Padrão de formatação · Web view36 Introdução xiii 36 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Monitorização da Qualidade do Ar utilizando Redes de Sensores Sem Fios

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Monitorização da Qualidade do Ar utilizando Redes de Sensores Sem Fios

Oportunistas

Monica Sofia Rei de Azevedo

VERSÃO PROVISÓRIA

Dissertação realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Major Automação

Orientador: Prof. Dr. Paulo José Lopes Machado Portugal

Março,2010

© Monica Azevedo, 2010

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Resumo

Neste trabalho será implementado um sistema baseado numa rede de Sensores Sem Fios que permitirá a monitorização da qualidade do ar de uma cidade através de uma infra-estrutura de transporte de passageiros existente, por exemplo STCP. As estações de monitorização da qualidade do ar encontram-se distribuídas pelas paragens dos autocarros da cidade onde os veículos de transporte de passageiros irão recolher as informações existentes em cada paragem.

Esta aplicação será implementada através de uma rede ZigBee onde a comunicação entre os vários nós (paragem e autocarro) será estabelecida quando o veículo se aproxima da paragem. Os nós comunicam entre si através de uma tecnologia RF especialmente desenvolvida para redes sensoriais, ZigBee, devido ao seu baixo custo, baixo tempo de resposta e baixo consumo de energia (ideais para uma rede de sensores que se pretende funcional durante muito tempo), aliados a um alcance satisfatório (100 m).

Os nós disseminam informação dentro da rede usando um algoritmo de encaminhamento específico para redes sensoriais, embebido no sistema operativo que corre nos módulos da rede.

Esta rede possui capacidades de adaptação a alterações da sua topologia (e.g. alterações devidas a vandalismo, mau funcionamento de um nó, mudanças de posição, encerramento da paragem, desvio do tráfego, etc.).

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Abstract

In this study we evaluated a network-based Wireless Sensor which will allow monitoring of air quality of a city by an infrastructure of existing passenger transport, for example STCP. The monitoring stations of air quality are distributed by the bus stops of the city where the carriage of passengers will gather existing information at each stop.

This application will be implemented through a ZigBee network where communication between the various nodes (stop and bus) will be established when the vehicle approaches the stop. The nodes communicate using an RF technology especially designed for sensory networks, ZigBee, because of its low cost, low latency and low power consumption (ideal for a network of sensors intended to be functional for a long time), together a satisfactory extent (100 m).

Nodes disseminate information within the network using a routing algorithm specific for sensory networks, embedded operating system that runs on the network modules. This network has ability to adapt to changes in their topology (eg changes due to vandalism, malfunction of one node, change position, stop the closure, detour traffic, etc.).

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v

Agradecimentos

Com os melhores …

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vii

Índice

Resumo........................................................................................iii

Abstract.......................................................................................iv

Agradecimentos............................................................................vi

Índice.........................................................................................viii

Lista de figuras..............................................................................x

Lista de tabelas............................................................................xi

Abreviaturas e Símbolos...............................................................xii

Capítulo 1......................................................................................1Introdução....................................................................................................................1

1.1 - Motivação e Contexto.......................................................................................11.2 - Objectivos........................................................................................................21.3 - Organização da Dissertação.............................................................................2

Capítulo 2......................................................................................3Redes Wireless.............................................................................................................3

2.1 Estado da Arte..................................................................................................32.2 Standards e Regulações.................................................................................112.3 Vantagens e Desvantagens de Redes Wireless...............................................152.4 Topologias......................................................................................................162.5 Radiofrequência e Comunicação Wireless.......................................................182.6 ZigBee RF4CE.................................................................................................19

Capítulo 3....................................................................................23Redes ZigBee.............................................................................................................23

3.1 Standard IEEE 802.15.4..................................................................................243.2 ZigBee Alliance...............................................................................................313.3 Topologias de Redes ZigBee...........................................................................333.4 Segurança em Redes ZigBee..........................................................................343.5 Encriptação e Protecção da Integridade..........................................................353.6 Interoperabilidade de Redes ZigBee...............................................................35

Capítulo 4....................................................................................37Inserção de referências no texto................................................................................37

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Referências.................................................................................38

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Lista de figuras

Figura 2.1 – Exemplo de um dispositivo em rede WPAN..........................................4

Figura 2.2 – Exemplo de rede WLAN........................................................................4

Figura 2.3 – Exemplo de um dispositivo em rede WPAN..........................................4

Figura 2.4 – Exemplo de um dispositivo em rede WWAN.........................................5

Figura 2.5 – Classificação das redes Wireless de acordo com a área de abrangência.......................................................................................................5

Figura 2.6 – Topologia típica WSN............................................................................6

Figura 2.7 – Logótipo Wi-Fi......................................................................................8

Figura 2.8 – Bluetooth..............................................................................................8

Figura 2.9 – Logótipo Wibree...................................................................................9

Figura 2.10 – Apresentação da ZigBee..................................................................10

Figura 2.11 – Logótipo Tiny...................................................................................11

Figura 2.12 – Tecnologias WPAN............................................................................12

Figura 2.13 – Tecnologias WLAN............................................................................13

Figura 2.14 – Tecnologias WLAN............................................................................14

Figura 2.15 – Regulação WPAN..............................................................................14

Figura 2.16 – Regulação WLAN..............................................................................15

Figura 2.17 – Regulação WLAN..............................................................................15

Figura 2.18 – Topologia de Rede Star....................................................................17

Figura 2.18 – Topologia de Rede Peer-to-Peer.......................................................18

Figura 2.18 – Topologia de Rede ZigBee Star........................................................26

Figura 2.18 – Topologia de Rede ZigBee Mesh......................................................26

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Figura 2.18 – Topologia de Rede ZigBee Cluster Tree...........................................27

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Lista de tabelas

Tabela 1.1 — Comparação das Tecnologias Wireless...............................................10

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Abreviaturas e Símbolos

ACK AcknowlegdmentAES Advanced Encryption StandardAPI Application Programming InterfaceBPSK Binary Phase Shift KeyingCBA Commercial Building AutomationCB Citizen BandCCA Clear Channel AssessmentCSMA/CA Carrier sense multiple access with collision avoidanceDSSS Direct Sequence Spread SpectrumETSI European Telecommunications Standards InstituteFCC Federal Communications CommissionFDD Full Function DevicesFEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do PortoFHSS Frequency Hopping Spread SpectrumGTS Guaranted-Time SlotHA Home AutomationHAN Half Assed NetworkIBC International Broadcasting CorporationIEEE Institute of Electrical and Electronics EngineersIpv6 Low power Wireless Personal Area NetworksIrDA Infrared Data AssociationISM Industrial, Scientific and MedicalITU-R International Telecommunication Union- Radiocommunication SectorLAN Local Area NetworkLLC Logical Link ControlLR-WPAN Low Rate Wireless Local Area NetworkMAC Media Access ControlMAN Metropolitan Area Network

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MIC Message Integrity CodeMP3 MPEG-1/2 Audio Layer 3MPI MultiPath InterferenceNWK NetworkOFDM Orthogonal frequency-division multiplexingO-QPSK Offset quadrature phase-shift keyingOSI Open System InterconnectionPAN Personal Area NetworkPDA Personal Digital AssistantsPHY Physical LayerRF4CE Radio Frequency for Consumer ElectronicsRF Radio frequencyRFD Reduced Function DeviceSE Smart EnergyTA Telecom ApplicationsWi-Fi Wireless FidelityWLAN Wireless Local Area NetworkWMAN Wireless Metropolitan Area NetworkWPAN Wireless Personal Area NetworkWSN Wireless Sensor NetworkWWAN Wireless Wide Area NetworkZHC ZigBee Health Care

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Capítulo 1

Introdução

1.1 - Motivação e Contexto

As comunicações sem fios (wireless) têm-se popularizado devido à sua simplicidade e baixo custo de instalação, associados a outros factores como escalabilidade, aumento da autonomia energética, flexibilidade, etc. Um dos protocolos emergentes para aplicações de elevada autonomia com necessidades de transmissão de dados não muito exigentes é o protocolo ZigBee o qual define as camadas de um sistema de comunicação suportado sobre IEEE 802.15.4 (que por si define as camadas física e de ligação de dados do modelo OSI).

A utilização de um número significativo de módulos ZigBee dispersos num determinado ambiente podem se associar a operações de monitorização e actuação que permitem implementar sistemas de controlo/comando sem fios e sistemas organizados de monitorização designados muitas vezes por redes de sensores (Wireless Sensor Network). Tal implica formar redes de forma organizada ou informal (ad-hoc). Há muita investigação e desenvolvimento tecnológico neste domínio assim como existem muitas aplicações potenciais.

