2) .................................................................... 65

2.2.1 Principais caractersticas ........................................................................ 65 2.2.2 Modos de operao ................................................................................ 67

2.2.2.1 Modo transparente ..................................................................... 67 2.2.2.2 Modo API ................................................................................... 67

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2.3 CONFIGURAO DOS MDULOS XBEE .................................................... 68 2.3.1 Comandos AT ........................................................................................ 68 2.3.2 Placa CON-USBEE ................................................................................ 69 2.3.3 Parmetros Configurveis nos Mdulos XBee ....................................... 70

2.4 COMPARAO ENTRE MDULOS XBEE ................................................... 72 2.5 MDULOS XBEE WI-FI ................................................................................. 73 2.6 MDULO XBEE INTERNAMENTE ................................................................ 74 2.7 NOO DE COMANDOS API ........................................................................ 74

3 PLACAS ADAPTADORAS E CIRCUITOS INTEGRADOS .................................. 77 3.1 PLACA PROTO-BEE ...................................................................................... 77 3.2 PLACA DE PROTOTIPAO ......................................................................... 78 3.3 OPTO ACOPLADOR 4N25 ............................................................................. 79 3.4 PORTAS LGICAS ........................................................................................ 79

3.4.1 Porta lgica NOT .................................................................................... 80 3.4.2 Porta lgica OR ...................................................................................... 80

4 JUSTIFICATIVA DO TRABALHO ........................................................................ 81

5 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO ............................................................... 82 5.1 PONTE ROLANTE ......................................................................................... 82

5.1.1 Componentes de uma ponte rolante ...................................................... 83 5.1.2 Circuitos eletrnicos ............................................................................... 84

5.1.2.1 Circuito Transmissor .................................................................. 84 5.1.2.2 Circuito Receptor........................................................................ 85

5.1.3 Configurao dos mdulos XBee ........................................................... 87 5.1.3.1 Configurao do XBee Transmissor ........................................... 87 5.1.3.2 Configurao do XBee Receptor ................................................ 88

5.1.4 Montagem dos circuitos em matrizes de contatos .................................. 89 5.1.4.1 Montagem do circuito com XBee Transmissor ........................... 90 5.1.4.2 Montagem do circuito com XBee Receptor ................................ 91

5.2 ACIONAMENTO REMOTO DE MOTOR ........................................................ 91 5.2.1 Circuitos eletroeletrnicos ...................................................................... 92

5.2.1.1 Circuito de Potncia ................................................................... 92 5.2.1.2 Circuito de comando controlado ................................................. 93 5.2.1.3 Circuito Remoto de Controle ...................................................... 93

5.2.2 Configurao do Inversor de Frequncia ............................................... 94 5.2.3 Configurao dos Mdulos XBee ........................................................... 96

5.2.3.1 Configurao do XBee Transmissor ........................................... 96 5.2.3.2 Configurao do XBee Receptor ................................................ 97

5.2.4 Montagem dos circuitos em matrizes de contatos .................................. 98 5.2.4.1 Montagem do Circuito com XBee Transmissor .......................... 98 5.2.4.2 Montagem do Circuito com XBee Receptor ............................... 99 5.2.4.3 Montagem Final........................................................................ 100

5.3 IMPLEMENTAO DE REDE ZIGBEE ESTRELA ...................................... 101 5.3.1 Configurao e montagem ................................................................... 103

5.3.1.1 Circuitos controlados ................................................................ 103 5.3.1.2 Configurao dos mdulos ....................................................... 104 5.3.1.3 Aplicativo MeshBee .................................................................. 105

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5.4 DIFICULDADES ENCONTRADAS ............................................................... 107 5.4.1 Travamento de mdulos ....................................................................... 107 5.4.2 Interferncia entre redes XBee ............................................................. 108

CONSIDERAES FINAIS E TRABALHOS FUTUROS ....................................... 109

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ....................................................................... 110

BIBLIOGRAFIA ................................................ ERRO! INDICADOR NO DEFINIDO.

GLOSSRIO ........................................................................................................... 112

ANEXOS ................................................................................................................. 114 Anexo A - Resoluo ANATEL n 497 .................................................................. 115 Anexo B - Tabela de Referncias dos mdulos RF Digi....................................... 116 Anexo C - Configurao Interna do Mdulo XBee-PRO ....................................... 117

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INTRODUO

crescente a procura por solues na rea de topologias sem fio (wireless), em substituio s redes com cabeamento convencional, vislumbrando ampliao ou melhoria de uma rede j existente.

Os recentes progressos das tecnologias de redes sem fio permitiram o surgimento de diversas alternativas e padres de implementao, porm a maioria tinha como prioridade principal disponibilizar um conjunto de protocolos que assegurassem a qualidade da transmisso de dados ou de voz com altas taxas de transferncia, inviabilizando o uso em aplicaes mais simples devido ao custo elevado dos equipamentos.

Atualmente poucos so os protocolos de redes sem fio aplicadas redes locais utilizando sensores e outros dispositivos de controle. Existem sistemas proprietrios criados para atender redes especficas, como as redes industriais, onde o emprego de sensores (gases, temperatura, umidade) e dispositivos de controle (chaves, opto acopladores, rels, transistores) no necessita de uma largura de banda elevada para funcionarem, porm necessitam de uma latncia1 e consumo baixo de energia para preservarem a vida til das baterias.

O foco das redes wireless comerciais se concentra nas redes Wireless Local Area Network (WLANs), destinadas interligao de redes locais com alcance entre 100 e 300 metros, tanto em solues proprietrias como nos padres desenvolvidos pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Com o progresso das tecnologias das redes sem fio, estas passaram a atender no s aplicaes corporativas mais sofisticadas como tambm aquelas envolvendo pequeno volume de dados que demandam baixas taxas de transmisso como, por exemplo, o controle de equipamentos eletroeletrnicos.

Em paralelo, outras tecnologias tm sido utilizadas tambm com o propsito de possibilitar a comunicao pessoal e o controle de dispositivos diversos para atender exigncias especficas, so as chamadas Wireless Personal Area Network

1 Diferena de tempo entre o incio de um evento e o momento em que seus efeitos tornam-se

perceptveis.

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(WPANs), destinadas interligao de redes locais wireless de pequeno alcance, entre 10 e 100 metros.

Resumidamente, as WPANs tm propsito de permitir o controle remoto de automao residencial e equipamentos domsticos.

Dentro do grupo de redes locais para aplicaes pessoais possibilitando o gerenciamento e o controle desses dispositivos est uma das tecnologias mais recentes: o padro ZigBee, que foi criado como uma alternativa para redes de comunicao que no necessitem de solues mais complexas para seu controle, reduzindo consideravelmente os custos desde a aquisio dos equipamentos at a instalao dos mesmos. Uma tecnologia relativamente simples, que utiliza um protocolo de pacotes de dados com caractersticas especficas, oferecendo flexibilidade quanto aos tipos de dispositivos que pode controlar.

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1 FUNDAMENTAO TERICA

A comunicao sem fio, do ingls wireless, vem apresentando constante evoluo tecnolgica nos ltimos anos e disponibiliza atualmente inmeras alternativas perante redes cabeadas convencionais, cada uma delas orientada aplicaes distintas.

Buscando a continuidade da evoluo das comunicaes wireless, a tecnologia ZigBee alia confiabilidade aplicaes especficas com baixa potncia de operao, visando o baixo consumo de energia e custo reduzido para implementao.

1.1 HISTRICO

A autorizao de uso pblico da banda Industrial, Scientific and Medical (ISM) concedida em 1985 pela Federal Communications Commission2 (FCC) impulsionou o desenvolvimento de componentes wireless e tecnologias de rdios proprietrias.

Para haver interoperabilidade entre as tecnologias, o IEEE criou Work Groups (grupos de trabalho) para projetar e desenvolver padres para as redes sem fio. Os grupos e suas atribuies foram os seguintes:

WG11: responsvel pelo padro 802.11, redes locais sem fio; WG15: responsvel pela padronizao da Wireless Personal Area

Network (WPAN); atualmente a principal tecnologia o Bluetooth3; WG16: responsvel pela padronizao das redes metropolitanas

sem fio Broadband Wireless Metropolitan Area Networks (BWMAN), ou acesso fixo a banda larga.

2 rgo regulador de telecomunicaes e radiodifuso dos Estados Unidos. Criado em 1934, tem

como competncia a fiscalizao do espectro norte-americano de radiofrequncia. 3 Especificao industrial para um protocolo de comunicao sem fio e de curto alcance.

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As redes ZigBee, baseadas no protocolo 802.15.4, comearam a ser estudadas e colocadas em funcionamento no ano de 1998 aps constataes de que tecnologias wireless equivalentes, como o Wi-Fi4 e o Bluetooth, estavam sendo insuficientes para algumas aplicaes.

