Rede de Sensores sem Fio para Monitoramento de ... · sensores, mas também precisa contemplar o desenvolvimento do software para gerenciar e tra-tar os dados coletados, transformando-os

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

Programa de Pós-Graduação em Informática

Rede de Sensores sem Fio para Monitoramentode Equipamentos Eletrônicos

Ilo Amy Saldanha Rivero

Belo Horizonte

2011

Ilo Amy Saldanha Rivero

Rede de Sensores sem Fio para Monitoramentode Equipamentos Eletrônicos

Dissertação apresentado ao Programa dePós-Graduação em Informática da Pontifí-cia Universidade Católica de Minas Gerais,como requisito parcial para a obtenção doGrau de Mestre em Informática.

Orientadora: Profa. Raquel Aparecida deFreitas Mini

Belo Horizonte

2011

FICHA CATALOGRÁFICA Elaborada pela Biblioteca da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais

Rivero, Ilo Amy Saldanha R621r Rede de sensores sem fio para monitoramento de equipamentos eletrônicos /

Ilo Amy Saldanha Rivero. Belo Horizonte, 2011. 101f.: il.

Orientadora: Raquel Aparecida de Freitas Mini Dissertação (Mestrado) – Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais.

Programa de Pós-Graduação em Informática.

1. Sensoriamento remoto. 2. Computação móvel 3. Sistemas de comunicação sem fio. 4. Radiofreqüência. I. Mini, Raquel aparecida de Freitas. II. Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais. Programa de Pós-Graduação em Informática. III. Título.

CDU: 528.7

Para minha filha Giovana.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus por ter feito com que várias pessoas cruzassem o meucaminho e me ajudassem nessa caminhada. Agradeço especialmente à minha esposa Silviapelo apoio, amor, dedicação, coragem e pela paciência enquanto estávamos distante um dooutro e de nossa filha, e sem o qual o Mestrado não seria possível. À minha mãe Anete, peloapoio incondicional, em todos os momentos, para que eu conseguisse atingir meus objetivos. Àminha prima Elaine, pelo acolhida inicial em Belo Horizonte.

À minha orientadora, Profa. Raquel Mini, meus agradecimentos especiais por confiare acreditar no meu trabalho, pela paciência nas inúmeras correções e ajustes necessários paramelhorar esta dissertação e, também, pelo apoio e incentivo para que eu pudesse voltar para BHpara trabalhar e possibilitar, com isso, o ingressar no Doutorado. Obrigado por tornar esse sonhorealidade. Ao Prof. Loureiro pelas palavras de incentivo na defesa e pelo voto de confiança parao ingresso no Doutorado. Ao Max do Val, que indicou o excelente aluno da graduação MarceloAbi-Acl, que tanto ajudou no desenvolvimento desse trabalho e a quem também estendo osagradecimentos.

Aos professores do Mestrado da PUC Minas, meus sinceros agradecimentos, pois aprendimuitas coisas sobre computação: Prof. Mark, que me fez entender o que realmente era computa-ção; Prof. Humberto, que me ensinou a como fazer com que os computadores me entendessem;Prof. Henrique, que me ensinou como os computadores funcionavam por dentro; Profs. Ze-nilton e Ana, que me ensinaram a como escrever e falar corretamente sobre os computadores;Profa. Fátima, que me ensinou tudo sobre as siglas em telecomunicações, mostrando como oscomputadores conversam; Prof. Silvio, que me ensinou o que era trivial e o que era não trivialpara os computadores (e que eles gostam de matemática); e, de novo, Profa. Raquel, que meensinou que os computadores vão desaparecer...

Agradeço também à Giovana Cássia pelo apoio, paciência e competência para resolveras minhas demandas na secretaria. Meus agradecimentos ao Prof. Sandro Jerônimo, do MIC,pelas oportunidades de trabalho e treinamento oferecidas. Ao pessoal do CRC/Prodabel, emespecial Conceição, Samir, Márcio e Geordana. Aos colegas e amigos da turma de 2009 doMestrado, Anna, Angelo, André, Cláudia, Francisco, Henrique, Kleber, Pedro, e também dolab, Gabriel, Luciana e Felipe e a todos que colaboraram direta ou indiretamente para que estetrabalho fosse possível.

“Seu trabalho vai preencher uma parte grande

da sua vida, e a única maneira de ficar real-

mente satisfeito é fazer o que você acredita ser

um ótimo trabalho. E a única maneira de fazer

um excelente trabalho é amar o que você faz.”

Steve Jobs

RESUMO

A modernização das salas de aula permitiu novas metodologias de ensino, mas tambémtornou o gerenciamento dos equipamentos eletrônicos utilizados como ferramentas de apren-dizagem muito mais complexo. Problemas como controle do consumo de energia elétrica, deutilização dos equipamentos e roubos estão se tornando comuns nas instituições de ensino. Estetrabalho propõe o desenvolvimento de uma Rede de Sensores sem Fio (RSSF), com o objetivode monitorar equipamentos eletrônicos, permitindo a uma instituição de ensino um controlepatrimonial em tempo real. O projeto de uma rede de sensores sem fio para monitoramentode equipamentos eletrônicos exige não somente o desenvolvimento e montagem dos módulossensores, mas também precisa contemplar o desenvolvimento do software para gerenciar e tra-tar os dados coletados, transformando-os em uma fonte de informação útil e confiável para osadministradores de um campus universitário. Foram desenvolvidos algoritmos para otimizaras tarefas de identificação dos tipos de dados sensoreados e diminuir a quantidade de dadosredundantes transmitidos pela RSSF, melhorando o tempo de resposta da rede a um evento ediminuindo o consumo de energia. Os experimentos realizados neste trabalho culminaram nodesenvolvimento de um nó sensor com um menor consumo de energia, se comparado aos nóssensores utilizados inicialmente. O desenvolvimento do nó sensor, em conjunto com os algo-ritmos desenvolvidos, permitiu um aumento no tempo de vida de um módulo sensor acima de500%, além da redução do envio de dados redundantes em cerca de 59,7%. O desenvolvimentodo hardware do novo nó sensor também possibilitou uma redução de pouco mais de 40% nocusto de aquisição de módulos de RSSF, em relação aos nós sensores utilizados inicialmenteneste trabalho.

Palavras-chave: Computação ubíqua, rede de sensores sem fio, zigbee, equipamentoseletrônicos, monitoração.

ABSTRACT

The classrooms modernization have enabled new teaching methods, but also made theelectronic devices management, used as tools for learning, much more complex. Issues suchas power consumption control, equipment utilization and thefts are becoming commonplace ineducational institutions. This paper proposes the development of a Wireless Sensor Network(WSN), in order to monitor electronic equipments, allowing a real time equity control for edu-cational institutions. The design of a wireless sensor network for environmental monitoringrequires not only the development and installation of sensor modules, but also must includethe software development to manage and process the data collected, turning them into a sourceof reliable information for the college campus administrators. Algorithms were developed tooptimize the tasks of sensor type identification and decrease in the amount of redundant datatransmitted by the WSN, improving the network response time to an event and reducing energyconsumption. The experiments in this work culminated in the development of a new sensornode, with a lower power consumption if compared to the sensor nodes used initially. The sen-sor node development, together with the algorithms developed, allowed an increase in the sensormodule lifetime above 500%, while reducing the redundant data transmission about 59.7%. Thenew sensor node development also provided a cost savings of up to 40% in WSN new modulesacquisition, compared to those originally used in this work.

Keywords: Ubiquitous computing, wireless sensor networks, zigbee, electronic equipa-ment, monitoring.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 Sala de aula com projetor LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

FIGURA 2 Projetor LCD com gaiola e cadeado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

FIGURA 3 Componentes de um Nó Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

FIGURA 4 Exemplo de Topologia de uma Rede ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

FIGURA 5 Camadas ZigBee e IEEE 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

FIGURA 6 Tipos de topologias da rede ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

FIGURA 7 Módulos de rádio XBee e tipos de antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

FIGURA 8 Quadro de dados da API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

FIGURA 9 Quadro de Dados da API ID 0x90 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

FIGURA 10 Programa X-CTU - Teste de Conexão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

FIGURA 11 Configuração dos Parâmetros do Rádio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

FIGURA 12 Pinagem do Rádio XBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

FIGURA 13 Modos de Operação do XBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

FIGURA 14 Configuração dos Pinos do ATMega 328 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

FIGURA 15 Diagrama em blocos do sistema de clock do ATMega . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

FIGURA 16 Placa Arduino Duemilanove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

FIGURA 17 Arduino com XBee Shield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

FIGURA 18 Segurança Física de um Projetor LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

FIGURA 19 Exemplo de um nó sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

FIGURA 20 Nó sensor U3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

FIGURA 21 Nó sensor SquidBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

FIGURA 22 Planta do local de monitoramento e topologia da rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

FIGURA 23 Módulos Sensores pra Monitoramento de Ambientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

FIGURA 24 Caixa de proteção do nó roteador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

FIGURA 25 Disposição do nó roteador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

FIGURA 26 Sensor de presença . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

FIGURA 27 Operação de concatenação de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

FIGURA 28 Algoritmo dos Níveis de Alerta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

FIGURA 29 Aplicação PUCAdmin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

FIGURA 30 Nó sensor para monitoramento de projetores LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

FIGURA 31 Experimento da Aplicação de Monitoramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

FIGURA 32 Experimento para medir o tempo de vida do nó sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

FIGURA 33 Ciclo de trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

FIGURA 34 Tela da aplicação para teste de tempo de vida do nó sensor . . . . . . . . . . . . . 66

FIGURA 35 Módulo sob descarga Contínua da bateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

FIGURA 36 Módulo sensor Arduino com rádio no modo cyclic sleep . . . . . . . . . . . . . . . 68

FIGURA 37 Placa Modulino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

FIGURA 38 Consumo de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

FIGURA 39 Diagrama esquemático da placa Modulino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

FIGURA 40 Módulo sensor modulino com dormência cyclic sleep . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

FIGURA 41 Módulo sensor Modulino com algoritmo de níveis de alerta . . . . . . . . . . . . 75

FIGURA 42 Tempo de vida do nó sensor (horas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

FIGURA 43 Quantidade de dados transmitidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

FIGURA 44 Transmissões efetuadas por minuto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 Faixas de frequência do protocolo IEEE 802.15.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

TABELA 2 Configuração dos Nós Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

TABELA 3 Tipos de Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

TABELA 4 Consumo de Energia - valores em miliamperes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

TABELA 5 Orçamento dos componentes da placa Modulino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

TABELA 6 Orçamento da Placa Arduino e Rádio XBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ADC Analog Digital Converter

AES Advanced Encryptation System

ALU Aritmetic Logic Unit

API Application Programming Interface

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

CTS Clear-to-Send

DIP Dual In-line Package

E/S Entrada e Saída

FFD Full Function Device

FTDI Future Technology Devices International

Ghz Gigahertz

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

kbps Kilobits por segundo

LCD Liquid Crystal Display - Tela de Cristal Líquido

LED Light Emission Diode

LSB Least Significant Byte

MAC Medium Access Control

Mhz Megahertz

MSB Most Significant Byte

PIR Passive Infrared

PWM Pulse Width Modulation

RF Rádio Frequência

RFD Reduced Function Device

RISC Reduced Instruction Set Computer

RSSF Rede de Sensores sem Fio

RSSI Received Signal Strength Indicator

RTS Request-to-Send

SMD Surface Mount Device

USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter

ZDO ZigBee Device Objects

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.3 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2 FUNDAMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1 Rede de Sensores sem Fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2 Padrão ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.1 Protocolo IEEE 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.2 Funcionamento do ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.2.3 Camadas do ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3 Rádio XBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3.2 Formato de Envio e Recepção de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.3.3 Configuração do Rádio XBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.3.4 Portas de Entrada/Saída . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.3.5 Modos de Operação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.4 Microcontrolador ATMega 328 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.4.2 Portas de Entrada/Saída . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.4.3 Gerenciamento de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.4.4 Plataforma Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.4.5 XBee Shield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3 TRABALHOS RELACIONADOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.1 Monitoramento de Ambientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.2 Aplicações em Redes Sensores Sem Fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.3 Desenvolvimento e Adaptação de Módulos de RSSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.4 Economia de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4 MONITORAMENTO DE EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.1 Implantação da RSSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.1.1 Análise do Ambiente a ser Monitorado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.1.2 Configuração da Rede de Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.2 Desenvolvimento da Aplicação de Monitoramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.2.1 Visão Geral da Aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.2.2 Algoritmo de Integração de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.2.3 Algoritmo de Níveis de Alerta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.2.4 Aplicação PUCAdmin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.3 Resultados Preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.3.1 Aplicação de Monitoramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.3.2 Consumo de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.3.3 Tempo de Vida do Nó Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.3.4 Análise do Consumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.4 Nó Sensor Modulino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5 RESULTADOS OBTIDOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.2 Tempo de Vida da Rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.3 Quantidade de Bytes Transmitidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.4 Tempo de Resposta a um Evento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5.5 Custo do Nó Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

6 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

APÊNDICE A -- CONFIGURAÇÃO DO RÁDIO XBEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

APÊNDICE B -- CÁLCULO DO DUTY CYCLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

APÊNDICE C -- MAPEAMENTO DAS PORTAS DO ARDUINO PARA O MICRO-CONTROLADOR ATMEGA 328 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

APÊNDICE D -- RELATO: ASPECTOS POSITIVOS E NEGATIVOS DO DESEN-VOLVIMENTO DA RSSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

ANEXO A -- DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO ARDUINO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

ANEXO B -- DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO XBEE SHIELD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

ANEXO C -- ARQUITETURA DO MICROCONTROLADOR ATMEGA 328 . . . . . . . 100

18

1 INTRODUÇÃO

1.1 Motivação

Há alguns anos, as salas de aula eram simples, compostas apenas por mesas, carteiras eum quadro negro. Com a tecnologia chegando às salas de aula, os ambientes de ensino estãomais complexos, com aulas sendo ministradas através de projetores Liquid Crystal Display -Tela de Cristal Líquido (LCD), apresentações de vídeos em aparelhos de DVD e computadorescom acesso à internet, como pode ser observado na figura 1. Apesar dos benefícios no ensino,essa nova infraestrutura presente em algumas escolas e universidades torna mais complexo ogerenciamento do patrimônio.