Uma das potenciais aplicações em estudo refere-se a um veículo móvel (por exemplo um autocarro) que recolhe e transporta informação das estações que se encontram no seu percurso. Essas estações contêm módulos que permitem a sensorização de elementos relativos à qualidade do ar. Os módulos que contém os sensores são autónomos, extensíveis e podem estar em modo de poupança de energia, sleep, enquanto a rede ZigBee não necessita do seu serviço. Uma das mais valias desta rede é a de que utiliza de forma oportunista as infra-estruturas já existentes.

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Com base neste último parágrafo, é possível imaginar uma miríade de outras potenciais aplicações. Por exemplo a recolha de leituras de contadores de energia, contadores de água, contador do gás de uma urbanização. O veículo recolhe, ao longo do seu percurso, as leituras de cada habitação para posteriormente os libertar no terminal do seu percurso.

Inúmeras aplicações podem de facto ser desenvolvidas com baixo custo e baixo consumo energético através de redes ZigBee.

1.2 - Objectivos

Esta dissertação consiste em projectar e implementar uma rede ZigBee que permita que um veículo móvel recolha a informação disponível em estações fixas. Os dados recolhidos em cada estação devem ser armazenados no veículo e posteriormente depositados no terminal do percurso. Esta rede visa monitorizar a qualidade do ar de uma cidade.

O sistema a ser desenvolvido utiliza oportunistamente a infra-estrutura dos transportes públicos de uma cidade. A mesma contém autocarros e estações de paragem. À medida que o autocarro executa o seu percurso ao longo da cidade, ao aproximar-se das paragens, recolhe dados das estações de monitorização do ar.

Os dados recolhidos serão armazenados no veículo até serem transferidos para uma aplicação de processamento central.

Neste trabalho serão implementados os módulos referentes às paragens e aos veículos.

1.3 - Organização da Dissertação

Esta dissertação contém X capítulos. Após este capítulo introdutório em que se descreve a motivação e contextualização, bem como os objectivos propostos da dissertação, segue-se um segundo capítulo em que se apresenta o estado da arte das redes Wireless.

Neste segundo capitulo refere-se, ainda que superficialmente, as tecnologias, standards e regulações das redes Wireless e das telecomunicações. Tal referência permite uma maior sensibilização para o estado da arte das redes Wireless, onde se inclui o protocolo central desta dissertação, Redes ZigBee. Discute-se também os prós e contras da utilização de redes sem fios, topologias de

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redes que se podem construir e finalmente, faz-se uma apresentação do modo como se realizam as comunicações entre os dispositivos da rede Wireless – Radiocomunicação, em particular, as redes ZigBee.

O terceiro capítulo é introduzido no final do capitulo anterior e descreve as redes ZigBee…………………………………………………..

Capítulo 2

Redes Wireless

2.1 Estado da Arte

As redes Wireless referem-se a comunicações que se estabelecem entre dispositivos sem o uso de qualquer tipo de cabos (telefónicos, ópticos, coaxiais) ou fios. Nos últimos anos têm havido um forte desenvolvimento tecnológico nas áreas de sensores, circuitos integrados e comunicações sem fios. Neste contexto surgiram as redes sem fios, mundialmente conhecido como redes Wireless. A dimensão da tecnologia Wireless é muito vasta, podem ir de simples transceptores de rádio como por exemplo walkie-talkies até satélites artificiais no espaço. Desta forma é necessário classificar as redes Wireless de acordo com a sua área de abrangência:

Redes Pessoais ou curta distância (WPAN): Redes muito utilizadas em comunicações ponto a ponto mas também podem ser utilizadas em comunicação de um ponto (dispositivo) para vários. A distância entre dispositivos deve variar entre 1 a 10 metros. Destinam-se a redes com reduzida taxa de transmissão (100-200 kbps). Nos últimos anos têm sido


muito utilizadas nos mercados industriais mas pouco utilizado em ambientes industriais. Nos próximos anos poder-se-á assistir a um grande desenvolvimento destas redes em fábricas e indústrias;

Figura 2.1 – Exemplo de um dispositivo em rede WPAN

Redes Locais (WLAN): Redes muito utilizadas em redes Ad-Hoc, na topologia Mesh. A distância entre dispositivos deve ser de algumas dezenas em ambientes interiores e de algumas centenas em ambientes exteriores. Destinam-se a redes com elevada taxa de transmissão (1-20 Mbps). Esta tecnologia tem sido muito usada principalmente em aplicações LAN (Local

Area Network) e Public Internet Hot-Spot que englobam ambientes não industriais. Actualmente está-se a desenvolver estas redes em ambientes industriais que se perspectivam muito robustas e reconfiguráveis.

Figura 2.2 – Exemplo de rede WLAN

Redes Metropolitanas (WMAN): Estas redes interligam vários LAN geograficamente próximos (no máximo, a algumas dezenas de quilómetros) com débitos importantes. Assim, uma MAN permite a dois nós distantes comunicar como se fizessem parte de uma mesma rede local. Uma MAN é formada por comutadores ou switchs interligados por relações de elevado débito (em geral, em fibra óptica).

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Figura 2.3 – Exemplo de um dispositivo em rede WPAN

Redes geograficamente distribuídas ou de longa distância (WWAN): Redes muito utilizadas em comunicações ponto a ponto de longa distância e elevada taxa de transmissão. A distância entre dispositivos nestas redes pode chegar a centenas de metros e a taxa de transmissão a 10Mbps.

Figura 2.4 – Exemplo de um dispositivo em rede WWAN


Figura 2.5 – Classificação das redes Wireless de acordo com a área de abrangência

Paralelamente, o avanço dos Sistemas Embebidos potenciou um maior poder computacional e de armazenamento de informação. Portanto, sistemas como telemóveis, leitores MP3, consolas portáteis, PDAs e, também, sistemas desenvolvidos para redes de sensores marcaram a sua posição nos mercados mundiais.

No caso das redes de sensores, a redução do tamanho físico dos dispositivos permitiu que num reduzido espaço físico sejam colocados, além do microcontrolador, meios de comunicação, armazenamento, sistemas de recolha de dados (sensores) e ainda interferência com o ambiente (actuadores).

As WSNs são compostas por um conjunto de nós distribuídos numa dada região e com ela interage para cumprir determinados requisitos. Portanto, o objectivo desta dispersão de nós é adquirir um determinado conjunto de informação necessária para monitorização e/ou controlo de um ambiente específico. Na Figura 2.6 retrata-se uma topologia típica de redes de sensores sem fios.

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Figura 2.6 – Topologia típica WSN

Um nó WSN destina-se a actuar como:

Data Source que permite acções de aquisição, processamento, memorização, comunicação sem-fios, e actuação no próprio ambiente;

Data Router que transmite a informação de um nó vizinho para outro através da estação de controlo. A estação de controlo processa e analisa a informação recolhida pelos diferentes nós/sensores da rede.

O design das redes WSN é influenciado sobretudo pela relação potência/eficiência capaz de cumprir limites no consumo de energia. Contudo, a complexidade do design das redes aumenta quando o sistema tem requisitos de tempo real e/ou escalonamento de acções.

Diversos standards para comunicação sem fios surgiram ao longo da última década, o que permitiu um novo conjunto de possíveis aplicações para estes sistemas.

A comunicação entre os sensores da rede pode ser simplex, half-duplex ou full

duplex. Num sistema simplex a comunicação é estabelecida numa única direcção. Por sua vez, um sistema Half-Duplex, usado em Citizem Band (CB) e outros formatos rádio, a comunicação pode ocorrer nos dois sentidos mas não simultaneamente, isto é, podem ouvir e falar mas nunca ao mesmo tempo. No caso dos sistemas full-duplex os dispositivos podem transmitir e receber ao mesmo tempo. Dispositivos mais sofisticados podem simular o full-duplex transmitindo e recebendo muito rapidamente. A comunicação que aqui se trata é estabelecida via ondas de rádio (radiofrequência) ou infravermelhos (apenas com dispositivos

Gateway

Estação de Controlo

PDA

Network

LDC monitor

Rede de Sensores


compatíveis com IrDA). Estas possibilidades trouxeram um novo conjunto de desafios inerentes à comunicação sem fios e principalmente à autonomia dos nós da rede, que se pretendia cada vez mais autónoma e duradoira.

A interacção entre os nós da rede pode ser estabelecidas das seguintes formas:

master-slave, peer-to-peer ou broadcast. No modo master-slave um nó assume o comando da rede e os restantes nós da rede obedecem às intrusões que o master

indica, tomando por isso a designação de slaves. Este modo culmina num tráfego reduzido visto os slaves apenas reponderem quando o master requer, e ao mesmo tempo, não existe comunicação entre slaves que não seja controlada pelo master. Por sua vez, no modo peer-to-peer todos os nós sao iguais. Um nó pode ser configurado como master e posteriormente ser reconfigurado como slave. É uma interacção muito flexível e por isso mais difícil de controlar. Finalmente, uma interacção Broadcast é muito semelhante à interacção master-slave, mas o master

pode enviar comandos a mais do que um slave ao mesmo tempo. Resta salientar que muitos protocolos industriais são baseados fundamentalmente no protocolo master-slave.