Segundo Caprile (2009, pg. 138-139), a especificao ZigBee comea a evoluir no ano de 1998, quando um grupo de visionrios define a ZigBee Alliance5 como um ecossistema de empresas. Neste contexto, em maio de 2003, foi decidido basear sua implementao com o padro IEEE 802.15.4 - 2003. Em junho de 2004, o ZigBee disponibilizado ao pblico no-comercial em San Ramon, Califrnia EUA. Assim, em dezembro de 2004 foi aprovada a especificao ZigBee e surgiu o ZigBee 1.0, uma verso muito simples e rudimentar desenvolvida mas que no foi utilizada em implementaes.

Em dezembro de 2006 surge a especificao ZigBee 1.1, tambm conhecida como Zigbee - 2006 e que contm a maioria das especificaes atuais em relao estrutura de comunicaes e o que realmente se consegue implementar.

Um ano depois, em dezembro de 2007, so apresentados dois perfis de funcionamento: ZigBee e ZigBee-PRO. Estas especificaes tm a funo de criar um padro entre os fabricantes de dispositivos.

A Figura 1 apresenta, de forma grfica, o histrico do padro IEEE 802.15.4 e da especificao ZigBee.

Figura 1 - Histrico dos padres IEEE 802.15.4 e ZigBee. Fonte: http://www.hidroaer.ita.br/PDF/HIDROAER_RelatorioFinal_Anexo_23.pdf

4 Marca registrada da Wi-Fi Alliance, utilizada em produtos certificados que pertencem a uma rede

local sem fios (WLAN) baseados no padro IEEE 802.11. 5 A ZigBee Alliance formada por diversas empresas e desenvolve o padro ZigBee junto ao IEEE.

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O padro 802.15.4, no qual o ZigBee se baseia, foi concludo em 2003.

1.2 ORGANIZAO IEEE

Em 1884, quando um grupo de profissionais de engenharia eltrica se reuniu em Nova Iorque e formaram uma organizao para apoiar profissionais e ajud-los em seus esforos de aplicar a inovao para o bem da humanidade, estava surgindo o American Institute of Electrical Engineers (AIEE). Em outubro desse mesmo ano o AIEE realizou sua primeira reunio tcnica na Filadlfia, onde estavam presentes grandes nomes, como o fundador Norvin Green da Western Union do ramo da telegrafia, Thomas Edison e Alexander Graham Bell. Como a energia eltrica se espalhava rapidamente no mundo com inovaes como a transmisso de longa distncia, com empresas como Westinghouse e General Electric, o AIEE se focou na energia eltrica e na sua capacidade de mudar a vida das pessoas atravs dos produtos e servios que poderia proporcionar. De forma secundria, estava ligada s redes de comunicao, do telgrafo e do telefone. Atravs de reunies tcnicas, publicaes e promoes de normas, o AIEE levou o crescimento e a educao da profisso de engenharia eltrica.

Enquanto isso uma nova empresa surgia, comeando com os experimentos de telegrafia sem fio de Guglielmo Marconi. O que era originalmente chamado de sem fios se tornou o rdio com possibilidades de amplificao eltrica. Com a indstria, em 1912, surgiu o Institute of Radio Engineers (IRE), modelado no AIEE, mas dedicado ao rdio e eletrnica. Este instituto apoiava as profisses, associando membros atravs de publicaes, normas e conferncias, incentivando o crescimento da indstria e promovendo a inovao e excelncia nos novos produtos e servios.

Atravs da colaborao de dirigentes das duas instituies, e com aplicaes na indstria das inovaes dos seus membros, a eletricidade trilhou seu caminho, dcada por dcada, na televiso, radar, transistores at chegar aos computadores. Houve grande avano da eletricidade, mas no incio da dcada de 1940 o IRE cresceu significamente, e em 1957 tornou-se o maior grupo.

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Em 1 de janeiro de 1963, o AIEE e o IRE se uniram para formar o IEEE, que na sua formao tinha 150.000 membros, dos quais apenas 10.000 no eram norte-americanos. Isso possibilitou um contato maior entre os profissionais e maior intercmbio de tecnologias.

Em seu site, o IEEE cita que se tornou uma associao dedicada inovao e excelncia para o avano tecnolgico em benefcio da humanidade, sendo a maior sociedade tcnico-profissional do mundo, visando atender profissionais envolvidos nas reas de eltrica, eletrnica, computao e reas afins de cincia e tecnologia que sustentam a civilizao moderna.

Informa tambm que atualmente conta com mais de 395000 membros em mais de 160 pases, sendo a maior organizao internacional sem fins lucrativos, voltada para a produo tecnolgica e contato entre profissionais nas reas em que atua e aprimoramento tcnico de seus membros. O IEEE se dedica ao avano da teoria e da prtica da engenharia em diversos campos, sendo lder no desenvolvimento de padres globais em diversos setores; desde sistemas aeroespaciais, informtica e telecomunicaes, at engenharia biomdica; nos quais o IEEE autoridade, fazendo o intercmbio dos novos conhecimentos e informaes tcnicas produzidas atravs de seminrios, palestras, reunies anuais, cursos entre outros. Um de seus papis mais importantes o estabelecimento de padres de comunicao com a inteno de promover o crescimento e a interoperabilidade de tecnologias existentes e novas.

1.3 ZIGBEE ALLIANCE

A ZigBee Alliance formada por um grupo de empresas com o intuito de desenvolver, promover, estabelecer normas de utilizao, realizar certificaes, entre outras atividades relacionadas ao padro ZigBee.

Desenvolvendo o padro ZigBee conjuntamente ao IEEE, esta organizao tem por objetivo definir os detalhes tcnicos do padro e de suas evolues, com o objetivo de garantir a interoperabilidade entre os dispositivos de diversos fabricantes ou integradores. formado por mais de 200 empresas, oriundas de mais de 20

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pases, nas quais se integram tambm especialistas da rea de telecomunicaes e semicondutores, alm de membros do IEEE.

De acordo com o site www.zigbee.org, a ZigBee Alliance definida como:

Uma associao de companhias que trabalham em conjunto para garantir a confiabilidade, custo baixo, baixo consumo, interoperabilidade em rede wireless, monitorando e controlando os produtos baseados em um padro global aberto.

O logotipo da ZigBee Alliance mostrado na Figura 2.

Figura 2 - Logotipo ZigBee Alliance. Fonte: http://stratecongroup.com/710aw3zigbeerf4ce.aspx

Conhecidas como Promoters, as empresas cujos logotipos so mostrados na Figura 3, contribuem anualmente com US$50.000 e possuem direito a uma cadeira na mesa de diretores, revisam as especificaes propostas e tm direito a voto na organizao ZigBee Alliance.

Figura 3 - Logotipo das empresas Promoters da ZigBee Alliance. Fonte: http://www.basic4ever.com/pdf/ETE_070709.pdf

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As empresas, cujos logotipos so mostrados na Figura 4, so conhecidas como Participants da ZigBee Alliance, contribuem com US$9.000 anuais para a organizao e participam na elaborao das especificaes tcnicas do padro.

Figura 4 - Participants ZigBee Alliance. Fonte: http://www.basic4ever.com/pdf/ETE_070709.pdf

H tambm as Adopters6, ou adotantes, empresas que podem utilizar o logotipo ZigBee Alliance e tm acessso s especificaes do padro. Estas empresas so mencionadas na Figura 5.

6 Empresas adotantes do padro e que contribuem anualmente com US$3.500 para a ZigBee

Alliance.

30

Figura 5 - Adopters ZigBee Alliance Fonte: http://www.basic4ever.com/pdf/ETE_070709.pdf

1.4 DEFINIO DO MODELO ISO / OSI

A International Standard Organization7 (ISO), visando facilitar a comunicao entre hardwares de fabricantes distintos, desenvolveu uma arquitetura conhecida como Open System Interconnection (OSI).

Este sistema composto por sete camadas. No transmissor os dados so transferidos camada imediatamente inferior at atingir a camada fsica, onde realmente ocorre a transferncia dos dados. No receptor ocorre o processo inverso.

Segundo Tanenbaum (1944, pg. 40), o modelo OSI de baseia em uma proposta desenvolvida pela ISO como um primeiro passo em direo padronizao internacional dos protocolos empregados nas diversas camadas. O modelo chamado Modelo de Referncia ISO OSI, devido o fato de se tratar da interconexo

7 Entidade de padronizao e normalizao presente em mais de 170 pases.

31

de sistemas abertos, ou seja, sistemas que esto abertos comunicao com outros sistemas. Para abreviar, este sistema denominado apenas de modelo OSI.

Os padres definidos pelo IEEE especificam as duas camadas mais baixas do modelo OSI: a camada fsica (PHY8) e a camada de dados Medium Access Control (MAC). As demais camadas so estipuladas pelas empresas que compem um grupo de estudos de determinado padro de comunicao.