Figura 1: Sala de aula com projetor LCD

Fonte: Elaborado pelo autor

Um problema enfrentado por instituições de ensino é o furto de equipamentos eletrôni-cos de dentro das salas de aula. Um projetor LCD é um equipamento eletrônico leve, de valorelevado e de dimensões compactas, podendo ser carregado dentro de mochilas ou bolsas. Ocusto e a portabilidade de um projetor LCD o torna um alvo potencial para a ação de crimino-

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sos. Para uma instituição de ensino, o furto de um projetor LCD acarreta não somente o prejuízofinanceiro relativo ao equipamento, mas também causa um prejuízo no ensino, causando trans-torno a professores e alunos. O furto de equipamentos também leva a um aumento dos gastosem segurança e na reparação do patrimônio afetado, aumentando, por consequência, o custopara a manutenção das atividades de ensino.

Dentre as soluções utilizadas para coibir o furto de projetores LCD destacam-se a uti-lização de meios físicos de proteção, como armários, gaiolas com cadeado (figura 2) e travasKensington. Apesar dessas soluções tornarem a ação criminosa mais difícil, são tecnologiaspassivas, não alertando os órgãos de segurança das instituições sobre um furto em andamento.Um criminoso pode utilizar ferramentas como serras e alicates para cortar um cabo de aço oucadeado. Uma proposta para alertar a central de segurança de um campus universitário a res-peito de um possível furto é a utilização de tecnologias de comunicação sem fio, permitindo omonitoramento em tempo real de qualquer atividade suspeita.

Figura 2: Projetor LCD com gaiola e cadeado


A Rede de Sensores sem Fio (RSSF) é uma tecnologia de comunicação sem fio que uti-liza dispositivos de rede de baixo consumo de energia. Esses dispositivos de rede transmitemdados coletados por sensores, permitindo monitorar tanto o estado de utilização de um equi-pamento eletrônico quanto o ambiente em que esse equipamento está inserido, com pouco ounenhum impacto físico nesse ambiente (MINI; LOUREIRO, 2008). Os dispositivos de redede uma RSSF são também chamados de módulos sensores e são compostos por um rádio decomunicação, uma unidade de processamento, por sensores e por baterias. Uma vez que osmódulos sensores são alimentados por baterias, o tempo de monitoramento de um equipamento

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eletrônico é limitado pela capacidade de carga dessas baterias. Em um campus universitário,um equipamento eletrônico pode permanecer inativo nos períodos de recesso escolar. Para autilização de uma RSSF para o monitoramento de equipamentos eletrônicos, é primordial queo módulo sensor possua o menor consumo possível de energia, sem prejudicar a atividade demonitoramento e que possibilite esse monitoramento durante os períodos de recesso escolar.

Uma solução para diminuir o consumo de energia é o desenvolvimento de uma aplicaçãono módulo sensor para controlar a atividade do rádio de comunicação, componente que maisconsome energia. Uma análise do consumo de energia de cada componente do módulo sensorbem como a adaptação desse módulo para que ele atenda aos requisitos necessários para realizara atividade de monitoramento também são abordagens possíveis para economizar o máximo deenergia possível.

Uma infraestrutura de rede de sensores sem fio é composta de módulos sensores, mó-dulos roteadores e um módulo coordenador para receber e processar as informações transmiti-das pela rede. A implementação de uma infraestrutura de RSSF em um campus universitáriopermite não apenas o monitoramento de equipamentos eletrônicos, mas também permite o de-senvolvimento de aplicações com características de Computação Ubíqua (WEISER, 1991). Acomputação ubíqua tem como principal característica a computação presente nos ambientes,interagindo com os seres humanos de forma transparente.

Com a infraestrutura de RSSF implementada em um ambiente, é possível utilizá-la paraatividades como controlar o consumo de energia elétrica, apurar a presença de alunos e pro-fessores nas salas de aula, bem como controlar os acessos dos mesmos aos laboratórios ouambientes de acesso restrito. O monitoramento de equipamentos eletrônicos através da RSSFpermite não somente melhorar a segurança patrimonial de um campus universitário, mas per-mite também que a infraestrutura de rede utilizada para esse monitoramento possa ser utilizadano desenvolvimento de novas formas de interação entre entre os envolvidos na atividade deensino, através da aplicação dos conceitos da computação ubíqua.

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1.2 Objetivos

O objetivo deste trabalho é desenvolver uma rede de sensores sem fio para monitorar pro-jetores LCD em um campus universitário, utilizando módulos de RSSF baseados na plataformade prototipagem rápida Arduino (ARDUINO, 2009a) e no rádio de comunicação XBee (DIGI,2009a), tendo como protocolo de comunicação da RSSF o padrão ZigBee (ALLIANCE, 2009).Para atingir o objetivo proposto, este trabalho apresenta experimentos para verificar o tempo devida de um módulo sensor e efetividade da atividade de monitoramento proposta. Com basena análise dos experimentos, este trabalho apresenta um algoritmo para maximizar o tempo devida da rede e um novo módulo de RSSF, chamado Modulino, com menor consumo de energiae menor custo em relação ao Arduino.

Os resultados deste trabalho mostram que é possível utilizar uma RSSF baseada no pro-tocolo ZigBee para realizar o monitoramento de equipamentos eletrônicos. O desenvolvimentode um novo módulo sensor, chamado Modulino, permite um aumento do tempo de vida da redede mais de 500%, em comparação à solução de mercado adotada no início neste trabalho. Onó sensor Modulino, em conjunto com o desenvolvimento de algoritmos de concatenação dedados e de níveis de alerta, reduzem a quantidade de dados transmitidos em mais de 59,7%, aomesmo tempo que permitem uma diminuição do consumo de energia do nó sensor. As soluçõesapresentadas neste trabalho permitem uma melhor escalabilidade e um aumento no tempo devida da rede, além de uma redução de 40% no custo de desenvolvimento do nó sensor.

1.3 Organização do Trabalho

Este trabalho está dividido da seguinte forma: no capítulo 2 é apresentada a fundamen-tação teórica, envolvendo redes de sensores sem fio, consumo de energia e os componentes darede de sensores. No capítulo 3, são apresentados os trabalhos relacionados, onde são citados ostrabalhos sobre monitoramento de ambientes, aplicações em redes sensores sem fio, adaptaçãode módulos de RSSF e economia de energia. No capítulo 4, é descrita a infraestrutura da redepara monitoramento de ambientes, bem como os resultados preliminares do funcionamento darede e é feita a proposta de um novo módulo de rede. No capítulo 5, são apresentados os re-sultados da implementação da rede. Por fim, no capítulo 6, são apresentadas as conclusões etrabalhos futuros.

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2 FUNDAMENTOS

Neste capítulo é apresentado o referencial teórico utilizado neste trabalho. A seção 2.1apresenta os conceitos sobre rede de sensores sem fio, sua composição e arquitetura. O padrãode comunicação ZigBee e sua implementação sobre o protocolo IEEE 802.15.4 é apresentadona seção 2.2. Os módulos de RSSF neste trabalho utilizam o rádio de comunicação XBee,apresentado na seção 2.3, onde é mostrada a arquitetura do rádio de comunicação, o formatodas mensagens enviadas e recebidas, a configuração e os modos de operação do rádio. Na seção2.4 é apresentado o microcontrolador ATMega 328, utilizado em conjunto com o rádio XBee

no módulo sensor, o funcionamento das portas de entrada e saída e o gerenciamento de energiado microcontrolador, sendo descritas também as placas Arduino e XBee Shield, utilizadas comosolução de mercado para RSSF.

2.1 Rede de Sensores sem Fio

A Rede de Sensores sem Fio (RSSF) é uma tecnologia de comunicação sem fio queutiliza dispositivos de rede de baixo consumo de energia. Esses dispositivos de rede, tambémdenominados nós sensores, transmitem dados coletados por sensores, permitindo sensorear oambiente em que esse equipamento está inserido, com pouco ou nenhum impacto físico nesseambiente. Mini e Loureiro (2008) citam que as RSSF diferem das redes tradicionais ad hoc esem fio (WiFi e WiMax) por diversos fatores: limitação de energia, localização dinâmica, nãopossuem uma topologia previamente definida, podem ser extremamente densas e trabalham deforma colaborativa, uma vez que um nó sensor encaminha as informações para outro nó sensoraté que essa informação chegue ao destino.

Um nó sensor é composto por um rádio de comunicação para transmissão e recepçãode dados, conectado a uma antena, e um microcontrolador para controlar a entrada e saídade dados, efetuar o processamento dos sinais recebidos dos sensores através de conversoresanalógicos-digitais (BIGNELL; DONOVAN, 1995). Um módulo de nó sensor pode tambémpossuir dispositivos atuadores, como por exemplo relés, lâmpadas LED ou motores, podendoativá-los e desativá-los de acordo com os dados recebidos pelo rádio. Por fim, a bateria, quefornece a energia necessária para o funcionamento de todo o módulo (figura 3).

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Figura 3: Componentes de um Nó Sensor


Quando um dado é coletado pelo sensor, ele passa pelo conversor analógico digital e épreparado para o envio para o rádio (TX). Os rádios de comunicação possuem buffers tanto paraenvio quanto para recepção de dados, permitindo controlar o fluxo de transmissão e recepção(RX). O rádio converte os sinais recebidos pela antena Rádio Frequência (RF) em bytes paraserem transmitidos de forma serial. Tanto o rádio quanto o microcontrolador possuem sistemaspara o controle e gerenciamento de energia, permitindo a economia de energia quando nãoestão em uso. A recepção e a transmissão de RF pela antena não ocorre de forma simultânea,por este motivo é utilizada uma chave RF para alternar o rádio para os modos de recepção oude transmissão.

O componente que consome mais energia em uma RSSF é o rádio de comunicação (MINI;LOUREIRO, 2008). Transmitir um bit de informação, em termos de consumo de energia, éequivalente ao processamento de 3000 instruções (MASRI; MAMMERI, 2007). Em RSSF,uma solução para economizar energia é analisar e processar as informações dos sensores nomicrocontrolador módulo sensor, transmitindo apenas os dados que estão de acordo com osrequisitos do projeto da rede, tendo também um importante papel na agregação de dados (HA-DIM; MOHAMED, 2006). Neste trabalho, o microcontrolador realiza o tratamento dos dadosantes da transmissão, permitindo economizar energia ao enviar apenas informações que sejamrelevantes para o objetivo da rede.

2.2 Padrão ZigBee

Esta seção apresenta o padrão ZigBee, padrão este desenvolvido com base no protocoloIEEE 802.15.4. O protocolo IEEE 802.15.4 é apresentado na seção 2.2.1. O funcionamento doZigBee é descrito na seção 2.2.2, onde são apresentadas as topologias utilizadas e a descrição

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dos componentes que da rede. Na seção 2.2.3, é apresentada a arquitetura em camadas dopadrão ZigBee.