As WSNs têm sido implementadas de acordo com os seguintes Standards: IEEE

802.11, ZigBee, Bluetooth, Wibree e 6loWAP (IPv6). O Standard IEEE 802.11 foca os dois níveis inferiores do modelo OSI: a camada

física (PHY) e a camada de ligação de dados (MAC). A família 802.11 inclui seis técnicas de modulação over-the-air. As mais populares são: IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g. Os standards IEEE 802.11b e IEEE 802.11g usam a banda de frequências 2.4GHz. Por este motivo podem interferir entre si e mesmo com outras aplicações que utilizem a mesma banda: telefones, dispositivos Bluetooth, etc. Já o Standard IEEE 802.11a utiliza a banda 5GHz e por isso não interfere com os dispositivos na banda 2.4GHz. Esta família define as WLAN e fornece um número de canais com uma dada banda e respectiva taxa de transmissão. Neste ponto são especificados os Frequency-Hopping Spread Spectrum [FHSS] ou o direct sequence

Spread Spectrum [DSSS]. O standard IEEE 802.11 especifica LANs com no mínimo duas estações: IEEE

802.11a [Wi-Fi] transmite na frequência 5GHz com taxa de transmissão de 54Mbps usando Orthogonal Frequency Division Multiplexing [OFDM]. IEEE 802.11b [Wi-Fi] transmite na banda de frequência de 2.4GHz com taxa de transmissão de 11Mbps usando DSSS. O standard IEEE 802.11g [Wi-Fi] transmite na banda de frequência de 2.4GHz com taxa de transmissão de 54Mbps usando DSSS ou OFDM. É de salientar que IEEE 802.11b e IEEE802.11g são compatíveis pelo que podem coexistir na

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mesma rede. O standard IEEE 802.11h transmite na banda de frequência de 5GHz com a taxa de transmissão de 100Mbps.

Figura 2.7 – Logótipo Wi-Fi

O Bluetooth consiste numa tecnologia de comunicação sem fios de forma segura. É uma tecnologia robusta, de baixo consumo e de custo reduzido. Cada dispositivo pode comunicar directamente com sete dispositivos. Apesar de ser uma tecnologia de baixo consumo, a durabilidade da bateria depende da bateria do dispositivo em que se encontra embebido. Por exemplo, o serviço Bluetooth dos telemóveis apenas pode ser prestando enquanto a sua bateria permitir que este se encontre ligado. Opera na banda não licenciada ISM de 2.4GHz a 2.485GHz num sinal full-duplex à taxa nominal de 1600hops/sec. A tecnologia Bluetooth desenvolveu capacidade para reduzir a interferência entre as tecnologias Wireless que partilham o espectro 2.4GHz.

Figura 2.8 – Bluetooth

Assim, os protocolos Wi-Fi ou Bluetooth, apesar de bem instalados no mercado que formam com sucesso redes ad-hoc nos dispositivos que o utilizam, desde computadores portáteis, telemóveis, consolas, auriculares sem-fios, etc., a sua implementação em redes sensoriais não foi equacionada devido ao seu grande consumo energético.

Comunicações por radiofrequência são um método de baixo custo e reduzido consumo para transmissão de dados, tornando-se altamente indicado para este tipo


de redes. No entanto, as comunicações sem fios por este sistema devem assentar num protocolo que assegure não só a fiabilidade dessas mesmas transmissões, como também minimize o consumo da rede, através da redução de solicitações aos nós para retransmissão de pacotes.

O interesse por baixos consumos energéticos em pequenos dispositivos é enorme, e novas normas e conceitos vão surgindo. Em 2006, a Nokia anunciou o Wibree, baseado também em tecnologia RF, destinado para dispositivos com ultra baixo consumo (alimentados a baterias tipo botão e comunicações de curto alcance, como relógios de pulso, teclados sem fios, brinquedos e sensores desportivos). Funcionando também na banda ISM de 2.4GHz, e surge como complementar (e potencial substituto) do Bluetooth.

Figura 2.9 – Logótipo Wibree

6loWPAN é o nome dado ao grupo de trabalho na área da internet IEFT. Permite que pacotes IPv6 sejam enviados e recebidos a partir de redes PAN mais especificamente IEEE 802.15.4 através da internet.

Com o intuito de maximizar a longevidade destas redes, surgiu o protocolo 802.15.4, mais conhecido como ZigBee. Com este protocolo possibilitou-se que os nós da rede permanecessem adormecidos a maior parte do tempo, salvo quando são necessários para efectuar tarefas na rede. Para tirar ainda melhor partido deste estado, inúmeros métodos de encaminhamentos de mensagens foram adaptados a estas redes para tentar minimizar a actividade dos nós na rede, aumentando assim consideravelmente a sua duração. Nos últimos anos, começaram a ser desenvolvidos algoritmos de encaminhamento especialmente concebidos para redes de sensores, que incorporam conceitos de agregação ou de cache de dados recentemente obtidos nos nós.

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Figura 2.10 – Apresentação da ZigBee

Na tabela 1.1 podemos comparar características técnicas mais detalhadas das soluções tecnológicas Wireless acima apresentadas. A escolha da tecnologia que melhor se adequa à aplicação que se pretende realizar depende muito dos requisitos dessa mesma aplicação bem como das características técnicas das soluções Wireless existentes. Assim, para ambientes que se enquadrem na descrição de redes WPAN (curta distancia, baixa taxa de transmissão) podemos utilizar as tecnologias ZigBee, Bluetooth e Wibree (englobando ambientes industriais e não industriais). No caso de redes WLAN tanto a taxa de transmissão como o alcance que se precisa é superior às redes WPAN, portanto, a tecnologias Wi-Fi (801.11b e 802.11g) são as mais adequadas por satisfazerem estes requisitos. Para as redes WWAN, definidas pela necessidade de transmitir a longa distância e a elevada taxa de transmissão as tecnologias que melhor se adequam são claramente as tecnologias de comunicação móvel, por exemplo, GPRS, e ainda as tecnologias WiMAN e WiMAX definidas os standards IEEE 802.16.

Tabela 1.1 — Comparação das Tecnologias Wireless

Standard ZigBee/IEEE802.15.4 Bluetooth IEEE502.11 b/g

UWB

Frequência de

operação

868/915 MHz, 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 3.1-10.6 GHz

Distancia (m) 30-70+ 10-30 30-100+ ~10

Taxa 20/40/250kbps 1Mbps 2-54Mbps 100+Mbps

Devices 255-65k 8 50-200

Consumo ~1 mW ~40-100mW ~160mW- ~80-300 mW


600W

Custo ~2-5 ~4-5 ~20-50 ~5-10

Actualmente, com a optimização do consumo energético na rede aliado a maior espaço de armazenamento e processamento, novas abordagens estão a ser feitas. O estado da arte nesta área consiste na aproximação com Tiny DB. O Tiny DB é um processador de aquisição de queries distribuídas que corre em cada nó numas redes sensorial, sobre o Tiny OS. Tem a capacidade de controlar quando, onde, e com que regularidade os dados devem ser obtidos na rede de forma a reduzir o consumo energético, contendo ainda muitas das características associadas a outros algoritmos, como selecção, decisão, agrupamento a agregação de dados. A BD contém uma tabela com uma coluna para cada tipo de sensor existente, e um novo tuplo é adicionado à tabela em intervalos regulares sempre que um novo dado é obtido, contendo mais informação referente ao identificador do nó, localização, hora de aquisição e o valor da leitura.

Figura 2.11 – Logótipo Tiny

Futuramente, podemos esperar ver novas normas sem fios, que apresentam soluções mais flexíveis, mais optimizadas para os recursos disponíveis, mais autónomos e, principalmente, mais baratos e massificados no mercado, possibilitando que de uma forma fácil e quase imediata consigamos estabelecer comunicações entre os mais variados dispositivos.

2.2 Standards e Regulações

Os Standards nas telecomunicações são fundamentais para que seja possível a interoperabilidade dos sistemas. Nas tecnologias Wireless este requisito não é excepção. As tecnologias Wireless têm vários standards alguns dos quais são incompatíveis entre si. Na secção anterior já foram apresentados os principais protocolos existentes. Segue-se uma breve referência aos protocolos mais utilizados no âmbito das redes Wireless:

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IEEE 802.3: colecção que especificam a camada física (PHY) e a sub-camada MAC da do Modelo OSI para o protocolo Ethernet, tipicamente numa tecnologia LAN com algumas aplicações WAN. As ligações físicas são estabelecidas entre dispositivos por vários tipos de cablagem de cobre ou fibra.