No padro IEEE 802.15.4, a ZigBee Alliance utiliza as camadas PHY e MAC e desenvolve as camadas superiores atravs da definio de suportes aplicao, usando verso simplificada com apenas cinco camadas do modelo OSI, como pode ser visto na Figura 6.

Figura 6 - Modelo ISO / OSI Fonte: http://www.hidroaer.ita.br/PDF/HIDROAER_RelatorioFinal_Anexo_23.pdf

1.5 PROTOCOLO 802.15.4

O IEEE 802.15.4 um conjunto de especificaes que define tanto o protocolo quanto o comportamento da comunicao entre rdios dentro de uma Wireless Personal Area Network9 (WPAN). Enquanto o padro IEEE 802.11 define redes de comunicao com altas velocidades de dados e acesso Internet, o padro IEEE 802.15.4 foi definido para sistemas de comunicao de baixa

8 PHY a abreviatura para a camada fsica (PHYsical) do modelo OSI.

9 Rede que conecta dispositivos de comunicao, prximos entre si, via rdio.

32

velocidade, at 250kbps10, conectividade simples e baixo consumo de energia, permitindo alimentao por baterias.

A comunicao na faixa de 2,4GHz, mais difundida atualmente, ocorre em canais de 5MHz e a taxa mxima de dados obtida de 250kbps. Na prtica, devido o overhead11 do protocolo, o mximo que se consegue a metade disso, e enquanto a norma determina 5MHz de canal, apenas cerca de 2MHz sero consumidos pela largura de banda. Como no Wi-Fi12, utilizado espalhamento espectral por sequncia direta na banda de 2.4GHz, com modulao Offset Quadrature Phase-Shift Keying (O-QPSK). Nas bandas de 868 e 900MHz tambm utilizado espalhamento espectral por sequncia direta, mas com modulao Binary-Phase-Shift Keying (BPSK). A Figura 7 apresenta o espaamento dos vrios canais conforme determina o padro.

Figura 7 - Espectro de frequncias da banda 2.4GHz Fonte: http://www.alfacomp.ind.br/site/download

Segundo Caprile (2009, pg. 77), de uma forma geral o protocolo 802.15.4 se encarrega de estabelecer confivel comunicao em um enlace de radiofrequncia. A confiabilidade se obtm mediante deteco de erro, aviso de recebimento e retransmisso. Ele enfatiza que isto pode ser realizado com tecnologias j existentes, mas o 802.15.4 prioriza a simplicidade de implementao, exige pouca potncia de processamento e operao com baixo consumo.

10 Kilobit por segundo uma unidade de transmisso de dados igual a 1024 bits por segundo.

11 Processamento que garante a transferncia das informaes, sem erros, para o destino desejado.

12 Pronuciado waifai, marca registrada da Wi-Fi Alliance, utilizada em produtos certificados que

pertencem a uma rede local sem fios (WLAN) baseados no padro IEEE 802.11.

33

As especificaes contidas neste padro tornam seu emprego adequado aos dispositivos de monitorao e ou controle cujas caractersticas, tais como links confiveis, tempo de latncia da mensagem e possibilidade de implementao em dispositivos dotados de poucos recursos computacionais sejam imperativas.

O protocolo IEEE 802.15.4 quando aplicado diretamente nos mdulos XBee13 Srie 1, descritos no Captulo 2, permite comunicaes ponto a ponto e ponto-multiponto, exigindo para isso um dispositivo coordenador.

1.5.1 Camada Fsica (PHY)

A camada fsica do padro IEEE 802.15.4 foi projetada para necessidades de implementao com baixo custo, permitindo nveis elevados de integrao, e responsvel pela transmisso das unidades de dados, do ingls Protocol Data Units14 (PDU), atravs de sinais wireless.

Utiliza a modulao Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), que incorpora em cada bit de dado um padro de redundncia e os espalha pela largura de banda utilizada. A redundncia permite facilidade na deteco de erros de transmisso como tambm identificar a que rede os dados pertencem.

DSSS uma das muitas tcnicas para aumentar a largura de banda de um sinal transmitido. As tcnicas de banda larga proporcionam aumento da qualidade de comunicao, mas normalmente sacrificam o espectro de utilizao. O processo DSSS espalha o sinal original numa largura de banda maior para transmisso sobre o canal, e aps concentra o sinal no receptor para recolher o sinal original e as informaes ali contidas15.

De acordo com Caprile (2009, pg. 77), na banda de 2,4GHz se especificam 16 canais, denominados 11 a 26, e separados a cada 5MHz desde 2405 at

13 Modelo de uma famlia de mdulos de rdio frequncia. Este termo em ingls propriedade da Digi

International (antiga MaxStream), produtora da famlia XBee, e que disponibiliza diversas tecnologias neste formato de transporte de dados. 14

Unidade de Dados de Protocolo descreve um bloco de dados que transmitido entre duas instncias da mesma camada. 15

Disponvel em:< http://www.cefetrn.br/~walmy/Zigbee.pdf>. Acesso em: 16 de setembro de 2011.

34

2480MHz. A transmisso realizada mediante DSSS, o que permite coexistncia com outros sinais wireless, como por exemplo o IEEE 802.11, que utiliza modulao similar e ocupa o mesmo espectro utilizado pelo padro IEEE 802.15.4.

A Figura 8 mostra um exemplo, devido modulao realizada, de como as redes wireless funcionam sem interferir umas s outras.

Figura 8 - Modulao dos sinais das tecnologias wireless Fonte: Caprile (pg. 78)

Ainda na Figura 8, nota-se que os canais de funcionamento dos padres wireless so diferentes. Os canais do protocolo 802.15.4 utilizam as lacunas do protocolo 802.11 e com isso possibilita o funcionamento de vrias redes em um mesmo ambiente.

As faixas de frequncia utilizadas pelo protocolo 802.15.4 so de 2.4GHz (global), 915MHz (Estados Unidos) e 868MHz (Europa). A Tabela 1 apresenta as bandas de frequncias e as respectivas taxas de dados.

Tabela 1 - Bandas de frequncia e taxa de dados

De acordo com a Figura 9, trs diferentes taxas de dados so utilizadas pelo protocolo IEEE 802.15.4: um canal com taxa de dados de 20Kbps na banda de 868MHz, dez canais com taxa de dados de 40Kbps na banda de 915MHz e 16 canais com taxa de dados de 250Kbps na banda de 2,4GHz.

35

Figura 9 - Canais das faixas de frequncia do padro IEEE 802.15.4 Fonte: http://www.gta.ufrj.br/ftp/gta/TechReports/Sergio07/Sergio07.pdf

A camada fsica possui tambm outras funcionalidades:

Indicar qualidade de conexo; Ao receber um pacote, o n receptor envia de volta um pacote Link Quality (LQ) que determina qualidade do sinal de conexo.

Detectar potncia dos canais; A deteco e manipulao desse dado so realizadas na camada de rede para definir algoritmos de escolha de canais.

Reportar canais livres (Clear Channel Assesment16 - CCA); As comunicaes em um canal no qual pode haver vrias redes wireless de tecnologias diferentes. Para determinar qual canal o mais apropriado para operar, realizada uma avaliao no nvel de sinal atravs de procedimento Energy Detection17 (ED) e CCA.

O formato do PDU aps a manipulao da camada fsica , basicamente, um sinal de sincronismo Synchronization Header18 (SHR), um bloco de informao

16 Procedimento de identificao de canal livre.

17 Representa em 8 bits a relao em dB da potncia recebida nos canais de acordo com a

sensitividade. Dessa forma as informaes sero melhor direcionadas dentro da topologia. 18

Permite sincronizao do dispositivo receptor com o feixe de bits atravs de 4 bytes do campo Preamble Sequence (PS) e um byte do campo Start of Frame Delimiter (SFD).

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PHY Header19 (PHR), e um bloco de payload20 que representa o PDU recebido da camada superior de enlace.

1.5.1.1 Sincronizao entre dispositivos

Segundo Caprile (2009, pg. 79), para que os receptores possam detectar o incio da transmisso e ento ocorrer a sincronizao entre os dispositivos, enviado um prembulo de 32 zeros binrios seguidos pela sequncia 10100111 que indica que em seguida ser transmitido um byte contendo o comprimento do quadro a ser transmitido.

Esta sincronizao a que Caprile se refere pode ser vista na Figura 10.

Figura 10 - Quadro de sincronizao entre dispositivos Fonte: Caprile (pg. 79)

Dos termos utilizado na Figura 10, o SHR um cabealho para sincronizao, o Start of Frame Delimiter (SFD) o incio do quadro delimitador e o PHR o cabealho PHY.

importante ressaltar que tanto o prembulo quanto toda informao passam pelo processo de modulao DSSS O-QPSK.

19 Campo de 1 byte (Frame Length - FL) com informaes do comprimento em bytes do quadro

payload. 20

Payload so os dados reais transmitidos juntamente com o cabealho da mensagem. Representa a PDU vinda da camada superior de enlace.