2.2.1 Protocolo IEEE 802.15.4

O protocolo IEEE 802.15.4 foi ratificado pelo Institute of Electrical and Electronics

Engineers (IEEE) (IEEE, 2009) como padrão para redes de baixa velocidade e baixo consumode energia, sendo por esta razão utilizado em RSSF. As redes IEEE 802.15.4 operam na faixade frequência de 2,4 Gigahertz (Ghz) - de 2400 a 2483,5 Megahertz (Mhz), e com taxa detransmissão de 250 Kilobits por segundo (kbps). Outras faixas de frequência são permitidas peloprotocolo, com variação do número de canais de comunicação e da velocidade de transmissão,como pode ser observado na tabela 1.

Tabela 1: Faixas de frequência do protocolo IEEE 802.15.4.Frequência 868,3 Mhz 902-928 Mhz 2400 a 2483,5 MhzNo de Canais 1 10 16Data Rate (kbps) 20 40 250Local Europa América Mundial

Fonte: Kohvakka et al. (2006)

O protocolo IEEE 802.15.4 implementa camadas física e Medium Access Control (MAC),deixando as camadas de rede e superiores livres para implementação de acordo com a utilização.A camada física é a responsável pela interligação do protocolo com o rádio de comunicação eprovê serviços para a camada imediatamente superior, que controla o acesso à rede, a camadaMAC (FARAHANI, 2008). Como o IEEE 802.15.4 define apenas estas duas camadas, ele per-mite que outros protocolos o utilizem como base para a implementação de camadas superiores,como é o caso do protocolo ZigBee, visto na seção 2.2.2.

O protocolo IEEE 802.15.4 opera com dois tipos de dispositivos físicos: o Full Function

Device (FFD), que é responsável pelo roteamento na rede, sendo que um nó FFD é utilizadocomo coordenador da rede, controlando a topologia e endereçamento dos nós e também comoroteador, fazendo o encaminhamento de mensagens; e o Reduced Function Device (RFD), queé um dispositivo de baixo custo, não faz roteamento e só pode se conectar a um nó FFD decada vez. O roteamento permite que um nó encaminhe uma mensagem de um nó RFD ou FFDpara outros nós FFD até o nó coordenador e normalmente tanto os nós FFD para roteamentoquanto os nós FFD coordenadores necessitam de uma fonte de energia constante, pois neces-sitam estar ativos a todo o momento para a transmissão de mensagens, diferente dos nós RFDque normalmente são alimentados por baterias e necessitam economizar o máximo de energiapossível.

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2.2.2 Funcionamento do ZigBee

O padrão ZigBee (ALLIANCE, 2009) foi especificado pela ZigBee Alliance em 2006e utiliza as camadas física e MAC do protocolo IEEE 802.15.4, adicionando as camadas derede e aplicação, além de criptografia AES de 128 bits e pode endereçar até 65535 nós porsub-rede. Um exemplo deste tipo de topologia pode ser visto na figura 4, em que o nó ZigBee

Coordinator (C) e ZigBee Router (R) são implementados como nós FFD e o ZigBee End Device

(E) é implementado como nó RFD, uma vez que não faz roteamento. Neste trabalho, o nóZigBee End Device é denominado nó sensor.

Figura 4: Exemplo de Topologia de uma Rede ZigBee


O funcionamento de uma rede ZigBee é descrito a seguir. O nó coordenador inicializaa rede, selecionando um canal de comunicação e um identificador para essa rede, denominadoPAN ID. O nó coordenador permite que nós roteadores e nós sensores ingressem na rede, auxi-liando o roteamento de dados e o armazenamento de pacotes para os nós que não estejam ativos(em dormência). Por esse motivo, o nó coordenador deve estar sempre ativo e com uma fonteconstante de alimentação. Os nós roteadores podem começar a transmitir, receber ou rotear da-dos após terem ingressado em uma rede iniciada pelo coordenador. Os nós roteadores tambémpermitem que outros roteadores e nós sensores ingressem na rede. Assim como o nó coorde-nador, os nós roteadores devem estar sempre ativos, devido ao roteamento e ao armazenamentode pacotes destinados aos nós não ativos.

Os nós sensores devem ingressar em uma rede através de um roteador ou de um coor-denador antes de começarem a transmitir e receber dados. Outros nós participantes não podemingressar na rede através de um nó sensor e, ao contrário dos nós coordenador e roteador, o nósensor sempre deve transmitir e receber dados através do nó pelo qual ele ingressou na rede (nópai). O nó sensor também pode entrar em modo de economia de energia para aumentar o tempode vida da rede.

Na rede ZigBee, existe apenas um nó coordenador por rede, independentemente do tipoda topologia utilizada. Ao iniciar uma rede, o nó coordenador estabelece um identificador único

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da rede (PAN ID). Esse identificador será comum a todos os outros nós que ingressarem nessarede. Normalmente os dispositivos ZigBee são pré-configurados com um endereço PAN ID paraserem adicionados a uma rede existente, mas podem também selecionar um PAN ID de algumarede próxima para solicitar o ingresso. O PAN ID é composto por dois endereços, um de 16 bitse outro de 64 bits. A quantidade de combinações do endereço de 16 bits (65535 possibilidades)faz com que exista a possibilidade de duas redes diferentes utilizarem o mesmo PAN ID e poreste motivo também é utilizado o endereço de 64 bits como identificador da rede.

2.2.3 Camadas do ZigBee

Esta seção apresenta a arquitetura de camadas da rede ZigBee, importante para entendero funcionamento do protocolo e sua implementação sobre o protocolo IEEE 802.15.4. Notrabalho de Adams (2006) é descrito o funcionamento das camadas física e MAC do protocoloIEEE 802.15.4, além citar como a camada de rede é implementada em conjunto com o protocoloZigBee. Tanto o protocolo IEEE 802.15.4 quanto o protocolo ZigBee foram alvo de uma análisee de uma simulação em cenários de larga escala no trabalho de Kohvakka et al. (2006). Nafigura 5 é apresentada a estrutura de camadas da rede ZigBee, onde pode ser visualizada aimplementação do padrão ZigBee sobre o protocolo IEEE 802.15.4.

Figura 5: Camadas ZigBee e IEEE 802.15.4

Fonte: Adaptado de (FARAHANI, 2008)

Na camada física é definida a sensibilidade de recepção, número de canais, rejeição deum canal e a especificação da taxa de transmissão de dados. As redes ZigBee operam na faixade frequência de 2,4 Ghz e com taxa de transmissão de 250 kbps, a mesma do protocolo IEEE802.15.4, visualizada na tabela 1.

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Na camada MAC é realizado o gerenciamento da transmissão de dados entre nós vi-zinhos, por difusão, incluindo serviço de reenvio de transmissões e de técnicas de prevençãode colisão Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) (FARAHANI,2008), provendo também serviços de associação e desassociação de nós na rede.

A camada de rede adiciona a capacidade de roteamento, permitindo que pacotes de da-dos trafeguem por múltiplos dispositivos, da origem até o destino. Apenas os nós coordenadorese roteadores possuem a capacidade da descoberta de rotas, escolhendo o melhor caminho paraos dados dos nós sensores. No nó coordenador, a camada de rede é responsável pelo estabeleci-mento inicial da rede, pela definição da topologia utilizada, como mesh, estrela ou árvore(figura6), e pela atribuição dos endereços da rede a todos os participantes.

Figura 6: Tipos de topologias da rede ZigBee


A rede ZigBee trabalha com vários tipos de roteamento. No trabalho de Sun et al. (2007),é apresentada uma descrição das topologias mesh, estrela e árvore, bem como os protocolosde roteamento AODV, Cluster Tree e roteamento integrado, além de fazer uma análise dosprotocolos com foco no mecanismo de roteamento, custo e manutenção. Cuomo et al. (2008)apresentam uma análise do funcionamento das topologias de rede no protocolo IEEE 802.15.4,fazendo uma simulação nos cenários com um único destino e com múltiplos destinos, para ospacotes que trafegam na rede.

A camada de suporte de aplicação interliga a camada de rede à camada de aplicaçãotambém provê a funcionalidade, junto com a camada de rede, de segurança e criptografia de 128bits Advanced Encryptation System (AES) através de uma chave única. A camada de suportede aplicação fornece o suporte para a camada mais alta do protocolo ZigBee, a camada deaplicação, onde são definidos os perfis de aplicação, que podem ser públicos ou privados. Acamada de suporte de aplicação fornece suporte para até 240 perfis de aplicação, nesta camadadenominados endpoints.

Os perfis públicos são mantidos pela ZigBee Alliance e descrevem funcionalidades etipos de dispositivos utilizados em cada perfil (ALLIANCE, 2009), como por exemplo, auto-mação doméstica, gerenciamento de energia (smart energy), automação de prédios comerciais,

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dentre outros. No perfil de gerenciamento de energia, são definidos, por exemplo, dispositivoscomo termostato e controle de carga. O perfil de gerenciamento de energia define também afuncionalidade requerida por cada dispositivo, como, por exemplo, um controle de carga deveresponder a um comando padronizado para ser ativado ou desativado. Isto permite que diferen-tes fabricantes de dispositivos possam interagir com diferentes fabricantes de nós ZigBee. Osfabricantes podem, também, desenvolver perfis privados, para aplicações proprietárias e espe-cíficas, mas devem manter a compatibilidade com o padrão ZigBee.

Em cada dispositivo compatível com o padrão ZigBee é implementado o ZigBee Device

Objects (ZDO), como sendo o endpoint 0, utilizado para a descoberta e gerenciamento do perfil.Como gerenciamento, o ZDO pode inicializar as camadas de suporte de aplicação e de rede,bem como o serviço de segurança e criptografia. Como serviço de descoberta, o ZDO podesolicitar, por exemplo, a identificação de todos os dispositivos na rede para a camada de rede.Neste trabalho, foi utilizado o perfil padrão do protocolo ZigBee, adotado no rádio XBee, vistona seção 2.3.

2.3 Rádio XBee

2.3.1 Introdução

Esta seção apresenta o rádio XBee, utilizado neste trabalho como rádio de comunicaçãoda RSSF proposta. Os módulos XBee foram escolhidos por terem representante oficial no Brasile por serem utilizados em trabalhos de domótica (BOLZANI; MONTAGNOLI; NETTO, 2006)e em aplicações de RSSF (LOUSADA, 2009) (LIBELIUM, 2009). Em (EADY, 2007), sãoapresentadas implementações de hardware de rádios de comunicação ZigBee, de fabricantescomo Texas Instruments, Maxstream (Digi International) e Freescale.

Os módulos de comunicação XBee (DIGI, 2009a), denominado rádio XBee neste traba-lho, adotam os protocolos IEEE 802.15.4 e ZigBee. A fabricante do rádio XBee, a Digi Interna-tional, disponibiliza dois modelos de rádio XBee. O primeiro modelo implementa estritamenteo protocolo IEEE 802.15.4, modelo este denominado Series 1. O segundo modelo, denominadoSeries 2, utilizado neste trabalho, além do IEEE 802.15.4, implementa o padrão ZigBee, e, aocontrário do modelo Series 1, permite a utilização de redes do tipo Mesh.

Segundo Farahani (2008), o rádio XBee não possui controle de potência, ou seja, nãoimporta a distância entre o nó sensor e o nó coordenador, a potência utilizada para a transmissãodos dados é a mesma. Por este motivo, o controle do estado de atividade do rádio é muitoimportante, pois permite que o rádio seja desligado sempre que estiver ocioso. Os módulospodem ser fornecidos com as implementações de antena de fio, conector para antena externapadrão U.FL (conector coaxial em miniatura) e antena de chip (figura 7), utilizados de acordo

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Figura 7: Módulos de rádio XBee e tipos de antenas

Fonte: Digi (2009b)

com a necessidade da aplicação.

Na seção 2.3.2, são descritos os formatos de envio e recepção de dados dos rádios XBee.Na seção 2.3.3, são apresentadas as formas de configuração do rádio. Na seção 2.3.4, é descritaa configuração das portas de entrada e saída do módulo de configuração. Por último, na seção2.3.5, os modos de operação e de economia de energia do rádio XBee são apresentados.