IEEE 802.11 (Wi-Fi): colecção que especifica as tecnologias WLAN: IEEE 802.11 a: pode atingir velocidades de 54Mbps; IEEE 802.11b: pode atingir velocidades de 22Mbps; IEEE 802.11g: pode atingir velocidades de 54Mbps.

IEEE 802.15: colecção de standards tipicamente utilizados numa tecnologia WPAN. As mais utilizadas são: IEEE 802.15.1 (Bluetooth); IEEE 802.15.3 (UWB) especifica as camadas MAC e PHY para altas taxas de transmissão (11-55Mbps) e IEEE 802.15.4 (ZigBee) especifica a camada PHY e MAC para baixa taxas de transmissão

IEEE 802.16 (WiMAN): colecção de standards tipicamente utilizados numa tecnologia WMAN: IEEE 802.16 a (WiMAX). Especificam as camadas PHY e MAC do modelo OSI.


Figura 2.12 – Tecnologias WPAN

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Figura 2.13 – Tecnologias WLAN


Figura 2.14 – Tecnologias WLAN

A regulação é extremamente importante na tecnologia Wireless em todo o mundo até porque, não se verificando determinadas condições, a probabilidade de ocorrência de interferências entre as diferentes transmissões pode ser elevada. Para resolver este problema, a transmissão Rádio deve ser gerida com base em diferentes dimensões incluindo a alocação no espectro de frequências e a potência do sinal.

Figura 2.15 – Regulação WPAN

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Figura 2.16 – Regulação WLAN

Figura 2.17 – Regulação WLAN

A ITU-R (International Telecommunications Union – Radiocommunication Sector) é uma das entidades principais a trabalhar na regulação das redes em que a comunicação se estabelece via rádio. Seu papel é o de gerir o espectro internacional de frequências rádio e dos recursos de satélites de órbita no sentido de desenvolver padrões para os sistemas de radiocomunicações. O objectivo é o de assegurar o uso eficiente do espectro; os Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) têm desenvolvido continuamente standards para Wireless LANs através de 802.11 Working Group.

Em 1998 a Comissão Europeia fundou o European Telecommunications Standards Institute (ETSI) que define padrões tais que possibilitem a uniformização do mercado europeu de telecomunicações.

O Wireless Telecommunications Bureau (WTB) lida com quase todos os programas nacionais de FCC de telecomunicações sem fio, políticas e iniciativas de sensibilização.

2.3 Vantagens e Desvantagens de Redes Wireless

As redes Wireless revelam-se vantajosas em vários aspectos embora existam situações em que o seu uso é impraticável.

Uma vantagem latente das redes Wireless é precisamente a ausência de custos associados à utilização de cabos. Deste modo não existe planeamento em termos de comprimento de fios e sua disposição na planta da instalação do sistema. As redes Wireless trabalham bem em terrenos agrestes onde a distribuição espacial de fios seria muito problemática e mesmo impossível. No entanto o custo


dos dispositivos das redes Wireless pode ser superiores aos custos associados aos dispositivos de uma rede com fios.

As redes Wireless também oferecem uma excelente portabilidade uma vez que as antenas podem facilmente ser configuradas e adaptadas a novas condições e transportadas para diferentes locais. Para as mesmas condições de utilização, os fios teriam de ser trocados (por tamanhos diferentes) e incrementar-se-ia o montante dispendido na cablagem.

Outra vantagem das redes Wireless consiste na sua capacidade de se reconfigurar em caso de falha de comunicação entre dispositivos. Já no caso das redes com fios, se um cabo se danificar a sua detecção não só poderá ser dificultada como também não existe qualquer mecanismo capaz de recuperar essa falha (a não ser a substituição manual do cabo).

O baixo consumo associado às WSNs é também muito vantajoso nestas redes tal como as topologias adaptativas (star, tree, mesh) e as comunicações had-hoc.

As redes Wireless contudo apresentam algumas limitações. A principal

limitação consiste na capacidade do espectro de frequências – trata-se de um recurso limitado. As ondas rádio operam entre os 30Hz e os 30GHz. O espectro em si pode parecer abrangente, contudo existem muitas aplicações a competir entre si e nem todas as bandas de frequência estão disponíveis. Por outro lado as telecomunicações também sofrem erros de performance e segurança de informação.

Existe outro problema com as redes Wireless que é muito semelhante ao efeito de eco existente nas redes com fios. Trata-se de um fenómeno conhecido por MPI (MultiPath Interference) ou multipath fading. Como os sinais rádio se propagam do transmissor para o receptor, estes sinais espalham-se naturalmente independentemente do sucesso com que foram modulados. Este fenómeno pode levar a confusão nos receptores e assim a comunicação fica inviabilizada.

A qualidade de serviço das redes Wireless pode ser inferior ao das redes cabladas devido à pequena banda passante e devido às limitações da radiofrequência bem como a elevada taxa de erro devido à interferência. Por outro lado, a segurança intrinsecamente ligada aos canais sem fios são mais susceptíveis a interceptores indesejados. O uso de ondas de rádio na transmissão de dados também pode interferir em outros equipamentos. Além disso, equipamentos eléctricos são capazes de interferir na transmissão acarretando em perdas de dados e alta taxa de erros na transmissão.

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2.4 Topologias

Uma WLAN pode ser configurada com três topologias possíveis: topologia em estrela, ponto a ponto ou emalhada. Cada topologia tem as suas próprias vantagens e é escolhida de acordo com a necessidade do utilizador.

2.4.1 – Topologia Star

Numa topologia em star a comunicação estabelece-se em dois canais separados. O nó no centro da rede é chamado de Coordinator enquanto os nós circundantes podem ser Routers ou End-Devices.

Figura 2.18 – Topologia de Rede Star

A comunicação do Coordinator com os restantes nós da rede é estabelecida num canal enquanto a comunicação no sentido oposto é estabelecida no outro canal.

Esta topologia é centralizada, conforme a Figura 2.18. Por este motivo é muito previsível e fiável para os dispositivos clientes. Contudo, se a conexão estiver muito fraca entre um determinado nó e o nó Coordinator, não existirão alternativas para se estabelecer outra conexão. Postas estas considerações, a maior vantagem destas redes são precisamente o uso das funções do nó Coordinator central. Nestas funções incluem-se a estimação do canal, o encaminhamento da informação para o nó destinado e a alocação de recursos.

Esta topologia é preferida por comerciais de redes sem fios por exemplo comerciais de telecomunicações e sistemas de paginação.


2.4.2 Topologia Peer-to-PeerEsta topologia interliga um dado conjunto de nós embebidos num adaptador

sem fios. Os nós auto-configuram-se para formar uma aplicação de controlo distribuída. Estas redes também são conhecidas como redes had hoc.

Figura 2.19 – Topologia de Rede Peer-to-Peer

A conexão entre dois nós numa rede consiste em uma ou mais ligações ponto a ponto. Se ocorrer uma falha numa ligação entre dois nós intermédios, a conexão dessa ligação é perdida. Esta desvantagem é contudo compensada com a possibilidade de cada nó poder ter mais do que uma ligação com outros nós e assim poder estabelecer uma conexão alternativa.

Outros aspectos destas redes são: não necessitarem de infra-estruturas já existentes para estabelecer a rede e são facilmente configuráveis.

Esta topologia é ideal para aplicações militares.

2.4.3 Topologia Hierárquicas

Como o próprio nome indica, esta topologia é ideal para redes que abrangem uma grande área de cobertura em que as regiões dessa área se podem relacionar hierarquicamente, por exemplo: país, regiões, cidades, aldeias, casa, quartos.

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2.5 Radiofrequência e Comunicação WirelessUm número significante de protocolos industriais utiliza sistemas de

transmissão através de ondas Rádio. A razão da sua escolha resulta dos seguintes aspectos:

O custo de sistemas com fios excede largamente o custo de sistemas de transmissão Rádio;

Os sistemas Rádio podem ser instalados mais rapidamente que os sistemas com fios;

Os dispositivos Rádio são portáveis e portanto podem ser facilmente deslocados;

2.5.1 Componentes das ligações Rádio

Para se estabelecer um sistema de transmissão Rádio são necessários os seguinte componentes: Antenas, Transmissores, Receptores, Estrutura de suporte das antenas, Interface de Equipamento.

As antenas são utilizadas para irradiar e detectar ondas electromagnéticas. Estas podem ter diferentes designs e irradiam de diferentes formas. O tipo de antena a escolher depende da aplicação e da área de cobertura. Os Transmissores convertem os sinais de vos ou informação num sinal de maior frequência modificado.