37

1.5.2 Camada MAC

No padro 802.15.4, a camada MAC responsvel pelo processo de encapsulamento dos dados provenientes das camadas superiores preparando-os para serem transmitidos.

Segundo Caprile (2009, pg. 80), no padro 802.15.4 o nvel de enlace especifica somente o subnvel MAC como encarregado de transmisso da informao ao outro extremo, garantindo sua integridade. A denominao outro extremo no inclui roteamento, mas uma simples comunicao em um meio em que ambos interlocutores tm acesso, provendo servios de retransmisso e deteco de erros Frame Check Sequence21 (FCS) mediante Cyclic Redundancy Check22 (CRC).

Caprile destaca que a informao se transmite em forma de quadros, as quais possuem um cabealho (header) que possui as informaes de controle (identificador do tipo de quadro) e direcionamento, e um quadro final que transporta a informaes de verificaes de erros (FCS).

Estas observaes de Caprile podem ser verificadas na Figura 11, que mostra o modo como estas informaes so transmitidas em forma de quadros.

Figura 11 - Quadro de transmisso das informaes Fonte: Caprile (pg. 80)

O direcionamento das informaes no protocolo 802.15.4 muito confivel. H a possibilidade de selecionar o tipo de direcionamento visando economizar espao e minimizar o overhead. Dentro do cabealho header h informaes do tipo

21 Campo de 2 bytes, utilizado para deteco de erros de transmisso.

22 Cdigo detector de erros que calculado e anexado com a informao a transmitir e verificado

aps o recebimento para confirmar as informaes.

38

de direcionamento, que pode ser curto (short addressing) ou estendido (extended addressing).

Direcionamento estendido; Cada dispositivo possui um endereamento de 64 bits que nico. como um nmero de srie que o diferencia dos demais

Direcionamento curto; Cada dispositivo pode ter um endereamento de 16 bits. Este direcionamento nico dentro da rede que o dispositivo pertence e o identifica somente dentro da rede.

Dentro das informaes transmitidas h um identificador de rede Personal Area Network23 (PAN ID) que realiza a identificao da rede que origina a mensagem e a que rede se destina. Para que no ocorram repeties, existe uma flag24 que identifica o trfego de mensagens dentro de uma mesma rede. O PAN ID nico para cada rede.

A localizao destas informaes mostrada na Figura 12.

Figura 12 - Quadro de detalhamento do direcionamento Fonte: Caprile (pg. 83)

23 Rede pessoal sem fio utilizada para interligar dispositivos.

24 Mecanismo lgico que funciona como sinal para ativao eu desativao de uma funo.

39

De acordo com Caprile (2009, pg. 86), o reconhecimento do recebimento realizado pelo frame ACK contido no cabealho Frame Control (FC). No contm informaes de direcionamento, a associao com o dispositivo de onde se originaram as informaes realizada atravs de um nmero sequencial compartilhado.

Quando uma mesma informao deve ser enviada a vrios destinatrios possvel realizar um broadcast, que far com que a mensagem seja recebida por todos os dispositivos de uma mesma PAN.

O MAC divide a rede em dois modos de operao, com Beacon25 e sem Beacon, o que define a principal caracterstica da rede com Zigbee: baixo consumo de potncia. A capacidade de reduzir seu duty cicle26 ao permanecer inativo, e auxiliado pela baixa taxa de transmisso, faz com que o dispositivo possa ser alimentado por baterias e com grande durabilidade.

Para a transferncia de dados na rede, o mtodo utilizado o Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA), onde verificada a ausncia de trfego de informaes antes de iniciar nova transmisso, visando reduzir a possibilidade de transmisses simultneas. Quando ocorre uma suspeita de coliso de informaes h a interrupo imediata da transmisso, quando ento aguardado um tempo para voltar a transmitir.

Segundo Caprile (2009, pg. 94), no modo Beacon, utilizado para sincronizao, o coordenador transmite constantes quadros Beacon onde informa o modo de operao e mantm o sincronismo da rede. O intervalo de sinalizao Beacon define a estrutura conhecida como superframe27, onde todos os ns da rede seriam sincronizados. Esta estrutura de sincronizao de rede mostrada na Figura 13.

25 Pacote de dados de controle que delimitam quadros utilizados pelo dispositivo coordenador para

sincronizao de dispositivos associados sua rede e descreve a estrutura dos superframes. 26

Razo entre o tempo em que um sistema est ligado, ou em nvel 1, e o perodo do sinal. 27

Definido pelo coordenador e limitado pelos Beacons, o tamanho do quadro de sincronismo da rede.

40

Figura 13 - Estrutura superframe Fonte: Caprile (pg.94)

Observando ainda a Figura 13, possvel verificar que a parte ativa do superframe se divide em intervalos de tempo, formado por Contention Access Period (CAP) que corresponde a uma zona onde o funcionamento pode ser comparado a uma rede sem Beacon, e tambm pelo Contention Free Period (CFP) que contm os Guaranted Time Slots (GTS) que so os perodos em que determinados dispositivos podem realizar transmisses sem a necessidade de utilizar CSMA-CA.

1.5.2.1 Transferncia de dados com Beacon

No modo Beacon, usado em dispositivos de baixa latncia, os roteadores executam sincronizaes atravs do envio de sinalizaes peridicas, o que confirma sua presena na rede. Os demais componentes da rede necessitam estar ativos somente no momento da sinalizao.

Com excelente sincronia, os componentes da rede podem permanecer inativos entre as sinalizaes, possibilitando baixo consumo de energia. Permanecendo inativo, com reduo do duty-cicle, os dispositivos oferecem a vantagem de ser alimentados por bateria com longevidade.

Na transferncia de dados com Beacon habilitado, quando um dispositivo de rede quer transmitir dados para o coordenador, o dispositivo aguarda sinalizao da rede para ento sincronizar com a estrutura superframe. Aps sincronizado, o dispositivo realiza o envio dos dados para o coordenador usando CSMA-CA e

41

opcionalmente o coordenador envia resposta de confirmao do recebimento conforme mostra a Figura 14.

Figura 14 - Transferncia com Beacon do dispositivo para o coordenador Fonte: http://www.gta.ufrj.br/ftp/gta/TechReports/Sergio07/Sergio07.pdf

Ainda com Beacon habilitado, quando o coordenador quer enviar dados para um dispositivo de rede, ele sinaliza no Beacon que os dados esto pendentes. O dispositivo, que neste modo realiza constantes leituras do Beacon da rede, envia um comando MAC usando CSMA-CA requisitando os dados. Ao reconhecer a solicitao, o coordenador envia o quadro de dados pendente, tambm utilizando CSMA-CA, que ao ser recebido pelo dispositivo este transmite um quadro de reconhecimento, removendo a mensagem da lista de pendncia de transmisso. A Figura 15 apresenta esta sequncia de comunicaes.

Figura 15 - Transferncia com Beacon do coordenador para um dispositivo Fonte: http://www.gta.ufrj.br/ftp/gta/TechReports/Sergio07/Sergio07.pdf

42

1.5.2.2 Transferncia de dados sem Beacon

Neste modo de operao, todos os dispositivos da rede mantm seus receptores ativos, o que possibilita uma garantia de acesso com rapidez e eficincia. Como desvantagem, a utilizao de baterias pode se tornar invivel devido o aumento do consumo de energia.

Com o modo Beacon desabilitado, quando o coordenador possuir dados para transmitir a um dispositivo de rede, ele armazena os dados a serem transferidos e aguarda sinalizao do dispositivo. Esta solicitao do dispositivo, realizada atravs de comando MAC usando CSMA-CA, quando recebida pelo coordenador este transmite como resposta um quadro de reconhecimento. Se houver dados para transmitir o coordenador envia o quadro correspondente para o dispositivo, caso contrrio o quadro de dados estar vazio. Esta sequncia de comunicao visualizada na Figura 16.

Figura 16 - Transferncia sem Beacon do coordenador para um dispositivo Fonte: http://www.gta.ufrj.br/ftp/gta/TechReports/Sergio07/Sergio07.pdf

Ainda com o modo Beacon desabilitado, para um dispositivo transmitir informaes ao coordenador da rede ele envia o quadro de dados usando CSMA-CA. O reconhecimento das informaes recebidas pode ser opcionalmente respondido pelo coordenador, conforme ilustrado na Figura 17.

43

Figura 17 - Transferncia sem Beacon de um dispositivo para o coordenador Fonte: http://www.gta.ufrj.br/ftp/gta/TechReports/Sergio07/Sergio07.pdf

1.5.3 Bandas ISM

As bandas ISM, no licenciadas, so estabelecidas pela FCC e regulamentadas no Brasil pela Agncia Nacional de Telecomunicaes (ANATEL) conforme visto no Anexo A - Resoluo ANATEL n 497.