2.3.2 Formato de Envio e Recepção de Dados

O rádio XBee trabalha com dois modos de operação de transmissão e recepção de da-dos. No primeiro modo, Transparent Operation ou AT, os dados são enviados e recebidosdiretamente pela porta serial, tendo uma interface simples e sendo mais fácil o desenvolvimentode aplicações, bastando a aplicação se conectar à porta serial do módulo e enviar os dados uti-lizando comandos AT. Este modo, apesar de simples, não é escalável para enviar dados paramúltiplos destinatários e também não permite o envio de configurações remotas de módulos.

O segundo modo, que é utilizado neste trabalho, é o modo Application Programming In-

terface (API), baseado no envio e recepção de quadro de dados, especificando como comandos,respostas de comandos e mensagens sobre o estado de funcionamento do módulo são enviadose recebidos, permitindo um aumento na escalabilidade da rede. Comandos AT também podemser enviados e recebidos através do modo API, permitindo a coexistência dos dois modos emuma rede. A estrutura do quadro de dados é descrita na figura 8 e as aplicações que utilizem omodo API devem estar em conformidade com esta estrutura.

O quadro de dados da API tem como delimitador inicial 1 byte com o valor 0x7E,seguidos por dois bytes com o tamanho do quadro de dados, dividido em Most Significant

Byte (MSB) - Byte Mais Significativo e Least Significant Byte (LSB) - Byte Menos Significativo.No tamanho do quadro de dados não está incluso o último byte, de checksum.

Dependendo do tipo da API, o tamanho do quadro de dados pode variar significativa-mente. Na versão do firmware do módulo utilizado neste trabalho, estão disponíveis dezoito

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Figura 8: Quadro de dados da API

Fonte: Adaptado de Digi (2009a)

tipos de APIs, e, dependendo do firmware utilizado no rádio, a quantidade de APIs existentes eo formato do quadro de dados podem variar. Um exemplo de quadros de dados e identificadoresde API podem ser observados na tabela 7 do Apêndice A.

A aplicação para monitoramento de uma rede de sensores deve reconhecer e tratar osdados recebidos, uma vez que nem todas as API IDs são necessárias para implementar uma rede.Neste trabalho, para a aplicação de monitoramento receber os dados enviados pelos sensores,é utilizada a API ID 0x90 (ZigBee Receive Packet) e, como todas as outras API IDs, segue aespecificação apresentada na figura 8.

Na API ID 0x90, os primeiros 8 bytes (5 a 12) do quadro após o cmdID (neste caso0x90) são referentes ao endereçamento de 64 bits e os dois bytes subsequentes (13 e 14) sãoreferentes ao endereçamento de 16 bits, todos do nó que envia o pacote de dados. Com essasinformações é possível identificar a origem do pacote, sabendo de qual sensor os dados foramenviados.

Figura 9: Quadro de Dados da API ID 0x90

Fonte: Adaptado de Digi (2009a)

O byte 15, Opções de Recebimento, indica o tipo do pacote recebido, se é reconhecido(código 0x01), se é um pacote de broadcast (0x02), se é um pacote criptografado (0x20) e se opacote foi enviado por um nó end device (0x40). Os códigos podem ser combinados, com porexemplo, se é recebido um código 0x61, significa que foi um pacote reconhecido, encriptado e

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Figura 10: Programa X-CTU - Teste de Conexão


enviado por um nó end device. A estrutura da API ID 0x90 pode ser observada na figura 9.

2.3.3 Configuração do Rádio XBee

A configuração do módulo XBee é efetuada através do programa X-CTU (DIGI, 2010),desenvolvido pelo fabricante do rádio XBee. Para configurar o módulo (figura 10) é necessárioinicialmente selecionar a porta serial, taxa de transferência (bauds/bps), controle de fluxo (flow

control), bits de dados (data bits), paridade (parity) e bits de parada (stop bits).

Após a configuração das opções de conexão, deve-se realizar o teste de conexão, atravésdo botão Test/Query. Caso esteja correta a configuração, deverá aparecer uma janela com a fraseCommunication with modem OK, o tipo do modem (Modem type) e a versão do firmware (Mo-

dem firmware version). Outras opções do programa X-CTU incluem Range Test, para testar aconexão entre módulos, Terminal, utilizado para verificar a recepção de dados da porta serial einteragir com o módulo no modo AT e, por último, Modem Configuration, onde são realizadasas configurações dos parâmetros do modem, atualização e escolha do firmware, do conjunto defunções do módulo (coordenador, roteador ou nó sensor) e salvar e recuperar esses parâmetrosem arquivo. Os principais parâmetros para realizar a comunicação de dados utilizada nestetrabalho são apresentados a seguir.

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Figura 11: Configuração dos Parâmetros do Rádio


Os parâmetros de configuração ou comandos XBee (DIGI, 2009a) são divididos em gru-pos, como endereçamento, rede, segurança, interface de RF, interface serial, comandos de E/S,diagnóstico, comandos de dormência e comandos de execução, e podem ser configurados tantopelo modo API quanto pelo modo AT. Os comandos de endereçamento são responsáveis poridentificar o nó na rede. Os principais comandos estão descritos na tabela 8 no apêndice A.

Os comandos de rede definem o endereço identificador da rede, canais de comunicação aserem utilizados, busca por canais, dentre outras operações. Os principais comandos utilizadosneste trabalho, CH e ID são descritos na tabela 9 no apêndice A. Os comandos de interface RFsão responsáveis pela sensibilidade do sinal do rádio e pelos modos de transmissão e recepção,e os principais os comandos, PL e DB, são descritos na tabela 9 no apêndice A.

Os comandos de interface serial são responsáveis pela comunicação entre o rádio XBee

e o microcontrolador ou dispositivo serial conectado a ele, onde é definido o modo API e con-figurações da taxa de transmissão de dados. Além dos comandos de interface serial, na tabela10 no apêndice (LIBELIUM, 2009) são descritos comandos para verificar o nível de tensão,configurar o modo de dormência do módulo e os comandos de execução, para identificação dosnós da rede. Na figura 11 podem ser observadas algumas configurações de um nó coordenadorno programa X-CTU.

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2.3.4 Portas de Entrada/Saída

O módulo XBee possui 13 portas de E/S (DIO0 a DIO12), algumas possuindo maisde uma função, que podem ser configuradas através do programa X-CTU. O diagrama com apinagem do módulo XBee e suas respectivas funções é apresentado na figura 12. A alimentaçãodo módulo é realizada através do pino 1 (VCC) e deve ser suprida a tensão de 3,3 volts e o terra/ ground através do pino 10.

A entrada e saída de dados são realizadas através das portas DIN (pino 3) e DOUT (pino2) respectivamente. Esses pinos podem ser conectados ao microcontrolador, para o envio erecepção de dados dos sensores. A função de RESET do módulo XBee é executada conectando-se uma chave do tipo push-button entre o pino 5 (RESET ) e o pino 10(Ground). O pino 6, alémda função DIO10, pode ser utilizado para medir o sinal RSSI da última transmissão recebidapelo módulo. O pino 8 é de uso reservado, não devendo ser conectado. O pino 9, além da portaDIO8, pode ser utilizado para ativar/desativar o estado de dormência do módulo. Esta porta,quando em nível alto, ou seja, quando existe um nível de tensão aplicado a ela coloca o módulono estado de dormência e, quando está em nível baixo ou conectado ao pino 10 (Ground), omódulo passa a operar normalmente.

Figura 12: Pinagem do Rádio XBee

Fonte: Adaptado de (DIGI, 2009a)

Os pinos 4 (DIO12), 7 (DIO11) e 11 (DIO4) são utilizados como entrada ou saída digitale possuem apenas esta função. Os pinos 12 (CT S/DIO7) e 16 (RT S/DIO6) podem ser utilizadospara controle de fluxo Clear-to-Send (CTS) e Request-to-Send (RTS) respectivamente. O pino13 (ON/SLEEP), além da função E/S Digital 9 (DIO9) pode ser utilizada como indicativo dostatus de funcionamento do módulo, utilizando um LED que, quando ligado indica o funcio-namento normal e quando desligado indica que o módulo se encontra em estado de dormência(SLEEP). O pino 15 possui um funcionamento semelhante, mas indicativo do status da asso-ciação do módulo com a rede, além da função E/S Digital 5 (DIO5). Se o módulo não estáassociado a uma rede, o LED permanece ligado. Quando o módulo está associado a uma rede,

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ele deverá piscar em um intervalo regular, de 500 ms para nós coordenadores e de 250 ms paranós roteadores e end devices.

O módulo XBee também possui quatro portas que podem ser utilizadas como E/S digitalou como entrada analógica apenas, das portas 17 a 20, respectivamente, AD3/DIO3, AD2/DIO2,AD1/DIO1 e AD0/DIO0. A última porta, 20, pode também ser usada como botão de comissio-namento, quando conectada a um botão do tipo push-button e este à porta 10 (Ground). Quandoo módulo está em uma rede, ao pressionar o botão uma vez, um módulo end device acorda du-rante 30 segundo e envia uma transmissão de broadcast com a identificação do nó. Ao sepressionar o botão duas vezes, o módulo envia uma transmissão de broadcast permitindo ao co-ordenador e a todos os outros nós a ingressar na rede durante 1 minuto. Pressionar quatro vezeso botão força o módulo a deixar a PAN, restaurando parâmetros de ID da rede e de procura decanais (SC) para os valores default e tenta se conectar a PAN utilizando esses valores.

2.3.5 Modos de Operação

Na figura 13 são apresentados os cinco modos de operação do rádio XBee: Idle, Trans-

mit, Receive, Command e Sleep. Ele permanece, por padrão, no modo Idle quando não está emoperação de envio e recebimento de dados. A partir desse modo, ele poderá mudar para os mo-dos Transmit, quando necessita transmitir dados; Receive, quando um pacote de dados válidoé recebido pela antena; Command, quando está em modo para receber instruções de controle econfiguração do rádio e Sleep, em que o rádio fica em estado de dormência, explicados a seguir.

Figura 13: Modos de Operação do XBee

Fonte: Digi (2009a)

O rádio XBee possui o parâmetro de configuração SM, que especifica o modo de opera-ção Sleep Mode. Abaixo são explicados os modos de economia de energia. Os parâmetros são

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alterados utilizando o software X-CTU.

a) 0 - No Sleep: sem modo de dormência, o rádio fica ligado o tempo inteiro, modo indicadoquando o coordenador está ligado a um computador para recepção de dados. Não é indicadopara o uso com baterias sem utilizar um dos modos de dormência, pois tem alto consumo deenergia (típico ≥ 60 mA).

b) 1 - Pin Hibernate: entra do modo de dormência após receber um nível alto de tensão nopino 9 do rádio. O tempo necessário para mudar do modo de dormência para o modo ativo(wake-up) é de 13,2 ms. É o modo com maior economia de energia. O rádio pode, então,ser controlado externamente por um evento ou por um microcontrolador ligado ao pino 9.Tem um consumo de energia menor do que 10 µA quando no estado de dormência. Nessemodo, quando é aplicado um nível de tensão CMOS de 3,3 volts, o rádio entra no estadode dormência e quando esse nível de tensão é retirado, ele volta à sua condição normal deoperação. O rádio, no entanto, só volta ao nível de dormência após todos os dados em seubuffer sejam transmitidos.

c) 2 - Pin Doze: entra do modo de dormência após receber um nível alto de tensão no pino 9do rádio, sendo que tem um tempo de wake-up menor que o do Pin Hibernate, em torno de2 ms, mas com uma economia de energia menor. Tem um consumo de energia menor doque 50 µA quando no estado de dormência.

d) 3 - Reservada

e) 4 - Cyclic Sleep Remote: possui o mesmo nível de economia de energia do Pin Doze, paraentrar em estado de dormência após um determinado tempo ocioso, configurado pelo parâ-metro ST e acorda durante um período, especificado pelo parâmetro SP. Os valores tanto parao coordenador quando para o nó sensor devem ser iguais. Esse modo possui um consumode energia menor do que 50 µA quando no estado de dormência.

f) 5 - Cyclic Sleep Remote with Pin Wake-up: equivalente ao Cyclic Sleep Remote, entretanto orádio acorda tanto em função dos parâmetros ST e SP quanto pela atividade do pino 9. Essemodo possui um consumo de energia menor do que 50 µA quando no estado de dormência.

Neste trabalho, os principais modos utilizados foram o Pin Hibernate e o Cyclic Sleep. Omodo Pin Hibernate é o que permite a maior economia de energia. O modo Cyclic Sleep Remote

with Pin Wake-up não foi utilizado devido à rede experimental transmitir apenas quando omicrocontrolador ativa o rádio e envia os dados e o rádio XBee só voltar ao estado de dormênciaapós terminar o envio.