Esta conversão é conhecida por Modulação. O sinal modulado é aplicado à antena que o irradia para o espaço livre sobre a forma de uma onda electromagnética de frequência rádio. Os Receptores são os dispositivos que convertem os sinais de frequência rádio detectados pelas antenas receptoras no seu sinal original (vós ou informação).

As Estruturas de Suporte das antenas servem precisamente para suster as antenas. O Equipamento de Interface por sua vez permite conectar o sinal de vos ou informação entre o emissor e o receptor. Também controla o fluxo de informação, o tempo de operação do sistema e permite acções de monitorização e controlo entre o emissor e o receptor.

2.5.2 Funcionamento das ligações rádio

Dado como caso de estudo as redes WLAN, verifica-se que o modo de funcionamento das ligações rádio é relativamente simples. Através da utilização das portadoras de rádio as WLAN estabelecem a comunicação com outros pontos


da rede. Os dados são modulados na portadora de rádio e transmitidos entre os vários pontos da rede. A modulação dos dados ocorre na portadora de rádio e são transmitidos sob a forma de ondas electromagnéticas.

É verdade que múltiplas portadoras de rádio podem coexistir num mesmo meio, sem que se interfiram entre si. De facto, para extrair os dados emitidos por um determinado canal, o receptor sintoniza-se na frequência desse sinal e rejeita todas as portadoras que não pertençam à frequência sintonizada.

2.6 ZigBee RF4CEA solução inicialmente mais utilizada nas redes Wireless era o controlo remoto

por infravermelhos. Porém esta solução possui algumas limitações e levantam algumas dificuldades numa escala mais alargada de utilização: limites de distância, campo de visibilidade. Por outro lado, faces ás exigências do mercado inerente aos avanços da electrónica, os IR remotos têm perdido os seus pontos fortes e possuem grande resistência à inovação. Desta feita, o standard ZigBee RF4CE baseado na transmissão de informação através de ondas electromagnéticas despoletou produtos mais robustos. Este avanço tornou-se na solução preferida no mercado da energia, Home Automation e Saúde.

A ZigBee RF4CE especifica uma solução simples, robusta com redes de comunicações de baixo custo que permite uma conexão Wireless em aplicações electrónicas. Opera na banda de frequência de 2.4Ghz de acordo com o standard IEEE 802.15.4 e possui um canal de operação ágil ao longo de três canais. Incorpora um mecanismo de gestão de consumo para todas as classes de dispositivos. Contudo, para permitir um serviço robusto contra interferências, esta banda utiliza apenas os canais 15, 20 e 25. O dispositivo de referência pode escolher o canal para iniciar a rede.

Permite múltiplas topologias star com comunicação entre PAN assim como várias opções de transmissão: unicast, broadcast, opção de acknowledgment e de segurança. Possui um mecanismo de geração de chaves de segurança: standard AES-128.

2.6.1 Topologia de Rede ZigBee RF4CE

Um PAN ZigBee RF4CE é composto por dois tipos de dispositivos: um dispositivo de referência e um dispositivo de controlo. O dispositivo de controlo possui as mesmas características que um PAN Coordinator. Um dispositivo de controlo pode juntar as redes iniciadas pelos dispositivos de referência. Múltiplas ZigBee RF4CE

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PANs formam uma rede ZigBee RF4CE onde todos os dispositivos podem comunicar entre si.

Para comunicar com o dispositivo de referência o dispositivo de controlo deve primeiro comutar para o canal respectivo e assumir o identificador PAN do destino. De seguida, através do endereço de rede encontra-se o par correspondente e estabelece-se a troca de informação entre ambos os dispositivos. Quando o dispositivo de referência comuta para outro canal, o dispositivo pode continuar a transmissão noutro canal até que a comunicação com o novo canal seja requerida.

A ZigBee RF4CE inicializa-se de acordo com o dispositivo de referência ou o dispositivo controlador. O dispositivo de controlo simplesmente configura a pilha de acordo com o standard e começa a operar normalmente. Para tal, o dispositivo de referência inicia um scan para obter informações sobre canais livres e ocupados, com os quais possa operar. De seguida o dispositivo de referência configura o scan no sentido de determinar os identificadores desses canais.

A poupança de energia é um requisito fundamental de um dispositivo ZigBee RF4CE. Como consequência, a especificação define um mecanismo de poupança de energia que permite aos dispositivos de referência e controlo gerir o seu consumo de energia através de um modo de poupança de energia Sleep. O mecanismo de poupança de energia encontra-se definido nos perfis de aplicação pública.

Quando um dispositivo está em modo de poupança de energia o receptor é activado durante um determinado tempo definido na aplicação, após o que é desactivado. Este mecanismo é repetido na aplicação durante um determinado intervalo de tempo, definindo-se assim, o duty-cycle. Qualquer dispositivo pode comunicar com um dispositivo que se encontre num modo de poupança de energia referenciando a transmissão durante o período de tempo activo. Desta feita temos um dispositivo que periodicamente activa a recepção de estímulos por um curto período de tempo.

2.6.2 Arquitectura ZigBee RF4CE

A arquitectura ZigBee é definida em termos do número de blocos ou camadas no sentido de simplificar a especificação. Cada camada é responsável por uma parte da especificação e oferece serviços para a camada seguinte superior e utiliza os serviços da camada inferior. A interface entre as camadas defina as ligações lógicas. O layout das camadas é baseado no Open System Interconnection (OSI).

A especificação ZigBee RF4CE foi desenhada sobre ao standard IEEE 802.15.4 (camadas PHY e MAC) e oferece funcionalidades de rede e perfis de aplicações públicos que servem de interface com as aplicações do consumidor final.


A camada de rede assegura transmissões seguras entre os dispositivos. Suporta três tipos de redes nomeadamente: star, tree, mesh. O ZigBee Coordinator é o responsável pela inicialização, manutenção e controlo da rede. Na topologia star os dispositivos estão directamente ligados ao ZigBee Coordinator pelo que a eventual comunicação entre dispositivos (ZigBee Routers ou ZigBee End-Device) passa necessariamente pelo ZigBee Coordinator. Na topologia tree e mesh os dispositivos podem comunicar entre si. Os dispositivos RFD podem se associar à rede através do ZigBee Coordinator ou ZigBee Router.

A camada de rede (NWK) oferece dois serviços: NWK layer data service que faz a interface com o NWK layer data entity; e o NWK layer managment service, que estabelece a interface com o NWK layer management entity.

A NWK layer data service permite a transmissão e recepção do NWK protocol data units sobre a camada MAC (MAC data service). A NWK layer management service permite serviços de emparelhamento, desemparelhamento, controlo de recepção, inicialização de dispositivos e manipulação de atributos NIB.

2.6.3 NWK Frames

A camada de rede ZigBee RF4CE define três tipos de frames: standard data, network command e vendor specific data.

As frames Standard data transportam informação da aplicação para os perfis de aplicação pública. As frames network comand transportam informação permitem a descoberta da rede bem como o emparelhamento de nós. As frames vendor specific data transportam informação específica do fabricante.

As funções de cada campo da NWK frame descrevem-se da seguinte forma:

Frame control: controlo da informação da frame; Frame Counter: incremento do contador ao detectar duplicações e previne

ataques de segurança; Profile Identifier: formato da frame de aplicação a ser transportada; Vendor Identifier: permite extensões do fabricante; Frame Playload: contem a frame de aplicação; MIC: fornece a autenticação/segurança contra intrusões.

A ZigBee RF4CE especifica um número de transmissões que podem ser usadas numa aplicação e combinadas de forma apropriada. Cada transmissão pode se enviada de forma segura ou insegura:

Acknowledgement: informação de origem é confirmada pelo receptor. Unacknowledgement: informação de origem não é confirmada pelo receptor.

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Unicast: a informação de origem é enviada para um receptor específico. Broadcast: informação de origem é enviada para todos os receptores. Múltiplos canais: o dispositivo de origem tenta transmitir usando

mecanismos de requisição de frequência. Canal Único: o dispositivo de origem tenta transmitir no canal esperado.


Capítulo 3

Redes ZigBee

As redes ZigBee são conhecidas por usufruírem de uma electrónica simples, de baixo custo e baixo consumo (uma bateria poderá durar 1000 dias) e permite grande escalabilidade e expansão, o que torna esta tecnologia a ideal para sensores, controladores, monitorização remota e dispositivos electrónicos portáveis. A eficiente gestão de consumos de energia de dispositivos ZigBee consegue-se através das rápidas operações de associação, troca de informação e da utilização do modo Sleep.

A tecnologia ZigBee permite uma excelente área de cobertura, com ligações rádio robustas associadas as redes Mesh. Permitem Acknowledgement orientados ao protocolo. A sua experiência tem sido comprovada nos USA, Suécia e Austrália. A tolerância a interferências está comprovada. Assim como se permite a coexistência entre produtos multi-rádio.