O padro IEEE 802.15.4 estipula as bandas ISM, na faixa de 868 a 868.8MHz na Europa, 902 a 928 MHz nos Estados Unidos e 2.4 a 2.4835 GHz em outras partes do mundo para sua operao, e no requerem licena para funcionamento. A faixa de 2,4 GHz mais popular, pois est disponvel na maioria dos pases, incluindo o Brasil.

A Figura 18 apresenta a distribuio da banda ISM de acordo como estabelece a FCC.

Figura 18 - Localizao das bandas ISM Fonte: http://www.juliobattisti.com.br/tutoriais/paulocfarias/redeswireless018.asp

44

1.5.4 Modulao

A tcnica utilizada para que um sinal com caractersticas adequadas possa carregar a informao que se deseja transmitir chamada de modulao. O sinal que transporta a informao chamado de portadora. Para transmitir dados, um transmissor modifica a portadora, e o receptor extrai o sinal e descarta a portadora.

O protocolo de comunicao do padro IEEE 802.15.4, visando baixo custo e consumo de energia reduzido, suporta somente comunicao digital de dados e operao half-duplex28.

As modulaes de dados utilizadas no protocolo IEEE 802.15.4 so BPSK em 868 e 915MHz e O-QPSK em 2,4GHz.

1.5.4.1 Modulao BPSK

A modulao por deslocamento de fase, do ingls Phase Shift Keying (PSK), um mtodo de modulao digital onde a fase da portadora variada de modo a representar os nveis lgicos 0 e 1, e os dois estados se diferenciam porque assumem um ou outro valor, do sinal modulante, dois valores diferentes para a fase.

Na Figura 19 verifica-se que esta tcnica de modulao digital, utilizada na faixa de frequncias de 868 e 915 MHz, utiliza dois smbolos de fase para modular um bit.

28 Comunicao entre um dispositivo emissor e receptor, onde ambos podem transmitir e receber

dados, porm no simultaneamente.

45

Figura 19 - Modulao BPSK Fonte: http://www.deetc.isel.ipl.pt/sistemastele/ST2/arquivo/sebenta/STII_2.pdf

1.5.4.2 Modulao O-QPSK

Mtodo de modulao na faixa de 2,4 GHz, a tcnica QPSK com offset utilizada devido necessidade de que os sinais QPSK sejam amplificados apenas por amplificadores lineares29, caso contrrio haver alargamento do espectro ocupado.

Amplificadores lineares so menos eficientes. Por este motivo a utilizao da tcnica O-QPSK, que menos susceptvel aos efeitos de alargamento espectral, permite maior eficincia atravs de amplificadores no lineares.

Na Figura 20 mostrada uma comparao entre as modulaes QPSK e O-QPSK, a partir de um mesmo sinal.

29 Amplificador no qual o sinal de sada diretamente proporcional ao sinal de entrada.

46

Figura 20 - Comparao entre modulaes (QPSK e O-QPSK) Fonte: http://www.deetc.isel.ipl.pt/sistemastele/ST2/arquivo/sebenta/STII_2.pdf

Verifica-se pela Figura 20, que enquanto na modulao QPSK as sequncias de bits so estabelecidas simultaneamente, na modulao O-QPSK h atraso de um perodo equivalente durao de um bit, metade do perodo de um smbolo, entre as duas sequncias. Isto faz com que utilizando esta modulao sejam eliminadas as transies de 180 na fase da p ortadora, permitindo obter maior eficincia em termos de potncia, superior da modulao QPSK. A eficincia espectral a mesma da modulao QPSK.

1.5.5 Segurana

Este um tema muito importante em sistemas de comunicao wireless. A razo para isso as informaes serem transmitidas livremente e

qualquer pessoa poder capt-la.

47

A camada MAC, visando integridade e autenticidade dos frames30, utiliza o algoritmo de criptografia Advanced Encryption Standard (AES) de 128 bits com uma variedade de rotinas de segurana.

O processamento da segurana realizado pela camada MAC, mas so as camadas superiores que controlam o processo, ajustando as chaves de criptografia e determinando os nveis de segurana que devero ser usados. Quando a camada MAC transmite ou recebe um frame, verifica o destino, recupera a chave associada com esse destino e usa ento esta chave para processar o frame de acordo com a rotina de segurana designada para a chave que est sendo usada. Cada chave associada a uma nica rotina de segurana e o cabealho inicial do frame possui um bit que especifica se a segurana para o frame est habilitada ou no.

Segundo Tanenbaum (2009), o algoritmo AES utilizado em criptografia, um padro criado pelo National Institute of Standards and Technology (NIST), rgo encarregado de aprovar padres para o Governo do Estados Unidos, para utilizao de chaves criptogrficas que representam um segredo partilhado entre duas ou mais partes, usadas para obter confidencialidade das informaes.

1.5.6 Tempo de Transmisso

Segundo Caprile (2009, pg. 104), o sistema tem uma particularidade: no possvel prever o tempo necessrio para se transmitir as informaes dos quadros. Existe um mtodo de reconhecimento de recebimento e retransmisso em caso de falha. O protocolo especifica um nmero de canais, frequncias de trabalho que se pode utilizar.

Caprile apresenta uma anlise terica de uma comunicao 802.15.4 a 2,4GHz, ponto-a-ponto, considerando uma boa comunicao wireless entre os dois dispositivos. Desta anlise ele obteve o seguinte:

Overhead de PHY + MAC: 15 a 31 bytes, dependendo do mtodo de direcionamento utilizado;

30 Quadro de informaes contidas em tecnologia de comunicao usada para transmisso digital

atravs de uma rede de dados.

48

Interframe Space31 (IFS): 12 ou 40 smbolos (192s, 640s); Turnaround32: 12 smbolos (192s); CCA: 8 smbolos (128s); Perodo de backoff33: 20 smbolos (320s); Exponente de backoff: 0 a 4 (0 a 15 perodos); Espera mxima de ACK: 54 smbolos (864s); Transmisso de 1 byte: 8 / 250000 = 32s; ACK (PHY + MAC): 11 bytes (352s) Tamanho mximo de quadro (PHY + MAC + payload): 131 bytes

(4192s); Tentativas: 3.

Caprile destaca que esta anlise possibilita duas observaes fundamentais:

Um tempo fixo, composto pelo overhead do protocolo e tambm o processo de transmisso;

Um tempo varivel, determinado pelo momento em que se deseja transmitir, dependendo do estado do canal de comunicao.

Em outra anlise, Caprile executa a transmisso e recepo de um byte (8 bits + start + stop) a 115200bps.

Recepo do byte na interface do transmissor: 10 / 115200 87s; Espera para determinar se h outros bytes que podem ser includos

na transmisso: 30 / 115200 260s; Atraso de processamento no transmissor; Espera por canal disponvel; Transmisso de um quadro de 18 a 30 bytes: 18 32s = 576s,

30 32s = 960s;

31 Espao entre os frames enviados.

32 Espao que permite o retorno de uma informao. Por recomendao IEEE possui 12 smbolos.

33 Operao de troca de sentido de transmisso entre os dispositivos.

49

Tempo de propagao; Tempo Turnaround do transmissor: 192s; Atraso de processamento no receptor; Entrega do byte na interface do receptor: 10 / 115200 87s; Tempo Turnaround no receptor: 192s; Envio de ACK: 352s; Espera de IFS: 192s; Recebimento das informaes, atraso de processamento; Inverso dos papis de transmissor e receptor; Recepo do byte na interface do agora transmissor: 10/ 115200

87s; Espera para determinar se h outros bytes que podem ser includos

na transmisso: 30 / 115200 260s; Atraso de processamento no transmissor; Espera por canal disponvel; Transmisso de um quadro de 18 a 30 bytes: 18 32s = 576s,

30 32s = 960s; Tempo de propagao; Atraso de processamento no receptor; Entrega do byte na interface do receptor: 10 / 115200 87s.

1.6 PADRO ZIGBEE

O ZigBee um padro baseado no protocolo IEEE 802.15.4, acrescentando a ele a capacidade de estabelecer redes de dispositivos, que define protocolos de comunicao com taxa mxima de 250kbps e curto alcance.

O nome ZigBee foi criado a partir da analogia entre o funcionamento de uma rede em malha e o modo como as abelhas trabalham e se locomovem. As abelhas que vivem em colmeia voam em zig...zag, e dessa forma, durante o voo a trabalho em busca de nctar, trocam informaes com outros membros da colmeia sobre distncia, direo e localizao de onde encontra alimentos. Uma malha ZigBee dispe de vrios caminhos possveis entre cada n da rede para a passagem da informao, assim

50

possvel eliminar falhas se um n estiver inoperante, simplesmente mudando o percurso da informao.34

Desenvolvido pela ZigBee Alliance visando aplicaes onde no exigido taxas de transmisso elevadas mas sim o baixo consumo, foi construdo de acordo com as normas do padro IEEE 802.15.4, e no protocolo ZigBee que se definem as camadas de rede imediatamente superiores, ou seja, as camadas de rede (NWK) e o framework para a camada de aplicao (APL).