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Figura 14: Configuração dos Pinos do ATMega 328

Fonte: Atmel (2010)

2.4 Microcontrolador ATMega 328

2.4.1 Introdução

O microcontrolador ATMega 328 é um processador de 8 bits, baseado em arquiteturaReduced Instruction Set Computer (RISC). O ATMega 328 possui um conjunto de 131 instru-ções, a maioria executada em um ciclo de clock, opera na faixa de tensão entre 1,8 a 5,5 volts ena faixa de temperatura de -40oC e 85oC (ATMEL, 2010). O ATMega 328 é o microcontroladorutilizado na plataforma Arduino, utilizada neste trabalho.

Um conjunto de 32 registradores de propósito geral estão presentes no ATMega 328.Estes registradores estão conectados diretamente à Aritmetic Logic Unit (ALU) - Unidade deLógica e Aritmética, permitindo ao processador trabalhar com dois registradores simultanea-mente em apenas um ciclo de clock (ATMEL, 2010). O diagrama da arquitetura interna domicrocontrolador pode ser observado no anexo C, figura 1.

Na seção 2.4.2 são apresentadas as configurações e funções dos pinos do microcontro-lador. Na seção 2.4.3 é apresentado o funcionamento do gerenciamento de energia do ATMega328. Na seção 2.4.4 é descrita a plataforma Arduino. Por fim, na seção 2.4.5, é apresentada aplaca XBee Shield, que interliga o Arduino ao rádio XBee.

2.4.2 Portas de Entrada/Saída

O ATMega 328 é fornecido em quatro versões de configuração de pinos, sendo três delasutilizando montagem de superfície (Surface Mount Device (SMD)) e uma através da montagematravés de duas linhas paralelas de pinos (Dual In-line Package (DIP)), que é a utilizada nestetrabalho. A configuração dos pinos pode ser observada na figura 14. As portas de E/S domicrocontrolador são divididas em três grupos, PB0 a PB5, PC0 a PC6 e PD0 a PD7.

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O pino 1 (PC6) do microcontrolador possui a função de RESET, que, quando conectadoao pino terra (8 ou 22) reinicializa o microcontrolador. A alimentação de energia é realizadaatravés dos pinos 7 (VCC) e 20 (AVCC - utilizada pelo conversor analógico digital), bem comoo pino 21 (AREF). Os pinos 9 (PB6) e 10 (PB7) devem ser conectados a um cristal oscilador,responsável por fornecer a frequência do sinal de clock para o microcontrolador.

Os pinos 2 (PD0 - RXD) e 3 (PD1 - TXD) são utilizados para comunicação serial comoutros dispositivos, como, por exemplo, o rádio XBee descrito na seção 2.3. As portas PD2a PD4 (pinos 4 a 6), PD5 a PD0 (pinos 11 a 13) e PB0 a PB5 (pinos 14 a 19) correspon-dem, respectivamente, à portas digitais 2 a 13 do Arduino. Os pinos 23 a 28 (PC0 a PC5) sãoresponsáveis por prover a funcionalidade de portas de entrada e saída analógicas, através deconversores analógico-digitais de 10 bits para cada porta.

2.4.3 Gerenciamento de Energia

A arquitetura em blocos do microcontrolador ATMega 328 pode ser analisada na figura2, no anexo C. O microcontrolador ATMega possui uma unidade de controle do sinal de clock

que o distribui para cinco áreas distintas. Isto permite uma redução do consumo de energia porque nem todas essas partes necessitam estar ativas a todo o momento e cada parte é desativadaquando o sinal de clock para ela é interrompido. Os modos de economia de energia do micro-controlador são descritos a seguir e na figura 15 é exposto o diagrama em blocos da estruturade clock do ATMega 328.

a) CPU Clock (clkCPU ) : operação do núcleo do processador e memória RAM;

b) I/O Clock(clkI/O): utilizado pelos módulos de I/O como Contadores e Universal Synchro-

nous Asynchronous Receiver Transmitter (USART) - unidade responsável pela transmissãoe recepção de dados de forma serial, além do módulo de interrupção externa;

c) Flash Clock(clkFLASH) : utilizado na operação da interface da memória Flash; Asynchro-

nous Timer Clock (clkASY ): permite que um contador assíncrono possa ser sincronizadodiretamente de uma fonte externa de clock, permitindo que seja um utilizado um contadorde tempo real mesmo quando o microcontrolador está em sleep mode;

d) ADC Clock(clkADC): permite a suspender o clock da CPU e I/O para reduzir o ruído geradopelo circuito digital, permitindo uma maior precisão ao conversor analógico digital (Analog

Digital Converter (ADC)).

O ATMega possui seis modos de economia de energia. Cada modo permite uma maiorou menor economia de energia, de acordo com as áreas do sinal de clock desabilitadas. Nestetrabalho são utilizados basicamente dois modos, Power-save e Power-down, por serem os modos

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Figura 15: Diagrama em blocos do sistema de clock do ATMega

Fonte: Atmel (2010)

que permitem a maior economia de energia. Os modos de economia de energia são descritos aseguir.

a) Idle Mode: basicamente suspende a operação do clkCPU e clkFLASH , mas mantendo todosos outros sinais de clock funcionando normalmente, habilitando o microcontrolador a seracordado por interrupções externas ou mesmo internas, como USART e Timer Overflow;

b) ADC Noise Reduction Mode: suspende clkI/O, clkCPU e clkFLASH ;

c) Power-down Mode: nesse modo, o oscilador externo é suspenso, enquanto os serviços deWatchdog e interrupções externas continuam operando. Suspende todas as operações detodos os clocks do microcontrolador, permitindo apenas a operação de módulos assíncronos;

d) Power-save Mode: permite que o microcontrolador entre em um sleep mode semelhante aoPower-down Mode, mas com a diferença de que se um circuito de Timer/Counter estiverhabilitado (figura 15), ele poderá ser utilizado para acordar o microcontrolador;

e) Standby Mode e Extended Standy Mode: esses dois últimos modos trabalham de maneirasemelhante ao Power-down Mode e Power-save Mode respectivamente, mas não desligamo oscilador, permitindo o retorno ao modo normal em seis ciclos de clock. Este modo érecomendado somente quando forem utilizados osciladores externos.

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A alteração dos modos de energia é realizada através da configuração dos bits SM2,SM1 e SM0 do registrador SMCR do microcontrolador. Estes parâmetros são utilizados paratornar possível a hibernação do microcontrolador.

2.4.4 Plataforma Arduino

A plataforma de prototipagem rápida Arduino (ARDUINO, 2009a), utilizada neste tra-balho, é baseada em hardware aberto, ou seja, é possível desenvolver produtos utilizando-ocomo base sem o pagamento de royalties, permitindo assim a customização e adaptação darede de sensores de acordo com a necessidade da pesquisa, permitindo prototipagem rápida. Omódulo Arduino é composto por um microcontrolador ATMega 328, um chip de comunicaçãoUSB Future Technology Devices International (FTDI) - fabricante do chip (FTDI, 2010) parainterligação com um microcomputador e reguladores de voltagem que permitem a utilização defontes de energia entre 5 e 12 volts, como pode ser visto na figura 16. O diagrama esquemáticodo Arduino pode ser observado na figura 1, no anexo A.

Figura 16: Placa Arduino Duemilanove


O Arduino possui 14 portas digitais programáveis, enumeradas de 0 a 13. As portas 0 e 1são utilizadas para comunicação serial, como por exemplo, com um rádio de comunicação. Asportas 2 e 3, além da função normal de Entrada e Saída (E/S) podem ser utilizadas para disparareventos de interrupção no microcontrolador. Caso um sensor de presença esteja, por exemplo,conectado a esta porta, quando ocorrer um evento nesse sensor um tratamento especial pode serdado, como por exemplo, enviar uma mensagem de emergência ou tirar o microcontrolador doestado de dormência.

As outras portas podem ser utilizadas para sensores que retornem valores booleanos,como verdadeiro ou falso, ativar e desativar relés/transistores para controlar dispositivos demaior potência ou tensão, além de ligar e desligar lampadas Light Emission Diode (LED) -

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Diodo Emissor de Luz. As portas digitais 3, 5, 6, 9, 10 e 11 podem ser utilizadas como portasPulse Width Modulation (PWM) - Modulação por Largura de Pulso.

Além das portas digitais, o Arduino possui 6 portas analógicas, cada porta com um con-versor analógico-digital de 10 bits. Estes conversores funcionam medindo a tensão existente emcada porta, fornecendo um valor entre 0, sem sinal, e 1023, equivalente a 3,3 volts ou 5 volts,de acordo com o nível de tensão utilizado. Podem ser acopladas a estas portas sensores comoluminosidade, umidade, temperatura, gás e sísmico/acelerômetro. Outros componentes impor-tantes da placa Arduino são o botão de reset, para a reinicialização do módulo, e os conectorescom tensão regulada em 3,3 volts e 5 volts, para utilização em sensores e/ou placas acopladas àplaca principal do Arduino.

A plataforma oferece o conceito de shields, que são placas que podem ser adicionadasao Arduino para aumentar sua funcionalidade. Existem shields para conexão do Arduino commódulos Bluetooth, Ethernet, relés para controle de potência. A placa utilizada neste trabalho,denominada XBee Shield, permite a interligação do Arduino ao rádio XBee, e é descrita naseção 2.4.5. O fabricante do Arduino também fornece um software para o desenvolvimento deaplicações, baseadas na linguagem C, permitindo a programação em alto nível. Existem váriasversões customizadas do Arduino desenvolvidas em diversos países (ARDUINO, 2009b), dentreas quais uma placa desenvolvida no Brasil, a Arduino Severino (AKASHI, 2010), que utiliza aporta serial para comunicação com o microcomputador. Este trabalho apresenta o Modulino,uma versão do Arduino com menor consumo de energia.

2.4.5 XBee Shield

A placa XBee Shield (LIBELIUM, 2010) tem por função permitir a conexão entre orádio XBee e a placa Arduino, apresentada na seção 2.4.4. A placa mantém a funcionalidadedas portas de E/S do Arduino, como pode ser visto na figura 17, mas pela disposição da placanão é possível ter acesso às saídas de tensão de 3,3 volts, 5 volts e terra (GND), sobrepostaspela placa XBee Shield. A sobreposição ocorre também com o botão de reset e por este motivo,a placa XBee Shield tem um botão de reset adicional. A placa também possui um regulador detensão, para manter os 3,3 volts necessários para o funcionamento do rádio XBee, além de umLED indicador do estado da conexão da rede, conectado ao pino 15 (DIO5), descrito na seção2.3.4.

Um par de jumpers é utilizado na placa XBee Shield para a seleção do modo de co-municação. Quando a placa XBee Shield é utilizada sem o microcontrolador ATMega 328 naplaca Arduino, o conjunto pode ser utilizado como nó coordenador (gateway), conectado a umcomputador. Nesse caso utiliza-se os jumpers na posição USB, onde todo o tráfego de dadosrecebido pelo rádio é direcionado para o microcomputador. Os jumpers nessa posição também

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Figura 17: Arduino com XBee Shield


permitem que o microcomputador possa configurar o rádio XBee através do software X-CTU.

Não é possível, entretanto, realizar a configuração do rádio XBee com o microcontrola-dor ATMega 328 presente na placa Arduino, sendo permitida apenas a programação do micro-controlador através da porta USB. Com os jumpers na posição XBee, todo o tráfego de dados daplaca é feito entre o microcontrolador e o rádio XBee, configuração utilizada nos nós roteadorese end device. O diagrama esquemático da placa XBee Shield pode ser observado na figura 1no anexo B. Neste trabalho, a análise dos diagramas esquemáticos das placas Arduino e XBee

Shield permitiu o desenvolvimento do nó sensor Modulino, que integra essas duas placas emapenas uma, com o objetivo de economizar o máximo de energia possível no hardware.

A seguir, no capítulo 3, são apresentados os trabalhos relacionados aos objetivos destetrabalho. São abordados os temas de monitoramento de ambientes, as aplicações em RSSF, odesenvolvimento e a adaptação de nós sensores e a economia de energia em uma RSSF.

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3 TRABALHOS RELACIONADOS

Nesta seção são discutidos os trabalhos relacionados ao objeto desta dissertação. Naseção 3.1, são descritos os trabalhos na área de segurança e monitoramento de ambientes. Naseção 3.2, são apresentados os trabalhos relativos à aplicações em redes de sensores. Na seção3.3, são apresentados os trabalhos sobre adaptação e desenvolvimento de nós sensores. E, naseção 3.4, estão descritos os trabalhos referentes ao consumo e economia de energia.