As redes Wireless classificam-se com base na área de abrangência: redes pessoais ou de curta distancia (WPAN), redes locais (WLAN), redes metropolitanas (WMAN), e redes geograficamente distribuídas ou de longa distancia (WWAN). As redes ZigBee adequam-se a redes WPAN.

Os dados são modulados na portadora de rádio e transmitidos através de ondas electromagnéticas. Podem existir múltiplos portadores no mesmo ambiente e monitorização sem que no entanto estas interfiram entre si uma vez que operam a frequências diferentes. Para extrair dados cada receptor sintoniza uma frequência específica e rejeita todas aquelas que sejam diferentes dessa frequência.

Têm surgido diversas iniciativas no sentido de providenciar soluções de design para protocolos de redes de sensores sem-fios. Para garantir a interoperabilidade dos sistemas, a utilização de um protocolo standard pode acelerar a utilização de redes de sensores sem-fios. Neste contexto, o ZigBee/IEEE

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802.15.4 Standard, 2003 tornou-se num potencial candidato. Trata-se de um standard de hardware e software suficientemente flexível, permite baixa taxa de transmissão, baixo consumo e baixo custo de equipamentos da rede. A organização ZigBee (ZigBee Allience, 2005) tem a missão de definir, monitorizar e controlar produtos fiáveis complementando o standard IEEE 802.15.4. São especificadas as camadas de rede e de aplicação tal como o serviço de segurança entre elas.

ApplicationAPI

Security23-/64-/128-bit encryption

NetworkStar/Mesh/Cluster-Tree

MACPHY

868MHz/ 915MHz /2.4GHz

Customer ZigBee Allience IEEE 802.15.4

3.1 Standard IEEE 802.15.4

O standard IEEE 802.15.4 (IEEE 802.15.4 standard 2003) especifica uma tecnologia de acesso sem fios semelhante ao Bluetooth numa perspectiva de redes pessoais (PAN) e redes domésticas (HAN), de sensores e dispositivos alimentados por baterias. Este standard especifica a camada física e a sub-camada MAC. O protocolo IEEE 802.15.4 foi recentemente adoptado como um standard de comunicação LR-WPAN (Low Rate Wireless Local Area Networks) bastante flexível para diferentes requisitos das WSN (Wireless Sensor Networks). O sucesso desta tecnologia revela-se na baixa taxa de transmissão, reduzido consumo de energia e o custo reduzido. O consumo de energia é um ponto crítico no design destas redes.

A camada MAC especificada no IEEE 802.15.4 tem a capacidade de trabalhar com duty-cycles entre os 100% aos 0.1% o que é muito importante nas redes de sensores sem fios onde o consumo de energia e a durabilidade dos equipamentos da rede são a principal preocupação.


Este protocolo também implica requisitos de tempo real através do mecanismo GTS (Guaranted-Time Slot). Este mecanismo fornece um serviço mínimo garantido para os nós correspondentes o que permite a previsão do comportamento de pior caso para cada nó da aplicação.

Este protocolo está muito associado ao protocolo ZigBee (ZigBee Alliance). Na realidade esta organização vai assegurar a interoperabilidade entre a pilha protocolar IEEE 802.15.4/ZigBee.

O Standard IEEE 802.15.4 define o PAN Coordinator e o Coordinator como FDD (Full

Function Devices) o que significa que eles implementam todas as funcionalidades deste protocolo. Por sua vez, o Simple Node referem-se a RFD (Reduced Function

Device) o que implica que implementa as mínimas considerações possíveis deste protocolo.

O PAN Coordinator é o controlador principal da rede com identificadores de rede (PAN ID) aos quais os restantes nós da rede estão associados. Estes nós fornecem ainda a sincronização de toda a rede. É responsável pela gestão da manutenção da rede e pela gestão dos restantes dispositivos da rede. Um FDD tem a capacidade de se tornar um PAN Coordinator ou apenas associar-se a um PAN Coordinator

existente. Já um RFD apenas pode enviar ou receber dados do PAN Coordinator ao qual se encontrar associado. Este protocolo define um long adress de 64-bit a cada dispositivo e assim que este esteja associado ao PAN Coordinator passa a ter associado um short adress de 16-bit.

O Coordinator possui as mesmas funcionalidades que o PAN Coordinator com a excepção de não poder inicializar a rede sozinho. O Coordinator está associado ao PAN Coordinator e permite a sincronização local da rede.

O Simple (Slave) node: É um nó sem qualquer função de coordenação da rede. Está associado como um escravo do PAN Coordinator ou Coordinator para ser sincronizado com os restantes nós da rede.

A rede ZigBee deve incluir pelo menos um FFD a funcionar como o PAN Coordinator oferecendo a sincronização global da rede assim como a gestão de todos os potenciais Coordinator e escravos da rede.

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Uma das topologias básicas definidas neste protocolo é a topologia Star.

Figura 2.20 – Topologia de Rede ZigBee Star

Na topologia Star apenas um nó trabalha como PAN Coordenator. É uma topologia centralizada em que o PAN Coordinator terá de ser auto-suficiente. Esta topologia não deve ser usada nas tradicionais redes de Sensores Wireless por duas razões: uma é que o sensor designado como o PAN Coordinator terá um grande consumo de energia e a outra é que a cobertura do IEEE802.15.4 é muito limitada quando se está a endereçar os vários elementos da rede.

Um topologia mais robusta que a tipologia Star é a topologia Mesh.


Figura 2.21 – Topologia de Rede ZigBee Mesh

Nesta topologia também se inclui um PAN Coordenator que identifica as entradas na rede. É uma topologia descentralizada onde cada nó comunica directamente com qualquer outro nó dentro da gama rádio de interesse.

A topologia Cluster-tree também é possível neste protocolo. No fundo trata-se de um caso particular da topologia Mesh.

Figura 2.22 – Topologia de Rede ZigBee Cluster Tree

A escolha da topologia depende muito da aplicação que se pretenda implementar. Segue-se no entanto uma comparação dos prós e contras de cada topologia.

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A topologia star tem a vantagem de facilitar muito a sincronização dos vários dispositivos e de suportar operações de baixo consumo de energia. Apresenta também uma baixa latência, porém servem apenas para aplicações de curta escala, isto é, é útil apenas para aplicações muito simples e de pequeno alcance.

A topologia tree é vantajosa por permitir reduzidos custos de encaminhamento de informação e permitem modos de baixo consumo energético – sleep. Também permite que os dispositivos comuniquem directamente entre si. As desvantagens destas redes são os custos associados à reconfiguração do encaminhamento de informação e a sua latência é um pouco superior à que ocorre na topologia star.

A topologia Mesh é mais flexível do que as anteriores. Permite comunicações robustas entre dispositivos e ao mesmo tempo possui latência reduzida. Porém não suportam modo sleep e possuem custos associados ao encaminhamento de informação pois necessita de construir e actualizar uma tabela de encaminhamento de informação na rede entre os dispositivos.

3.1.1 Camada Física (PHY)Na camada física IEEE 802.15.4 existem três bandas de frequência de

operação com 27 canais rádio. As três bandas são 868Mhz, 915MHz e 2.4GHz. No canal 0 temos a frequência entre 868.0~868.6 MHz que permite uma

taxa de transmissão de 20kbps. Os canais compreendidos entre 1-10 usam o espectro de frequências entre 902.0~928.0 MHz e cada um destes canais permite uma frequência de 40kbps. Os canais alocados de 11~26 estão alocados na frequência de 2.4~2.4835GHz e cada canal permite uma taxa de transmissão de 250kbps.

Os canais de 0 a 10 são modulados através do método BPSK (Binary Shift Keying) e os canais de 11 a 26 são modulados através do método O-QPSK. O raio de transmissão deve estar compreendido entre 10 a 75 metros. Tendo como referência sistemas de comunicação de baixa taxa, o comprimento dos pacotes da camada física estão limitados a 127bytes.

As baixas frequências são mais requeridas para propagação a longa distância pois minimiza as perdas de propagação. Contudo a vantagem da alta taxa de transmissão é o provisionamento de um alto rendimento, baixa latência e baixo duty-cycle.