O protocolo ZigBee estruturado em cinco camadas: PHY (fsica), MAC (enlace), NWK (rede), suporte a aplicao e aplicao perfil. As camadas MAC e PHY seguem definies do IEEE 802.15.4. As camadas NWK e suporte a aplicao so definidas pela Zigbee Alliance e a camada de aplicao perfil definida pelo usurio.

A arquitetura do protocolo ZigBee pode ser vista na Figura 21.

Figura 21 - Arquitetura de protocolos ZigBee Fonte: http://dsc.upe.br/~tcc/20111/monografia-Leandro_Honorato_VersaoFinal.pdf

Trs tipos de dispositivos definem o padro ZigBee: coordenador, roteador e dispositivo final. O coordenador responsvel por iniciar a WPAN, com as funes de aceitar os pedidos de associao rede e dar assistncia ao roteamento de dados numa rede malha. Como no protocolo IEEE 802.15.4, uma rede ZigBee possui apenas um dispositivo coordenador. Associado a uma WPAN existente, o roteador permite que outros dispositivos sejam conectados rede, enviando e

34 Disponvel em:. Acesso em: 16 de setembro de

2011.

51

recebendo dados e tambm roteando dados atravs da rede. Os dispositivos finais no permitem associaes de novos dispositivos rede, no executam roteamento de dados e por estes motivos podem permanecer no modo sleep35 por longos perodos.

1.6.1 Camada de rede (NWK)

a camada de rede que interliga a camada MAC e a camada de aplicao (APL). Sua principal funo o gerenciamento, formao e roteamento da rede.

A camada de rede tem a responsabilidade de selecionar o tipo de topologia e o estabelecimento de uma nova rede, atravs do dispositivo coordenador e dos roteadores que realizam o descobrimento das rotas. Dispositivos finais no podem executar o procedimento de descobrimento de rota, ento o coordenador executar o processo.

Na Figura 22 pode ser visto em detalhes os quadros de transmisso NWK.

Figura 22 - Quadro de detalhamento NWK Fonte: Caprile (pg. 158)

Segundo Caprile (2009, pg. 158), devido ao fato do protocolo 802.15.4 ser a base do padro ZigBee, havendo vrias opes de direcionamento a especificao estabelece que o 802.15.4 utilizar o direcionamento curto, de modo a minimizar o overhead.

35 Modo de hibernao, quando no est em uso.

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1.6.2 Camada de aplicao (APL)

Sendo a camada superior do padro ZigBee, a camada APL gerencia e define a funo do dispositivo ZigBee na rede.

Segundo Caprile (2009, pg.172), as informaes so transmitidas atravs de quadros com um cabealho (header) que transporta a informao de controle, que identifica o tipo de quadros, e de direcionamento. No existe verificao de integridade de mensagens, pois so realizadas em outras camadas.

A troca de informaes e os quadros enviados por esta camada so mostrados na Figura 21.

O desenvolvimento e customizao de dispositivos para aplicaes so de responsabilidade dos fabricantes. A Figura 23 mostra os quadros de transmisso da APL.

Figura 23 - Quadro de detalhamento APL Fonte: Caprile (pg. 172)

1.6.3 Dispositivos ZigBee

1.6.3.1 Dispositivos Fsicos

O IEEE especifica dois tipos de dispositivos fsicos que so definidos a seguir:

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Dispositivos de funo completa (Full Function Device - FFD): so dispositivos que possuem hardware mais avanado para a implementao do protocolo, o que os faz consumir mais energia. Podem se comunicar com qualquer dispositivo da rede, podendo atuar como coordenador, roteador ou at mesmo dispositivos final.

Dispositivos de funo reduzida (Reduced Function Device - RFD): so dispositivos RFD so mais simples, que s podem se comunicar com dispositivos FFDs (coordenador e roteador). Em uma rede ZigBee eles atuam como dispositivos finais, que na prtica podem ser interruptores, dimmers, sensores, entre outros.

1.6.3.2 Dispositivos Lgicos

Segue abaixo as trs classes de dispositivos lgicos, definidas pelo IEEE para o padro ZigBee.

Coordenador: H apenas um coordenador em cada rede. Sendo o nico FFD responsvel pela formao da rede, pode ser implementado apenas com dispositivos fsicos FFD. Tem a funo de criar redes e se tornar a raiz dela, fornecendo canal de operao e nmero lgico, permitindo que os roteadores e dispositivos finais sejam adicionados rede e possam se comunicar entre si. o nico dispositivo com autonomia de trocar dados entre redes.

Roteador: com caractersticas de dispositivo final, este FFD tambm fornece informaes a outros dispositivos da rede, fazendo o roteamento de informaes como um roteador de Wi-Fi. Determina a melhor rota para um pacote de dados, podendo expandir a rede para obter maior alcance;

Dispositivo final: so dispositivos que interagem com o coordenador ou com um roteador para trocar informao, mas no possibilita redirecionar informaes. o dispositivo que consome menos energia por ficar a maior parte do tempo em modo sleep.

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1.6.4 Topologias ZigBee

Segundo Caprile (2009), uma rede ZigBee pode funcionar com topologia de rvore (cluster tree), estrela ou malha (mesh). O autor deixa claro que no descreve a topologia em estrela, porque consiste de um coordenador e alguns dispositivos finais que criam uma situao no relevante que s aumenta a sobrecarga do protocolo 802.15.4 com praticamente os mesmos benefcios.

Mesmo com a opinio do autor, neste trabalho sero descritas as trs topologias para melhor entendimento.

1.6.4.1 Topologia Estrela

Na topologia Estrela, a de mais simples implementao, a conexo realizada entre um coordenador central, chamado de coordenador PAN, e quantos dispositivos finais sejam necessrios.

A instalao deste tipo de topologia deve ser realizada em locais com menor nmero de obstculos possvel, j que o roteador atua como dispositivo final.

A representao grfica desta topologia mostrada na Figura 24.

Figura 24 - Representao da topologia Estrela Fonte: http://www.microwatt.co.uk/images/zigbee_topology.png

1.6.4.2 Topologia Malha

Na topologia Malha a rede se ajusta automaticamente para otimizar o trfego de dados e todos os dispositivos se comunicam entre si. Com as vrias rotas

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possveis que proporcionam maior robustez na comunicao entre os dispositivos, esta topologia de rede pode abranger grande rea geogrfica.

Na Figura 25 mostrada a representao grfica desta topologia de rede.

Figura 25 - Representao da topologia Malha Fonte: http://www.microwatt.co.uk/images/zigbee_topology.png

1.6.4.3 Topologia rvore

Este modelo de rede pode ser vista como um aglomerado de redes com topologia malha, ligados atravs de um coordenador responsvel pela rede, na troca de informaes entre os roteadores e dispositivos finais.

A facilidade de expanso da cobertura a principal vantagem dessa topologia, em contrapartida ocorrem atrasos no envio e recebimento de informaes entre os dispositivos.

A Figura 26 apresenta a representao grfica desta topologia.

Figura 26 - Representao da topologia rvore Fonte: http://www.microwatt.co.uk/images/zigbee_topology.png

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1.7 DIFERENA ENTRE OS PROTOCOLOS

Segundo a empresa Vika Controls, distribuidora dos produtos Digi International36, a diferena bsica entre os protocolos so descritos abaixo:

Protocolo 802.15.4: Permite redes ponto-a-ponto e ponto-multiponto (estrela). Funes de roteamento no so disponveis e qualquer dispositivo da rede pode operar em modo de baixo consumo (sleep mode);

Protocolo ZigBee (ZB): Possui o protocolo 802.15.4 como camada fsica, porm estabelece trs tipos de dispositivos na rede: Coordenador, Roteador e Dispositivo Final). Coordenador e roteadores possuem capacidade de roteamento de dados na rede, enquanto os dispositivos finais no roteiam dados, mas podem funcionar em modo de baixo consumo de energia;

Protocolo DigiMesh: Protocolo de propriedade da Digi International. Assim como o ZigBee, possui como camada fsica o protocolo 802.15.4 e destinado a redes em malha (mesh), porm todos os dispositivos da rede podem rotear dados e tambm operar em modo sleep de forma sincronizada.