3.1 Monitoramento de Ambientes

Para monitorar equipamentos eletrônicos, como proposto neste trabalho, é necessárioentender os conceitos relativos ao monitoramento de ambientes. Relacionado ao monitora-mento de ambientes, Chagas et al. (2010) apresentam um middleware para controle de con-sumo de energia elétrica e utilização de laboratórios de informática. Baseado em sensibilidadeao contexto e ambientes inteligentes, o middleware libera o acesso a cada laboratório de acordocom a demanda, evitando o desperdício de energia com luzes e computadores em salas compoucos usuários. Entretanto, a rede de sensores e atuadores utilizada é baseada em cabeamentopadrão ethernet e também não foi medido o impacto do consumo da rede de sensores, apesarda economia de energia com um todo. Neste trabalho, além do monitoramento do ambiente emque o equipamento eletrônico está inserido, foram utilizadas técnicas para diminuir o consumode energia da rede de sensores de monitoramento e foi utilizada uma solução sem fio para acomunicação de dados.

O conceito de ambientes inteligentes (DUCATEL et al., 2009) permite um entendimentomelhor da estrutura de software e recursos de sensoreamento local para poder modelar de ma-neira adequada a integração entre o ambiente e a rede de sensores, o protocolo de comunicaçãoa ser utilizado, os requisitos do ambiente e dos usuários nele presente. Kaasinen, Tuomisto eValkkynen (2005) descrevem ambientes inteligentes em casos de uso e requisitos de usuários,com redes sem fio e de sensores provendo dados para dispositivos móveis de acordo com ocontexto, fazendo a conexão entre os conceitos de engenharia de software e sua aplicação emcomputação ubíqua. A infraestrutura proposta neste trabalho permite que aplicações sensíveisao contexto a utilizem para prover ubiquidade no ambiente.

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As características das RSSF, apresentadas na seção 2.1, permitem a sua utilização comouma plataforma para controle patrimonial e segurança de ambientes. No trabalho de Buttyanet al. (2010) são abordados os desafios para se construir uma infraestrutura de proteção contraameaças, como ataques terroristas, de criminosos ou mesmo catástrofes e discute os aspectosque tornam as redes de sensores sem fio confiáveis para o monitoramento da segurança de umambiente. Esses aspectos envolvem a própria segurança do módulo e segurança da comunicaçãoda rede, para tornar fidedigno todo o tráfego de dados.

O furto de equipamentos eletrônicos, como notebooks, é abordado no trabalho de Dim-kov, Pieters e Hartel (2010), onde são descritos mecanismos contra roubo em organizaçõesabertas, como um campus universitário, e foram realizados testes em mecanismos de segurançasociais e em mecanismos de segurança físicos, que influenciam os roubos de notebooks. Aindasegundo Dimkov, mecanismos de segurança de apenas um domínio são limitados e que a efetivi-dade da segurança física depende de seu alinhamento com os mecanismos de segurança sociais.Isto mostra que não basta apenas ter o controle patrimonial informatizado, mas também formasde avisar e ativar os mecanismos de segurança sociais. Projetores LCD possuem característicassimilares aos notebooks, pois possuem dimensões reduzidas e um alto valor agregado e com-partilham do mesmo problema de roubo com os notebooks em organizações abertas. A aborda-gem neste trabalho propõe uma complementação do mecanismo de segurança físico, através deRSSF, permitindo o acionamento, em tempo real, dos mecanismos de segurança sociais.

Figura 18: Segurança Física de um Projetor LCD


A preocupação com furtos também influencia os fabricantes de equipamentos eletrôni-cos a buscar soluções para o problema. Um exemplo é o projetor Mitsubishi XL5900 (MITSU-BISH, 2011), lançado em setembro de 2003, e que possui um sistema de alarme audível, comsensor de movimento e acionado através de uma chave de segurança. Uma abordagem seme-lhante (SECUREIT, 2010), também utiliza um alarme audível, mas sem detector de movimento,e pode ser adicionado a qualquer equipamento eletrônico.

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Uma solução utilizada em dispositivos eletrônicos para proteção contra furtos de equi-pamentos, denominada trava Kensington (KENSINGTON, 2010), consiste de um cabo de açoe uma trava com cadeado que é conectado ao dispositivo eletrônico. Na figura 18 pode ser vi-sualizado um exemplo de segurança física de um projetor LCD, onde são utilizadas uma gaiolade proteção com cadeado e uma trava Kensington acoplada ao aparelho eletrônico.

3.2 Aplicações em Redes Sensores Sem Fio

As aplicações no sensoreamento sem fio são das mais diversas. Akyildiz et al. (2002)citam algumas: aplicações militares, como vigilância e patrulhamento, monitoramento e de-tecção de armas químicas e biológicas; aplicações ambientais, como detecção de incêndios emflorestas, detecção de inundações, mapeamento da bio complexidade em um ambiente; aplica-ções na área da saúde, como tele monitoramento de dados fisiológicos de pacientes, localizaçãode médicos e pacientes em hospitais. Um exemplo de um nó sensor é apresentado na figura 19.

Figura 19: Exemplo de um nó sensor


Zucatto et al. (2007) realizam uma comparação entre Bluetooth e ZigBee, ao apresentaros requisitos utilizados no desenvolvimento de uma rede ZigBee de controle residencial. Lin,Liu e Fang (2007) estudam a aplicabilidade do ZigBee em indústrias, apresentando os requisitosnecessários para aplicações industriais, como alcance desejado, e suas características. Lee eMoon (2009) fazem um estudo sobre a utilização de uma RSSF padrão IEEE 802.15.4 emum ambiente industrial, apresentando uma diminuição de custo e de tempo parado na troca demáquinas industriais, em relação a máquinas conectadas através de rede cabeada.

A captura do sinal Received Signal Strength Indicator (RSSI) (Indicador da Intensidadedo Sinal Recebido) dos rádios de comunicação presentes neste trabalho permitem localizar osequipamentos eletrônicos dentro do campus da Universidade, permitindo conhecer em temporeal em qual sala está cada aparelho, como projetores LCD e televisores. Dentre os trabalhosrelacionados nesta área, Sottile et al. (2008) apresenta um sistema para localização de nós sen-sores adotando um algoritmo baseado no sinal RSSI, presente nas camadas física e MAC do

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Figura 20: Nó sensor U3

Fonte: Adaptado de Kawahara et al. (2003)

padrão IEEE 802.15.4. A arquitetura proposta neste trabalho tem como ambiente as salas deaula de um campus universitário, sendo importante considerar o funcionamento da rede emambientes fechados. Gonçalo e Helena (2009) fazem uma proposta para localização dos nóssensores em ambientes indoor, com os modelos de propagação e atenuação de sinais levandoem consideração as paredes entre as salas.

Uma aplicação de redes ZigBee em um campus universitário foi feita por Huang (2009),em que cita que os maiores desafios na implementação de uma RSSF ubíqua recaem sobre aadministração de banco de dados e das interfaces utilizadas. Nesse trabalho, são exploradasas questões sobre a melhor localização dos nós ZigBee, fluxo de dados, além do design dobanco de dados e seu processo de análise on line (OLAP). Duran-Faundez, Aguilera-Carrasco eNorambuena (2010) utilizam sinais RSSI para detectar a movimentação de pallets em ambientesindustriais. Os experimentos demonstraram que quanto maior a potência do sinal, menor ainterferência e melhor a precisão das medições. Foram utilizados módulos ZigBee modeloXBee, semelhantes aos utilizados neste projeto de pesquisa.

3.3 Desenvolvimento e Adaptação de Módulos de RSSF

Kawahara et al. (2003) cita que é desejável que um nó sensor seja construído em mó-dulos, provendo flexibilidade no desenvolvimento e adaptação dos nós sensores para diferentesnecessidades em RSSF. Kawahara desenvolveu um nó sensor sem fio, denominado U3 (figura20),com sensores de movimento, luminosidade e temperatura, utilizando módulos separadosde processador, rádio de comunicação, de gerenciamento de energia e placa com sensores. Onó sensor U3 tem a dimensão de um cubo de 5cm, com taxa de transmissão de 100 kbps ealimentado por três baterias recarregáveis tamanho AAA.

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Figura 21: Nó sensor SquidBee

Fonte: Libelium (2011)

Os rádios de comunicação XBee utilizados neste trabalho são versáteis, podendo ser in-terligado com diversos microcontroladores. No trabalho de Yussoff et al. (2010) é utilizado ummicrocontrolador de propósito geral PIC interligado a um rádio XBee 802.15.4 para o monito-ramento de temperatura em vários pontos de um ambiente, transmitindo essas informações paraum nó coordenador. Apesar da utilização da linguagem C para programação do microcontrola-dor e da implementação do hardware, ou seja, a interligação entre o microcontrolador e o rádioXBee, serem bem semelhantes à utilizada neste trabalho, somente é possível a compatibilidadena camada de comunicação de dados, se forem utilizados rádios utilizando o mesmo protocolo,IEEE 802.15.4 ou ZigBee, uma vez que tanto a pinagem quanto a implementação do software

do microcontrolador são diferentes. No trabalho de (SARIJARI et al., 2008) é utilizado umrádio XBee para automação doméstica, no qual o coordenador da rede é conectado a um rádioGSM para o envio e recepção de mensagens SMS para controle da rede.

Neste trabalho, inicialmente, foram adquiridos módulos de sensores da marca Squid-

Bee (LIBELIUM, 2009) para desenvolver a rede de monitoramento descrita na seção 4.1. Essesmódulos são baseados na plataforma de hardware livre Arduino (ARDUINO, 2009a). No tra-balho de (BERGMANN; WALLACE; CALIA, 2010) é descrita a prototipagem de um módulosensor utilizando o Arduino e o rádio XBee como sendo importante para redução de custos napesquisa e desenvolvimento de uma rede de sensores sem fios para um sistema de sensores ma-rinhos. Na figura 21 pode ser visualizado o nó sensor SquidBee, com os sensores de umidade,luminosidade e temperatura.

O SquidBee é utilizado no trabalho de Bagula et al. (2009), que utiliza de 9 volts emparalelo para obter cerca de 72 horas de funcionamento da rede de testes, com o consumo

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do módulo em 70 mAH quando enviando dados e 14 mAH quando no modo de economia deenergia e utiliza o método de economia de energia de Yarza e Gascon (2008). O módulo foimodificado para trabalhar com duas baterias recarregáveis de 3,7 volts de polímero de lítio,permitindo a utilização do módulo por cerca de 100 horas. Bagula também relata que até a umadistância de 70 metros não houve significativa perda de pacotes, em ambiente outdoor, compouca ou nenhuma variação do sinal RSSI em relação ao nível de tensão do módulo e foramtestadas várias taxas de amostragem em relação ao tempo, com intervalos de transmissão de 5,10, 30, 60 e 240 segundos em cada teste.

3.4 Economia de Energia

Segundo Mini e Loureiro (2008), o gerenciamento da energia é um dos fatores maisimportantes em uma RSSF. As tarefas que mais consomem energia em uma RSSF são a trans-missão e recepção de dados. A ocorrência de uma transmissão consome mais energia do queo processamento de dados (AKYILDIZ et al., 2002), (ARAUJO; VILLAS; BOUKERCHE,2007). Por este motivo, uma das abordagens utilizadas neste trabalho para economizar energiaem uma RSSF é a utilização de métodos que minimizem a quantidade de transmissões. Umalgoritmo visando a economia de energia em RSSF utilizando a diminuição na quantidade detransmissões de dados é proposto na seção 4.2.3.

Uma rede de sensores sem fio semelhante à utilizada neste trabalho foi alvo do trabalhode Lousada (2009), em que o foco principal foi o consumo de energia dos módulos XBee paraa utilização de uma RSSF na medição do consumo de energia elétrica. A medição do consumode energia do nó XBee foi semelhante a utilizada neste trabalho, mas o módulo de processa-mento que envia as informações à rede possui sua própria fonte de energia, não sendo possívelcontrolar o consumo integrado entre processamento e rádio.

Uma proposta de envio de amostras de dados em intervalos de tempo é feita por Al-Karaki e Kamal (2004), onde é utilizada a correlação espaço-temporal das amostras medidaspelos nós, com o intuito de reduzir a quantidade de transmissões. Os nós, na proposta de Al-Karaki, podem passar para um estado de inatividade (ou economia de energia) e, com isso,prolongar o tempo de vida da rede. Um conceito que pode ser explorado com o intuito de mini-mizar o número de transmissões e, portanto, economizar energia é a Taxa de Inovação (HENRI-QUES; LOVISOLO; GONC, 2009). Os nós apenas transmitiriam medidas que apresentassemuma determinada quantidade de inovação, ou um determinado nível de variação entre amostrasdo sinal medido. O algoritmo de níveis de alerta, visto na seção 4.2.3, utiliza uma abordagemsemelhante, mas dependendo do tipo do sensor que fez a leitura, o ciclo de trabalho do nó sensoré alterado.