A raiz da camada física IEEE 805.15.4 têm as seguintes tarefas:


Activação e desactivação do tranceiver rádio. Basicamente o rádio transceiver opera num dos três estados: a transmitir, a receber ou sleeping. Mediante o pedido da subcamada MAC a transmissão rádio estará ON ou OFF;

Receptor de Detecção de Energia: Corresponde a uma estimação da potencia do sinal recebido numa dada na banda do canal IEEE 802.15.4. Esta tarefa não envolve a descodificação ou identificação do canal. Essa medida é usada para determinar se o canal está ocupado ou livre durante o processo Clear Channel Assessment (CCA) ou durante o algoritmo de selecção de canal;

Identificação da Qualidade do Canal: A medida da qualidade do canal caracteriza a potencialidade de um canal receber sinais de uma ligação. Pode ser implementado atraves da técnica anterior e ainda uma estimação do ruído ou a combinação de ambas as técnicas. O resultado desta medida pode ser usado para as camadas superiores (Camada de Rede e Camada de Aplicação) mas tal não se encontra mencionado no protocolo em estudo;

Clear Channel Assessment: Esta tarefa é responsável por informar o estado do meio: se ocupado ou se livre. Esta tarefa é sustentada por três modos de operação: Energy Detection Mode, que responde que o meio esta ocupado se receber energia acima de uma limite threshil – ED threshold; Carrier Sense Mode: que responde que o meio está ocupado se detectar um sinal cuja modulação corresponde ás características especificadas no IEEE 802.15.4 e que seja superior ou inferior a um dado ED threshold; e finalmente Carrier Sense with Energy Detection mode: resulta na combinação de ambas as técnicas atrás descritas. Responde que o meio esta ocupado se detectar o sinal com as características de modulação inerentes ao IEEE 802.15.4 e a energia recebida for superior a um determinado ED threshold;

Channel Frequency Selection: O IEEE 802.15.4 define 27 canais diferentes. A rede pode escolher operar num determinado canal pelo que a camada física deve proporcionar a possibilidade de comutar o canal para o canal pedido pela camada superior.

3.1.2 Camada de Ligação de Dados

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Na especificação IEEE802 a camada de ligação de dados está dividida em duas sub-camadas: logical link control (LLC) e medium access control (MAC).

A sub-camada LLC segue a especificação IEEE 802.2. A sub-camada MAC gere as frames, controla o acesso aos canais, valida as

frames e envia acknowledegements. Por outro lado suporta operações de baixo consumo e mecanismos de segurança.

Existem dois modos de operação que devem ser seleccionados pelo PAN Coordinator: non-beacon-enabled em que a camada MAC é simplesmente regulada pelo non-slotted CSMA/CA; beacon-enabled-mode onde o beacons são periodicamente enviados pelo PAN Coordinator para sincronizar os nós associados e para identificar o PAN

No modo beacon-enabled as beacon frames são enviadas periodicamente para sincronizar os nós que estão associados na rede. O beacon interval determina o tempo entre duas beacon frames consecutivas.

3.1.3 Estrutura da FrameNo protocolo IEEE 802.15.4 é o Coordinator que define a estrutura da frame.

O comprimento da frame é igual ao intervalo de tempo entre duas beacons

adjacentes enviados pelo Coordinator e pode ser dividida numa parte activa e noutra parte desactiva. A parte activa consiste em 16 slots de igual comprimento. O Coordinator e os restantes dispositivos da rede podem trocar pacotes durante a parte activa e vão para o modo sleep durante a parte inactiva.

Os beacons são usados para iniciar frames, sincronizar com outros dispositivos, anunciar a existência de PAN e informar sobre a existência de informação pendente no coordenador.

3.1.4 Modelos de transferência de informação.Este protocolo define três modos de transferência de informação:

Informação transferida para o Coordinator; informação transferida a partir do Coordinator e informação transferida entre pontos.

A informação transferida para o Coordinator numa rede beacon-enabled o dispositivo que contem a informação a ser enviada usa o mecanismo CSMA/C para competir por um canal após receber o beacon. Já numa rede non-beacon-enabled

os dispositivos que contêm informação usam o menanismo unslotted CSMA/CA. Em ambos os casos, depois de obter o canal o dispositivo pode enviar informação


directamente para o Coordinator e este pode opcionalmente enviar um ackowledgement a indicar a recepção dessa informação.

A informação transferia a partir do Coordinator a transmissão surge após um pedido por parte dos dispositivos. Numa rede beacon-enabled o Coordinator notifica os dispositivos com um beacon. O dispositivo que receber primeiro o beacon

verifica o ID contido no pending data fields. Se o ID for verificado esse dispositivo envia o pedido ao Coordinator que depois de o receber avisa esse recebimento e envia a resposta a esse pedido. Por outro lado numa rede non-beacon-enabled um dispositivo deve enviar periodicamente frames de pedidos de informação para perguntar o Coordinator se este tem informação para si. O Coordinator ao receber esta frame verifica se tem informação para aquele dispositivo ou não e envia-lhe resposta. Se sim o Coordinator envia o acknowledgement e de seguida a frame que contém a resposta.

A informação transferida entre pontos, numa rede beacon-enabled, estes não pode transferir informação directamente entre si. Contudo podem transmitir directamente entre si uma rede non-beacon-enabled. A selecção de canais é atribuída a partir dos mecanismos unslotted CSMA/CA.

3.1.5 Mecanismo CSMA/CA

Existem duas formas de aceder aos canais especificadas pelo protocolo IEEE 802.15.4: unslotted CSMA/CA e slotted CSMA/CA .

Numa operação unslotted CSMA/CA o dispositivo que contem a informação ou o comando a ser transmitido vai esperar um dado tempo aleatório. Após esse tempo se o meio estiver livre o dispositivo poderá transmitir a frame. Caso contrário o dispositivo incrementa a sua janela e espera um novo período aleatório.

A operação slotted depende da estrutura da frame que pode ser dividida em slots mais pequenos designados por backoff periods. O inicio da transmissão do primeiro backoff period coincide com o inicio da transmissão do beacon. Depois da transmissão o dispositivo calcula um número aleatório de backoff periods. Se o canal estiver livre o dispositivo pode começar a transmitir a frame para o Coordinator. Se o canal estiver ocupado o dispositivo deve recalcular a sua janela de transmissão e aguardar um novo período aletatório.

3.1.6 Processo de Associação e Desassociação de dispositivos.

Um dispositivo que pretenda fazer parte de uma PAN terá de se associar com o Coordinator. No inicio o dispositivo analisa os canais no sentido de encontrar

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um potencial Coordinator. Após escolher um Coordinator o dispositivo deve alocar o Coordinator beancon’s e transmitir o comando de pedido de associação ao Coordinator. Ao receber o pedido de associação o Coordinator deve enviar um acknowledgement ao dispositivo. Porém, o recebimento desse ACK não significa que o dispositivo esteja correctamente associado á rede. O dispositivo tem ainda que esperar ser associado à rede enquanto o que o Coordinator analisa os seus recursos para determinar se deve aceitar o pedido ou não. Segundo o protocolo IEEE 805.15.4, o Coordinator responde ao pedido de associação anexando a resposta no long address da beacon frame. Se o dispositivo encontrar o seu endereço anexado na frame, então envia um pedido de associação ao Coordinator

para adquirir o resultado da associação.

Quando o Coordinator deseja que um determinado dispositivo deixe a PAN ele envvia um comando que notifica o dispositivo que será desassociado. Depois de receber esse comando o dispositivo responde com um ACK. Se o ACK não for recebido pelo Coordinator, este assume que o dispositivo já esta desassociado. Quando um dispositivo deseja deixar a PAN, envia um comando ao Coordinator que notifica a sua vontade de sair da PAN. Ao receber esse comando o Coordinator envia um ACK e remove o endereço desse dispositivo. Tal como no caso seguinte, o dispositivo considera-se desassociado da PAN no caso de não receer um CK por parte do Coordinator.

3.2 ZigBee Alliance

A ZigBee Alliance é uma organização cuja missão é definir, monitorizar e controlar produtos fiáveis, de baixo custo e consumo completando o Standard IEEE805.15.4 com base num padrão aberto e global. São especificadas as camadas de rede e de aplicação tal como o serviço de segurança entre elas.

É uma aliança entre várias empresas que oferece:

Camada superior da pilha protocolar e respectivos perfis de aplicação; Conformidade e testes de certificação; Reconhecida interoperabilidade pelos agentes de mercado;


Esta aliança tem crescido rapidamente nos últimos anos e já conta com mais de 300 participantes dos quais se destacam os principais líderes da indústria moderna. Esta empresa compromete-se em desenvolver produtos e soluções em concordância com o ZigBee.

Os menbros da ZigBee Alliance têm criado um standard de redes Wireless oferecendo um extraordinário controlo, expansibilidade, segurança, simplicidade de utilização e capacidade de utilização da tecnologia ZigBee em qualquer parte do mundo. Hoje em dia as organizações usam o ZigBee para criar soluções em variadíssimas áreas como por exemplo dispositivos de controlo electrónico, Gestão de energia e eficiência, automatização de casas e centros comerciais e ainda planeamento industrial.