1.8 ZIGBEE E OUTROS PADRES WIRELESS

Atualmente as redes wireless so classificadas em quatro tipos, que so divididas, de acordo com a aplicao, da seguinte maneira:

Wireless Personal Area network (WPAN): redes pessoais de curta distncia, cerca de dezenas de metros. As tecnologias mais conhecidas desta categoria so o ZigBee, Bluetooth e ligaes infravermelhas;

36 Digi International uma empresa de tecnologia com sede no estado de Minnesota (EUA).

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Wireless Local Area network (WLAN): so redes locais, que possuem alcance de centenas de metros. A principal tecnologia o Wi-Fi que pode atingir velocidades de 54Mbps;

Wireless Metropolitan Area Network (WMAN): so as redes metropolitanas, que baseiam-se na norma IEEE 802.16. Atingem taxas de at 10Mbps e alcance de 10km. Tecnologia mais empregada nesta categoria o WiMax37;

Wireless Wide Area Network (WWAN): so as maiores redes sem fio. Nesta categoria esto includas as tecnologias utilizadas na telefonia mvel, como o GSM e o 3G.

O Grfico 1 apresenta um comparativo das tecnologias wireless quanto aos tipos e taxa de transmisso de dados.

Grfico 1 - Classificao das tecnologias wireless http://www.eletrica.ufpr.br/mehl/te155/aulas/4-4-ZigBee.pdf

Considerando apenas as tecnologias wireless mais conhecidas e utilizadas na faixa de 2.4GHz, o Grfico 2 apresenta um comparativo quanto taxa de transmisso de dados e o alcance do sinal.

37 Worldwide Interoperability for Microwave Access um padro aberto de comunicao sem fio,

certificado pelo IEEE, similar ao Wi-Fi, mas com mais recursos visando melhor desempenho de comunicao.

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Grfico 2 - Comparativo de tecnologias wireless Fonte: http://www.gta.ufrj.br/ftp/gta/TechReports/Sergio07/Sergio07.pdf

Ao realizar uma comparao mais detalhada entre o ZigBee e tecnologias mais usuais, como o Bluetooth e o Wi-Fi, pode-se dizer que h muitas diferenas devido ao fato de terem sido projetadas para aplicaes distintas.

O Bluetooth um padro bem conhecido e utilizado constantemente para substituir cabos em comunicaes de curta distncia. aplicado em conexes ponto a ponto, pois testes realizados por fabricantes apresentaram problemas em redes maiores.

O Wi-Fi mais utilizado em redes IEEE 802.11, mesmo com maior largura de banda possui alto consumo se comparado ao ZigBee; adequado a aplicaes de udio e vdeo.

A Tabela 2 destaca as principais diferenas entre estas tecnologias.

Tabela 2 - Principais diferenas entre tecnologias wireless

ZigBee Bluetooth Wi-Fi

Standard IEEE 802.15.4 802.15.1 802.11a; 802.11b; 802.11g

Data rate 250kbps 1Mbps 11Mbps (b); 54Mbps (a, g)

Frequncias 898/915MHz; 2,4GHz 2,4 GHz 2,4 e 5GHz

Nmero de ns 65000 8 100+

Range 20 a 100m efetivos (1,5km

linha PRO)

8m (classes II e III) e 100m

(classe I) 100m

Modulao DSSS FHSS DSSS e OFDM

Arquitetura Mesh Peer to peer Star

Consumo (tpico) 30mA 65 a 170mA 350mA

Vida da bateria Anos (baixo ciclo) 4 a 8 horas (streaming

audio) 1 a 3 horas

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Aplicao principal

Sensores / controle,

Automao em grande

escala, monitorizao de

processos e controle

Voz, eliminao de

cabeamento

Redes WLAN de alta

velocidade, substituio

de cabos

Pontos fortes

Controle de muitos

dispositivos, pequenos

pacotes de dados, baixo

consumo

Tecnologia de Pan

dominante, j utilizado

em veculos, facilidade de

sincronizao

Tecnologia de WLAN

dominante, alta

velocidade, muito

conhecida e utilizada

Pontos fracos Baixa largura de banda Interferncia com Wi-Fi,

mdio consumo Alto consumo (geral)

1.9 TIPOS DE ANTENAS

Uma antena simplesmente definida, de acordo com o IEEE, como um meio para irradiar ou receber ondas de rdio.

Para melhorar a irradiao ou recepo das antenas so aplicadas tcnicas de diretividade, onde fatores como frequncia e ganho desejado so fundamentais para definir seu formato e dimenso.

Os mdulos XBee apresentam quatro opes de antenas ou conectores disponveis, o que proporciona escolher o dispositivo de acordo com a aplicao que se fizer necessria.

1.9.1 Diagrama de irradiao

A representao grfica da irradiao da antena o mapeamento da distribuio da energia irradiada, considerando um campo tridimensional, que pode ser realizado em campo ou atravs de simulador. Mostra a maneira como a energia irradiada pela antena se propaga no espao.

1.9.1.1 Antena tipo Chip

Antena acoplada diretamente ao dispositivo XBee, por este motivo a energia irradiada no direcional. Os mdulos dotados deste tipo de antena so adequados

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para qualquer tipo de aplicao, mas so especialmente direcionados para aplicaes embarcadas, uma vez que estas antenas irradiam atravs de caixas fechadas.

O diagrama de irradiao deste tipo de antena pode ser visualizado na Figura 27.

Figura 27 - Diagrama de irradiao da antena tipo Chip Fonte: http://ftp1.digi.com/support/images/XST-AN019a_XBeeAntennas.pdf

1.9.1.2 Antena tipo Whip

Este tipo de antena vertical com aproximadamente 25 milmetros, tambm conhecida como omnidirecional38, integrada ao dispositivo XBee e distribui uniformemente a irradiao no seu entorno.

Utilizando um mdulo XBee com este tipo de antena verificado uma radiao mais uniforme do que a obtida com a antena chip, o que favorece o desempenho do mdulo na maioria das aplicaes. tambm o mdulo com este tipo de antena que possui o preo mais acessvel.

Na Figura 28 mostrado o diagrama de irradiao deste tipo de antena.

38 Tipo de antena em que a onda eletromagntica propaga-se uniformemente em todas as direes.

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Figura 28 - Diagrama de irradiao da antena tipo Whip Fonte: http://ftp1.digi.com/support/images/XST-AN019a_XBeeAntennas.pdf

1.9.1.3 Conector U.FL e RPSMA

Os mdulos que no possuem antena acoplada so dotados de algum tipo de conector para permitir conexo com antena externa, atravs de cabeamento adequado, visando obter intensidade ou direcionamento de sinal diferentes dos obtidos com antenas acopladas aos prprios mdulos.

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2 MDULOS XBEE

Os mdulos XBee, padro IEEE 802.15.4 e ZigBee, so solues embarcveis de comunicao sem fio de baixo custo e baixo consumo da fabricante Digi, que tambm proprietria da MaxStream.

So os mdulos mais utilizados devido sua facilidade de aquisio e tambm de utilizao, pois compartilham um mesmo formato fsico e na sua configurao mnima so totalmente interoperveis com outros produtos que utilizam a tecnologia ZigBee.

A facilidade na utilizao dos mdulos se deve ao fato de se tratar de um sistema inteligente, que possui lgica que aceita comandos especificados pelo fabricante e aplicados pelo desenvolvedor. Para facilitar a configurao dos mdulos, a MaxStream disponibiliza gratuitamente um aplicativo chamado X-CTU39 que utilizado para configurar todos os parmetros dos mdulos XBee, como tambm realizar atualizaes de firmware40.

Na Tabela 3 possvel verificar a funo de cada pino dos mdulos Xbee.

Tabela 3 - Pinagem dos mdulos XBee41

39 Programa disponibilizado gratuitamente pela MaxStream, usado para facilitar a configurao dos

parmetros em mdulos XBee e XBee-PRO. 40

Instrues operacionais programadas diretamente no hardware de um equipamento. 41

Disponvel em: . Acesso em 15 set.2011.

63

Ainda na Tabela 3, possvel verificar que alguns pinos possuem mais de uma funo agregada, como entrada e sada digital, entrada analgica e sada Pulse-Width Modulation42 (PWM). Estas funes e parmetros podem ser configurados atravs do aplicativo X-CTU.

2.1 MDULOS XBEE 802.15.4 (SRIE 1)

Os mdulos XBee 802.15.4 e XBee-PRO 802.15.4 integram a mesma famlia, normalmente conhecida como Srie 1.

Estes mdulos, onde se utiliza diretamente o protocolo IEEE 802.15.4 programado atravs de comandos AT ou atravs do aplicativo X-CTU, funcionam somente na topologia ponto a ponto e podem facilmente substituir circuitos cabeados utilizando rdio frequncia.

As caractersticas apresentadas se referem aos mdulos XBee devido sua facilidade de programao e eficiente interoperabilidade entre transmissor e receptor.

2.1.1 Principais caractersticas

Visando atender principal caracterstica do protocolo que o baixo consumo de energia, os mdulos XBee 802.15.4 apresentam potncia de sada de 1mW e elevada sensibilidade no receptor, em torno de -92dBm43. Esta caracterstica permite aos mdulos operar a distncias de at 100m.