Os componentes de um sistema computadorizado consomem energia mesmo quando

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estão ociosos, devido à potência estática presente nos circuitos. Uma das técnicas utilizadaspara reduzir o consumo de energia pode ser a hibernação de recursos (JUNIOR, 2007). Avantagem dessa técnica é a redução do consumo de energia estática do sistema para próximode zero, pois ela permite transições entre modos de operação que irá inibir a passagem decorrente para partes do circuito. O impacto da hibernação temporária é normalmente bastanteexpressivo no consumo de energia, entretanto, alguns cuidados devem ser tomados, por exemploo custo de reativação e o tempo de hibernação do sistema. A abordagem deste trabalho é alterardinamicamente o ciclo de trabalho do nó sensor, hibernando o microcontrolador e o rádio decomunicação de forma integrada.

Em (CASTILHO, 2009) são abordadas as características não lineares das baterias, emque a taxa constante de descarga de uma bateria diminui consideravelmente o tempo de vida donó sensor. Castilho desenvolveu um protocolo ciente das características não lineares, permitindoo desligamento do nó de tempos em tempos para que a bateria possa reordenar os íons (efeito derecarga), provendo um aumento do tempo de atividade da rede. Isto reforça a necessidade de sedesligar ou pelo menos, hibernar, todos os componentes da rede por um determinado período.Ao se ter uma alta taxa de consumo de energia, o fato de cessar ou pelo menos diminuir esseconsumo por um determinado período pode aumentar o tempo de vida do nó sensor. Nestetrabalho, o desenvolvimento do nó sensor Modulino (seção 4.4), permitiu uma diminuição dataxa de consumo do nó sensor, além de economizar o máximo de energia possível quando nomodo de hibernação, permitindo um aproveitamento melhor do efeito recarga da bateria.

No capítulo 4 é apresentada a proposta da rede de monitoramento de equipamentoseletrônicos. É apresentada uma visão geral da aplicação de monitoramento e do ambiente a sermonitorado, bem como são apresentados os algoritmos utilizados no nó sensor e a aplicação demonitoramento. Por fim, são apresentados os resultados preliminares da rede de monitoramentoe o nó sensor Modulino.

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4 MONITORAMENTO DE EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS

Neste capítulo é apresentada a RSSF para monitoramento de equipamentos eletrônicos.Na seção 4.1, é descrita a implantação da rede, com a análise do ambiente a ser monitorado ea configuração dos nós sensores. Na seção 4.2, é apresentada a aplicação de monitoramento,com os algoritmos dos nós sensores e a aplicação que recebe as informações enviadas pelosnós sensores. Na seção 4.3, são apresentados os resultados dos experimentos para verificar ofuncionamento da atividade de monitoramento e do consumo de energia da rede. E, na seção4.4, é apresentada a proposta de um novo nó sensor, com menor consumo de energia.

4.1 Implantação da RSSF

Nesta seção é apresentado o desenvolvimento da infraestrutura da RSSF utilizada parao monitoramento de equipamentos eletrônicos. Na seção 4.1.1, é apresentada a análise docenário utilizado para os experimentos da solução proposta e na seção 4.1.2, é apresentada aconfiguração dos nós sensores para a execução dos experimentos.

4.1.1 Análise do Ambiente a ser Monitorado

A análise do ambiente de monitoramento é necessária para a melhor disposição dosnós sensores e roteadores. Para implementar uma RSSF para monitoramento de equipamentoseletrônicos, foram utilizados quatro nós sensores, três nós roteadores e um nó coordenador,também chamado de gateway ou sink. Estes nós foram dispostos no terceiro andar do prédiodo Mestrado em Informática da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, localizadono bloco L do campus da unidade de São Gabriel. As salas 306, 308 e 309, por terem umbom fluxo de entrada e saída de alunos, foram as escolhidas para a instalação dos nós sensorespara monitoramento do ambiente e de equipamentos eletrônicos, como projetores LCD. O nócoordenador foi alocado na sala 303, no laboratório de redes de computadores. Um mapainformativo com a localização dos sensores pode ser visto na figura 22.

A escolha do local para posicionamento dos nós roteadores foi feita após a realização deexperimentos para verificar o alcance do sinal entre o nó sensor mais distante, na sala 308 e o nócoordenador, na sala 303. Foi verificado que o nó coordenador não recebia pacotes de dados do

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Figura 22: Planta do local de monitoramento e topologia da rede


nó sensor situado na sala 308. Optou-se pela colocação de três nós roteadores, para permitir umfluxo melhor de dados e também para facilitar o sensoreamento da sala 306 e eventualmente,da sala 305. No corredor, próximo às salas 308 e 309, foi instalado o primeiro nó roteador,permitindo o roteamento dos dados destas duas salas.

Na frente da sala 305 foi colocado o segundo nó roteador e na frente da sala 303 foiposicionado o terceiro nó roteador. Na figura 23 pode ser visualizado três nós roteadores, qua-tro nós sensores SquidBee, o nó coordenador e três placas Arduino conectados à placas XBee

Shield. As três placas Arduino foram utilizadas apenas como apoio nos experimentos de al-cance e configuração dos nós, não sendo utilizadas diretamente na rede. Os nós sensores foramdenominados PUC0001, PUC0002, PUC0003, PUC0004 e PUC0005, os nós roteadores de-nominados ROTEADOR001, ROTEADOR002 e ROTEADOR003 e o nó coordenador comoCOORDENADOR.

O nó coordenador e os nós roteadores possuem a mesma configuração, sendo que o nócoordenador é conectado através da interface USB ao computador com a aplicação de moni-toramento. Tanto o coordenador quanto os roteadores não possuem microcontroladores, tendosuas funções controladas exclusivamente pelos rádios de comunicação XBee neles instalados.Os nós roteadores e os nós sensores tem os parâmetros de endereço de nó destino configuradoscom o endereço único de 64 bits do nó coordenador. Todas as mensagens que chegam a essesnós são obrigatoriamente roteadas para o coordenador.

O nó sensor SquidBee é baseado em hardware aberto, sendo possível desenvolver pro-dutos utilizando-o como base sem o pagamento de royalties. A customização e adaptação de

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Figura 23: Módulos Sensores pra Monitoramento de Ambientes


uma rede de sensores SquidBee pode ser realizada de acordo com a necessidade de pesquisa. OSquidBee tem como base de comunicação a plataforma Arduino e um módulo de comunicaçãoXBee (DIGI, 2009a).

Uma vez que os nós roteadores ficaram expostos no corredor, foi necessário construiruma caixa metálica para acomodar cada módulo roteador. As três caixas metálicas foram fixadasnos locais escolhidos, com os nós roteadores nelas inseridos. O acesso físico aos nós roteadoresdentro das caixas metálicas é realizado através de uma tampa com cadeado. A caixa metálicacom um nó roteador pode ser visualizada na figura 24. A figura 25 mostra a caixa metálica como nó roteador (PUC0001), fixada no teto do corredor do prédio do Mestrado em Informática.

Para monitorar um projetor LCD, foi desenvolvido um nó sensor com um sensor de pre-sença do tipo Passive Infrared (PIR) e com um sensor sísmico, que consegue detectar pequenasvariações de movimento. O nó sensor, denominado PUC0001 pode ser visualizado na figura26. O sensor PIR emite uma luz infravermelha, invisível aos olhos humanos, e mede a reflexãoda emissão dessa luz. Caso uma pessoa entre em um ambiente monitorado por um sensor PIR,irá ocorrer uma variação na intensidade da luz refletida e medida pelo sensor, ativando a portado microcontrolador responsável por monitorar presença.

O módulo sensor deve estar disposto sobre o aparelho eletrônico a ser monitorado. Casoocorra algum evento que altere o estado de repouso do módulo sensor, como por exemplo, umatentativa de roubo de um projetor LCD, o nó sísmico detecta essa alteração de estado e enviauma mensagem ao nó coordenador com a intensidade da variação do repouso.

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Figura 24: Caixa de proteção do nó roteador


Figura 25: Disposição do nó roteador


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Figura 26: Sensor de presença


4.1.2 Configuração da Rede de Sensores

Para execução dos experimentos, os nós foram configurados sem criptografia de dados,identificação da rede número 3332, canal 0xD, modo API nível 2, nível da potência de rádio 4(máximo) e velocidade de comunicação com a interface serial a 9600 bps, sem paridade, 1 bit deparada e sem controle de fluxo, sendo que o nó coordenador foi configurado com a velocidadede comunicação serial a 115200 bps. Na tabela 2 são apresentados os endereços de 16 e 64 bitsdos nós sensores utilizados, bem como a função exercida por cada nó (sensor ou roteador) eo nome de identificação do nó. Neste trabalho, o endereço de 16 bits e o de 64 bits H são osmesmos para todos os dispositivos, seguindo a configuração padrão do fabricante do módulo.

Tabela 2: Configuração dos Nós SensoresNome do Nó End. 16 bits End. 64 bits H End. 64 bits L Tipo do NóCOORDENADOR FFFE 13A200 404B3AD0 RoteadorROTEADOR01 FFFE 13A200 404B3ACD RoteadorROTEADOR02 FFFE 13A200 405335FE RoteadorROTEADOR03 FFFE 13A200 404B3ACE RoteadorPUC0001 FFFE 13A200 405533A4 SensorPUC0002 FFFE 13A200 404B9126 SensorPUC0003 FFFE 13A200 404B3AC5 SensorPUC0004 FFFE 13A200 404B3AC0 RoteadorPUC0005 FFFE 13A200 404B3AC6 Roteador


Para verificar o funcionamento da rede, foi realizado um experimento, onde os nós sen-sores enviaram informações sobre o ambiente para o nó coordenador. Ocorreu o roteamento dospacotes de dados de cada módulo sensor, fornecendo as informações de temperatura, umidadee luminosidade de cada ambiente sensoreado. Notou-se, porém, que muitos dados eram envi-ados de forma repetida, em um intervalo de tempo constante. Na configuração proposta pelofabricante do SquidBee, os dados de cada sensor, de cada módulo, são separados pelo caractere‖ com o número do sensor. Consta, ainda, um número sequencial de transmissão e um códigopara identificar o nó sensor. A faixa de valores aceitáveis dos sensores de umidade e lumino-sidade podem variar entre 0 e 100% e a temperatura possui valores aceitáveis entre -25◦C e

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125◦C.

Os sensores convertem os valores medidos no ambiente em níveis de tensão, que porsua vez, são tratados pelos conversores analógico-digitais do microcontrolador. Os conversoresanalógico-digitais do ATMega 328, como citado anteriormente, possuem resolução de 10 bits,transformando os níveis de tensão fornecidos pelos sensores em valores decimais, com variaçãodesses valores entre 0 e 1023. A aplicação de monitoramento que recebe estas informaçõespode, então, converter esses valores no formato percentual ou em graus celsius.

Um tutorial explicando esse procedimento é disponibilizado por (LIBELIUM, 2011),onde é apresentado o código-fonte original da aplicação de do SquidBee e as fórmulas de con-versão dos valores decimais para percentual e graus celsius. O formato dos dados enviadospelo nó sensor, proposto pelo fabricante do SquidBee, possui um tamanho de 37 bytes, podendosofrer alterações de acordo com os valores lidos e com um número sequencial, que identifica ospacotes transmitidos. O SquidBee não vem configurado originalmente com os sensores sísmicoe de presença, sendo esta uma modificação realizada para atender aos requisitos deste trabalho.

4.2 Desenvolvimento da Aplicação de Monitoramento

Esta seção apresenta o desenvolvimento da aplicação de monitoramento e dos algorit-mos para tratamento e envio dos dados dos nós sensores para o nó coordenador. A seção 4.2.1apresenta uma visão geral sobre os requisitos de uma aplicação de monitoramento de equipa-mentos eletrônicos. Na seção 4.2.2, é apresentada a proposta de um algoritmo para identificar otipo do sensor que captura as informações. Na seção 4.2.3, é apresentado o algoritmo de níveisde alerta, utilizado para enviar apenas as informações relevantes à atividade de monitoramento.Na seção 4.2.4, é apresentada a aplicação PUCAdmin, responsável por receber, através do nócoordenador, as informações enviadas pelos nós sensores.