Os principais recursos fornecidos por este protocolo são: Auto-formação das redes Had Hoc; Tipos de dispositivos lógicos; Serviços de aplicação standard; Segurança.

Ao nível da Auto-Formação de redes Had hoc estas caracterizam-se por ser do tipo Mesh ou Cluster Tree, de forma Unicast, Broadcast ou Groupcast.

Destacam-se ainda as formas ZigBee PRO- Many to One and Source Routing

Enhancements e ainda ZigBee PRO- Network layer multicast.

Uma rede Mesh possui um método de encaminhamento eficiente em termos de banda e de RAM. É suportada quer pelas redes ZigBee quer pelas ZigBee Pro.

Em termos de dispositivos lógicos estes distinguem-se por Coordinator,

Router e End Device. Trata também dos conflitos do chamado Network Manager

for PAN ID e com a comutação da frequência. Os principais serviços que a aplicação oferece são: Serviços de

acknowledgement, serviços de reconfiguração da rede e ainda o suporte de Cluster

Library standards para a aplicação de mensagens.No que à segurança diz respeito, permite-se a autenticação e encriptação da

rede e da camada de aplicação, Symmetric Key com AES-128 e ainda Key Hierarchy

com Master Keys, Link Keys e Network Keys.

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Uma Master Key chave que é uicamente partilhada por dois dispositivos para proteger as frames da camada ASP. Um desses dois dispositivos será o Trust

Center. Estas chaves podem ser estabelecidas de forma dinâmica usando os serviços de estabelecimento ou ainda através da pré-instalação ou transporte do Trust Center para o dispositivo em questão.

Uma Network Key trata-se de uma chave global que é utilizada por todos os dispositivos da rede. Um conjunto de chaves de rede é mantida pelo Trust Center e a chave de rede actual é identificada por um número de sequência de chaves. O método normalmente implementado é o trasnporte mas podem também ser pré-instaladas. Existem duas formas de actualizar as chaves: actualização da chave e associação a um novo numero de sequencia; comutar para o novo numero de sequencia.

O Application Device Type distingue o tipo de dispositivo na perspectiva do utilizador.

Por outro lado, o Logical Device Type distingue o tipo de dispositivo lógico utilizado numa rede especifica. Finalmente o 802.15.4 distingue o tipo de plataforma de hardware.

Os produtos ZigBee resultam da combinação da Aplicação, da Lógica e dos tipos de dispositivos físicos. Os profiles devem definir determinados requisitos para esta configuração. Porém este aspecto é muitas vezes deixado para a manufactura.

3.3 Topologias de Redes ZigBee

Numa rede ZigBee um dispositivo pode funcionar como um dos 3 seguintes papeis:

Coordinator (FFD) Estes dispositivos funcionam em qualquer topologia, e podem funcionar

como Coordinators ou Router. Podem ainda comunicar com outros equipamentos.


Router (RFD) Estes dispositivos são limitados na topologia em estrela e não podem

exercer funções nem de Coordinator nem de Router. A sua função é a de apenas comunicar com o Coordinator e o Router. Contudo a sua complexidade electrónica e muitos básica e é de fácil implementação.

End-Device (FFD ou RFD) Estes dispositivos consomem pouca energia desde que não participem no

encaminhamento de pacotes e apenas comuniquem com os seus pais (FDD ou RFD).

Numa topologia em estrela, o Coordinator controla a entrada e a saída de dispositivos da rede e a comunicação tem de passar obrigatoriamente por ele.

Numa topologia Peer-to-Peer ou Mesh cada dispositivo é livre para comunicar directamente com outro dispositivo (FFD). Nestas topologias o Coordinator apenas controla a entrada e saída de dispositivos. Um dispositivo FFD pode também ser utilizado para expandir a área de cobertura da rede.

3.4 Segurança em Redes ZigBee

A segurança em cada camada é assegurada pelos seguinte métodos:Camada de Rede: utiliza frames de segurança que incluem route request, route

reply e rout error. Um remetente realiza um pedido na rede e espera resposta. Se esse pedido for correctamente recebido ao destinatário este envia uma resposta. Se alguma coisa correr mal, é enviada uma frame de erro.

A especificação assume um modelo “open trust” em que as camadas da pilha protocolar confiam entre si. Isso apenas é razoável para o tipo de dispositivos ZigBee em que um microcontrolador implementa ligações wireless executando a pilha inteira num único CPU.Desta forma, a criptografia deve ser implementada para a protecção de dados quando se utiliza mais do que um dispositivo.

Para que a rede funcione com segurança um dispositivo deve ter um dispositivo de confiança ao qual irá obter a sua chave de acesso. Este dispositivo de confiança é

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também responsável pelo controlo de acesso. Deste modo o “Trust Center” atribui chaves de acesso á rede, utiliza os serviços de segurança para configurar os dispositivos com a chave correcta e para autorizar a entrada do dispositivo na rede. Normalmente quem assume o papel de “Trust Center” é precisamente o ZigBee

Coordinator.

O serviço de segurança ZigBee está especificado através do uso de: Key establishment; Key transport; Frame Protection: Device authorization.

A segurança ZigBee é baseada em chaves simétricas. Numa transacção com protecção, tanto o nó de origem como o destinatário devem partilhar a mesma chave. Existem três métodos para que os dois dispositivos partilhem a mesma chave:Pré-Instalação: quando as chaves são colocadas no dispositivo usando o método out-of-band (ferramentas de comissionamento);Transporte: quando o “Trust Center” envia a chave para o dispositivo;Establecimento: quando o dispositivo negoceia com o Trust Center e as chaves são estabelecidas.

3.5 Encriptação e Protecção da Integridade

A encriptação baralha a informação original do texto e previne o acesso indevido á informação que se pretende manter inviolável. O mecanismo de criptografia fornece os seguintes serviços de securança: Confidencialidade de informação: permite que a informação possa ser lida apenas pelos nós de destino pretendidos; Autenticidade de Informação: assegura que o destinatário da informação conheça o nó que enviou essa informação e verifica se a mesma não fora modificada durante a transmissão; Reply Protection: para assegurar que uma transmissão segura não possa ser simplesmente repetida por um dispositivo intruso durante a transmissão.

A protecção de integridade associa uma mensagem de integridade conhecida como Message Integrity Code (MIC) que será transportada juntamente com a informação a ser protegida. Esse acompanhamento permite no destino verificar se a informação recebida sofreu um acesso indevido ou não. A MIC está associada ao


endereço IEEE do nó de origem para, deste modo, manter a sua autenticidade original. Sem protecção de autenticidade um nó malicioso pode modificar uma frame transmitida e essas modificações podem não ser detectadas pelo receptor.

3.6 Interoperabilidade de Redes ZigBee

Profile de AplicaçãoRede ZigBeeIEEE 802.15.4

A plataforma compatível com o ZigBee mostra-se na figura a cinzento. É assegurada a interoperabilidade na camada de rede mas tal não implica a interoperabilidade da camada de aplicação.

Os produtos com a mesma aplicação são interoperáveis entre si. ZigBee publicou um conjunto de aplicativos de Perfis Públicos que asseguram a interoperabilidade do produto final. São eles:

Home Automation (HA); Smart Energy (SE); Commercial Building Automation (CBA); ZigBee Health Care(ZHC); Telecom Applications(TA);

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Capítulo 4

Inserção de referências no texto

No anexo Referências devem ser listadas todas as fontes consultadas, isto é, livros, …

Referências

[1] Carcelle, X., Dang, T., Devic, C., 2006, in International Federation for Information Processing (IFIP), Volume 212, Had-Hoc Networking, ed. Al Agha, K., (Boston: Springer), pp.141-156

[2] Girião,P., Enache, A., 2007, in 2ª Conferência Nacional, Wireless Sensor Networks. State of Arte and Future Trends, Instituto de Telecomunicações/Instituto Superior Técnico

[3] Koubaa, A., Tovar, E., 2 Time Sensitive IEEE802.15.4 Protocol, Polytecnic Institute of Porto, pp. 19-49

[4] Meng-Shiuan, P., Yu-Chee, T., ZigBee and Their Applications, Department of Computer Science, National Chiao University, pp. 349-368

[5] “Understanding RF4CE”. Disponível em http://www.ZigBee.org/imwp/idms/popups/pop_download.asp?contentID=16212 . Acesso em 5/Março/2010.

[6] “Understanding RF4CE”. Disponível em http://www.ZigBee.org/imwp/idms/popups/pop_download.asp?contentID=16212 . Acesso em 5/Março/2010.

[7] “Regras para a Apresentação de Dissertações de Cursos de Mestrado da FEUP”, Faculdade de Engenharia da universidade do Porto, Junho de 1995.

http://www.zigbee.org/imwp/idms/popups/pop_download.asp?contentID=16212

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