Os mdulos XBee-PRO 802.15.4 apresentam potncia de transmisso de aproximadamente 63mW e sensibilidade de -100dBm no receptor. Tais caractersticas proporcionam comunicao em visada direta em distncias de at 1km e at 300m com obstculos, o que depender de diversos fatores.

42 Sinal modulado que controla o valor da alimentao entregue carga.

43 Razo da potncia em decibel (dB) referenciado a 1mW. a abreviao para dB em relao a

1mW e o m em dBm significa miliwatt.

64

O funcionamento destes mdulos exige uma corrente de aproximadamente 50mA, sendo que os mdulos XBee-PRO podem chegar a 215mA para a mxima potncia, tanto para transmisso como recepo. No modo sleep o consumo se limita a 10A para uma tenso de alimentao de 3 a 3,3V.

Todos os mdulos desta famlia apresentam a mesma pinagem e configurao interna, se diferenciando apenas pelo tipo de antena, com as seguintes opes:

Antena tipo chip; Antena tipo whip; Conector U.FL para antena externa; Conector RPSMA para antena externa.

A Figura 29 ilustra os mdulos XBee Srie 1, destacando a diferena de acordo com o tipo de antena. No item 1.9 foi apresentado explicao sobre os tipos de antena utilizados e aplicaes.

Figura 29 - Mdulos XBee Srie 1 e os tipos de antena44 Fonte: http://www.xbeestore.com.br/

Para proporcionar uma ideia de tamanho, a Figura 30 apresenta as medidas exatas dos mdulos, onde pode ser visto que apenas o que os difere o tipo de antena.

44 Disponvel em: http://www.xbeestore.com.br. Acessado em 15 de agosto de 2011.

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Figura 30 - Dimenses dos mdulos XBee Fonte: http://ftp1.digi.com/support/documentation/mechanicaldrawings_xbee_oem_rfmodules.pdf

2.2 MDULOS XBEE ZB (SRIE 2)

Esta famlia de mdulos integrada pelos dispositivos XBee ZB e XBee-PRO ZB, que utilizam o padro IEEE 802.15.4 como base, mas com adio de funcionalidades de rede e roteamento.

As caractersticas fsicas dos mdulos desta Srie so exatamente as mesmas dos mdulos da Srie 1, vistos nos modelos da Figura 29 e nas caractersticas mecnicas da Figura 30.

O mdulo da Srie 2 tem com principal atribuio adicionar funcionalidades de rede ao sistema da Srie 1, visando expanso da rede com a insero de dispositivos repetidores entre mdulos onde no h possibilidade de comunicao direta.

2.2.1 Principais caractersticas

Mesmo no sendo possvel a comunicao entre mdulos desta srie com os da Srie 1, a caracterstica do baixo consumo de energia permanece.

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Esta srie de mdulos apresenta novos recursos, como a utilizao do chip EM250 da Ember45, protocolo robusto para utilizao em topologia mesh, fcil definio do modo de operao dos mdulos (coordenador, roteador ou dispositivo final) e funcionalidades como endereamento 16 e 64 bits e interoperabilidade com equipamentos ZigBee de outros fabricantes.

Os mdulos XBee ZB e XBee-PRO ZB que compem esta famlia de dispositivos se diferenciam, basicamente, pela potncia do transmissor, que de 1mW no XBee ZB e de 63mW no XBee-PRO ZB, e tambm no tamanho do dispositivo XBee-PRO ZB que um pouco maior. As medidas do mdulo XBee ZB so exatamente as mesmas encontradas nos mdulos da Srie 1, mostradas na Figura 30. J os mdulos XBee-Pro apresentam estrutura ligeiramente maior, como mostrado na Figura 31.

Figura 31 - Dimenses dos mdulos XBee-PRO Fonte: http://ftp1.digi.com/support/documentation/mechanicaldrawings_xbee_oem_rfmodules.pdf

As demais funcionalidades so equivalentes e podem ser configuradas atravs do aplicativo X-CTU ou comandos AT.

Devido propriedade de maior potncia do mdulo XBee-PRO ZB, a corrente tpica de transmisso de aproximadamente 215mA. No modo sleep igual aos demais mdulos, de aproximadamente 10A.

45 Empresa americana. Uma das fundadoras da ZigBee Alliance.

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2.2.2 Modos de operao

Os mdulos XBee e XBee-PRO se comunicam entre si atravs de comunicao serial, possibilitando funcionamento em dois modos distintos que so descritos a seguir.

2.2.2.1 Modo transparente

Por padro, os mdulos XBee e XBee-PRO funcionam em modo transparente. Quando esto operando neste modo, os mdulos executam uma transmisso serial, onde todos os dados a serem enviados so enfileirados para serem transmitidos e interpretados da mesma forma pelo mdulo receptor. Esta troca de informaes realizada da mesma forma que uma comunicao serial padro RS-23246, mostrada na Figura 32.

Figura 32 - Comunicao serial padro RS-232 Fonte: http://www.rogercom.com/ZigBee/ZigBeePag02.htm

2.2.2.2 Modo API

O modo de transmisso Application Programming Interface (API), uma alternativa ao modo transparente padro, baseado em frames que ampliam o nvel de recursos de rede do mdulo XBee. Com este modo de operao possvel encaminhar dados para mltiplos destinos e receber mensagens de recebimento ou

46 Padro de comunicao serial de dados binrios entre dispositivos.

68

falha no envio dos dados, identificando o endereo fonte de cada mensagem recebida.

A estrutura de um frame API mostrada na Figura 33.

Figura 33 - Estrutura do frame de dados no modo API Fonte: http://www.rogercom.com/ZigBee/ZigBeePag02.htm

2.3 CONFIGURAO DOS MDULOS XBEE

Operando em redes 802.15.4, a configurao dos mdulos da Srie 1 efetuada mediante comandos AT, podendo ser executada atravs do aplicativo X-CTU ou tambm no HyperTerminal do Windows.

2.3.1 Comandos AT

Uma das formas de configurao dos mdulos XBee e XBee-PRO so os comandos AT. Nos mdulos da Srie 1 estes comandos so utilizados para configurar ou realizar a leitura dos parmetros do mdulo local, enquanto que com os mdulos da Srie 2 h tambm a possibilidade de enviar os comandos AT de um mdulo a outro remotamente.

Para realizar esta configurao so utilizados os terminais RX, TX e GND do mdulo. Com a placa CON-USBEE47 ou INT70048 h a possibilidade de realizar a configurao dos mdulos atravs do programa X-CTU como tambm atravs do Hyper Terminal do Windows ou similares.

47 Placa de conexo USB tipo pendrive, comercializada pela empresa RogerCom, que facilita a

conexo e configurao dos mdulos XBee. 48

Placa de conexo USB, comercializada pela empresa Albacore, representante Digi International no Brasil, que conecta os mdulos Xbee ao computador para realizar a programao ou comunicao.

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O formato para enviar os comandos AT ao mdulo XBee mostrado na Figura 34.

Figura 34 - Formato dos comandos AT Fonte: http://www.rogercom.com/ZigBee/ZigBeePag03.htm

Para a configurao de um mdulo XBee atravs de comandos AT necessrio, primeiramente, que ele seja colocado em modo de comando. Isto possvel ao digitar trs caracteres +++, sem pressionar a tecla enter.

2.3.2 Placa CON-USBEE

Esta placa com conexo Universal Serial Bus49 (USB) tem por funo facilitar a conexo dos mdulos XBee e XBee-PRO ao computador, disponibilizando possibilidade de configurao, atualizao do firmware e tambm realizar a troca de dados ou controle dos mdulos remotos. Como os mdulos das famlias XBee e XBee-Pro so totalmente compatveis, atravs da placa CON-USBEE podem ser criadas, simultaneamente, redes ZigBee com ambos os mdulos.

A Figura 35 apresenta a placa CON-USBEE sem mdulo XBee acoplado.

Figura 35 - Placa CON-USBEE fornecida pela RogerCom Fonte: Autor

49 Conexo universal de diversos tipos de equipamentos ao computador.

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Esta placa possui as funcionalidades necessrias para a implementao de uma rede ZigBee, que so listadas abaixo:

Chip conversor USB/Serial; Regulador de tenso 3,3V para o mdulo acoplado; LEDs de indicao RX, TX e ASS (mdulo ligado); Comparador de tenso para simulao da intensidade do sinal RF,

indicado pelos LEDs RSSI; Boto de reset do mdulo XBee conectado a ele.

O boto para reset do mdulo e os LEDs das funes disponveis na placa so mostrados na Figura 36.

Figura 36 - Detalhe das funes da placa CON-USBEE Fonte: Autor

2.3.3 Parmetros Configurveis nos Mdulos XBee

Dentro de uma extensa lista de parmetros configurveis nos mdulos XBee, enfatizou-se os que foram utilizados na implementao prtica deste trabalho.

A Tabela 4 apresenta a descrio dos refer