4.2.1 Visão Geral da Aplicação

Os módulos SquidBee, utilizados pela solução proposta na seção 4.1, possuem uma pe-quena aplicação para a captura de informações dos sensores neles conectados, desenvolvidapelo fabricante do módulo. As informações são enviadas em uma ordem pré-determinada, emformato texto separadas por ponto-e-vírgula, tendo um tamanho do pacote de dados de 37 bytes,por transmissão. A aplicação original do SquidBee envia as informações a cada cinco segun-dos, não possuindo nenhum tipo de tratamento dos dados e nenhuma técnica para economia deenergia do módulo.

No experimento de implantação da rede de sensores, verificou-se a necessidade de seidentificar qual módulo SquidBee enviou os dados dos sensores. Essa identificação, na aplica-

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ção original do SquidBee, é realizada através da alteração da própria aplicação, tornando maiscomplexa a instalação de múltiplos sensores em um ambiente. O quadro de dados no padrão AT,utilizado pelo SquidBee, não possui o endereço físico do nó sensor. Pelos motivos apresentadosacima, verificou-se a necessidade de desenvolver uma aplicação para o nó sensor que satisfaçaos seguintes requisitos:

a) Permita a identificação do tipo do dado sensoreado, evitando erros de interpretação e detratamento de dados;

b) Efetue o tratamento dos dados sensoreados, eliminando informações repetidas;

c) Envie os dados somente quando necessário, evitando a ativação do rádio;

d) Diminua a quantidade de informações enviadas, diminuindo o tempo de ativação do rádio;

e) Utilize as técnicas de economia de energia, presentes tanto no rádio XBee quanto no micro-controlador;

f) Permita a identificação do módulo sensor que está enviando as informações ao nó coordena-dor;

Na seção 4.2.2, é apresentado o algoritmo para identificar qual o tipo de dado que estásendo sensoreado pelo nó sensor (requisito 1). Este algoritmo permite que a aplicação de moni-toramento identifique qual o tipo do dado recebido, possibilitando a devida conversão dos dadospara valores que possam ser interpretados pelos usuários responsáveis pelo monitoramento deambientes.

Na seção 4.2.3, é apresentando o algoritmo que envia os dados ao nó coordenador, efe-tuando o tratamento dos dados (requisito 2), utilizando uma política pré-definida de monitora-mento para enviar os dados somente quando necessário (requisito 3) e na quantidade necessária(requisito 4). O algoritmo, denominado Níveis de Alerta, utiliza as técnicas de economia deenergia do rádio e do microcontrolador (requisito 5) para ficar em estado de dormência, deacordo com a alteração dos dados sensoreados.

O modo API do rádio XBee permite que, através das informações contidas na recepçãode um quadro de dados (figura 9), a aplicação de monitoramento possa identificar qual o nósensor que enviou a informação, satisfazendo o requisito 6. A aplicação desktop para o monito-ramento da rede de sensores, denominada PUCAdmin, é proposta na seção 4.2.4. A PUCAdmindeve tratar os dados enviados pelos nós sensores, permitindo a identificação do tipo do dado en-viado e qual o nó sensor que enviou a informação, através das informações contidas no quadrode dados no padrão API.

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4.2.2 Algoritmo de Integração de Dados

Para o monitoramento de ambientes, é desejável que uma aplicação de monitoramentoidentifique qual o tipo de dado que o nó sensor está enviando. Isto permite que os módulossensores enviem apenas as informações que sofreram alterações, principalmente quando cadamódulo sensor possui mais de um tipo de sensor, como por exemplo, temperatura, umidade,movimento. O algoritmo de integração de dados, proposto neste trabalho, permite que a infor-mação sobre o tipo do sensor seja transmitido em conjunto com o valor lido pelo sensor.

A abordagem inicial para a identificação dos dados era agregar mais um byte à infor-mação coletada pelos módulos sensores, permitindo a identificação da origem de cada valortransmitido. Foi verificado que o microcontrolador do módulo sensor possui um conversoranalógico-digital de 10 bits, percebendo valores entre 0 e 1023. Por este motivo, ao enviar osvalores captados por cada sensor do módulo, são necessários 2 bytes para o envio da informa-ção. Os dois bytes podem ser divididos em dois grupos de oito bits, fazendo com que pelomenos 6 bits de informação não sejam utilizados.

Para tornar a transmissão da informação mais eficiente, verificou-se a possibilidade deserem utilizados 6 bits para identificar o tipo do sensor que está enviando a informação, permi-tindo a identificação de 128 tipos de sensores. É possível também identificar módulos atuadores,permitindo que, além da captura de dados, possam ser enviados comandos ao módulo sensorpara que seja possível controlar outros dispositivos, em futuras aplicações. Atualmente forammapeados dez tipos de sensores disponíveis para aplicação de monitoramento, como pode serverificado na tabela 3. Optou-se por não utilizar o valor decimal 0 para a identificação do tipodo nó sensor e também não especificar os valores acima de 11, permitindo implementaçõesfuturas.

Tabela 3: Tipos de SensoresTipo do Sensor Valor Decimal Código BinárioDisponível 0 000000Luminosidade 1 000001Umidade 2 000010Temperatura 3 000011Presença 4 000100Sismico 5 000101Inclinação 6 000110Acelerômetro 7 000111Energia USB 8 001000Bateria 9 001001RSSI 10 1010Disponível 11 em diante 1011


O algoritmo para a integração de dados consiste na divisão do valor de 10 bits em dois

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bytes separados. O valor do tipo do sensor é deslocado dois bits para a esquerda e é adicio-nado ao byte mais significativo (MSB). O valor do byte menos significativo (LSB) permaneceinalterado. Posteriormente, quando esses dois bytes forem transmitidos para a aplicação demonitoramento, será feita a extração do tipo do sensor e a reconstrução do valor original senso-reado.

O exemplo apresentado na figura 27 mostra como funciona o algoritmo de concatenaçãode dados. Parte da informação lida pelo sensor, no caso 00000010, é alocada no MSB e aoutra parte da informação, 11010110, no LSB. O código do sensor utilizado no exemplo é00101011, mas como são utilizados somente 6 bits para representar esse código, o algoritmo fazo deslocamento à esquerda de dois bits, alterando o valor do código do sensor para 10101100.O valor do MSB é mesclado com o código do sensor alterado, resultando no valor 10101110.Esse valor passa a ser o MSB e é enviado junto com o LSB para a aplicação de monitoramento,através da RSSF. A aplicação de monitoramento faz o processo inverso, extraindo os dois bitsmenos significativos do MSB para recompor a informação de 10 bits do sensor e deslocando os6 bits mais significativos à direita, para recompor o valor com o código do sensor.

Figura 27: Operação de concatenação de dados


A identificação do tipo do sensor, quando transmitido em conjunto com o valor senso-reado, permite que não seja preciso que os dados estejam em uma ordem pré-definida para quea aplicação que recebe esses dados possa tratá-los. Os dados sensoreados podem ser enviadosde acordo com a necessidade da aplicação, permitindo que dados diferentes sejam lidos emintervalos diferentes de tempo. Com isso, é possível diminuir o tamanho do pacote de dadostransmitido do nó sensor para o nó coordenador, diminuindo também o tráfego de dados nosroteadores.

4.2.3 Algoritmo de Níveis de Alerta

Para identificar quando o envio dos dados lidos pelos sensores é necessário, é proposto oalgoritmo de níveis de alerta. O algoritmo de níveis de alerta incorpora o algoritmo de integra-ção de dados apresentado anteriormente, permitindo que os dados identificados de acordo como tipo do sensor que realizou a medição. Para tratar a necessidade de informações, de acordocom os requisitos da rede, podem ser estabelecidos níveis de alerta em cada módulo sensor,

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permitindo que um nó sensor tenha um ciclo de trabalho variável. Os níveis de alerta permi-tem que, de acordo com a atividade de sensoreamento, um nó sensor possa entrar em estadode dormência, acordar apenas áreas do microcontrolador ou do rádio, de acordo com critériosdinâmicos de alteração dos valores lidos. Neste trabalho, optou-se por configurar o módulosensor com quatro níveis de alerta, onde a transmissão de dados irá ocorrer somente quandoforem constatadas as seguintes situações:

a) Dormência: nível padrão do módulo. O sensor acorda a cada 8 segundos, verifica o estadodas medições e, não havendo alterações, volta a hibernar. Quando repetir esse ciclo por3 vezes, ele envia para o nó coordenador informações sobre o nível de tensão da bateria.O módulo sai deste ciclo ao detectar qualquer variação considerada anormal em relação àpolítica de monitoramento adotada nos requisitos da rede.

b) Crítico: quando ocorrer alteração na leitura de sensores considerados essenciais para o mo-nitoramento, e, no caso deste trabalho, a detecção de movimento foi considerada essencial.Foi especificado um intervalo de 2 segundos entre envios das informações.

c) Importante: quando o sensor detectar alguma alteração que deva ser comunicada à aplicaçãode monitoramento, como por exemplo, a presença de alguma pessoa no ambiente mas sema alteração no movimento. O módulo passa a enviar informações com um intervalo de 4segundos, com um tempo de dormência maior que o do nível crítico.

d) Relevante: quando é detectada uma alteração relevante nos dados, como por exemplo, umaalteração de 2% na temperatura, em relação à leitura anterior. O tempo de dormência éalterado para 8 segundos.

O algoritmo de níveis de alerta é apresentado na figura 28 e o cálculo do ciclo de tra-balho do algoritmo é apresentado no apêndice B. Devem ser especificados previamente, nosrequisitos da aplicação de sensoreamento, quais sensores podem alterar o nível de alerta domódulo sensor. Quando o nó sensor é inicializado, o algoritmo faz uma leitura inicial de todasas portas de entrada do microcontrolador. No primeiro ciclo de trabalho não existem leiturasanteriores. Um pacote com todos os valores medidos pelos sensores é enviado para o nó coor-denador e o módulo permanece no nível de alerta crítico. Após o envio, o rádio é desligado eo microcontrolador hiberna. Ao acordar, o microcontrolador faz uma nova leitura dos valores ecompara com os valores lidos anteriormente.

Os sensores que apresentaram uma variação acima de um limite estabelecido nos re-quisitos são classificados de acordo com o nível de alerta a ele atribuído, alterando o ciclo detrabalho (duty cycle) do módulo sensor. Caso a alteração seja classificada como crítica, o al-goritmo prepara novamente os dados para envio, repetindo o processo inicial. Caso a alteraçãoseja classificada como importante, o ciclo de trabalho é alterado para um tempo de dormência

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Figura 28: Algoritmo dos Níveis de Alerta


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maior, repetindo o processo de ligar o rádio, transmitir os dados, desligar o rádio e hibernar omicrocontrolador de acordo com o novo nível de alerta. A mesma situação ocorre para o nívelde alerta de alteração de dados.

Após o microcontrolador repetir o ciclo três vezes, sem alteração nos valores lidos pelossensores, o rádio é ligado e são enviadas as informações sobre o nível de tensão da bateria. Essaé uma medida necessária para manter o coordenador ciente de que um determinado nó estáativo. O algoritmo permite que o rádio hiberne de forma independente do microcontrolador,sendo ativado somente quando existem alterações nos valores medidos pelos sensores.

A quantidade de ciclos que o algoritmo utiliza para enviar informações sobre o nívelde tensão pode ser alterada, de acordo com a necessidade da aplicação de monitoramento.Optou-se por utilizar o valor três, que permite uma dormência do rádio de aproximadamente24 segundos, por se aproximar do tempo máximo recomendado de 30 segundos do rádio XBee.Após 30 segundos sem receber nenhuma comunicação do nó sensor, o nó coordenador entendeque o nó sensor não faz mais parte da rede, fazendo com que em uma próxima conexão, o nósensor gaste mais tempo para se reconectar à RSSF.

4.2.4 Aplicação PUCAdmin

Para monitorar os dados de múltiplos sensores de uma RSSF, foi desenvolvida umaaplicação para tratar os dados recebidos pelo nó coordenador. A aplicação PUCAdmin recebeinformações do nó coordenador através da porta USB do microcomputador. As informaçõesrecebidas foram divididas em dois grupos. O primeiro grupo trata as informações relativas aosnós da RSSF, como a identificação do nó sensor, os endereços de 16 e 64 bits, o atraso do sinalna rede e o tipo do nó (roteador ou nó sensor). O segundo grupo de informações são relacionadasàs medições realizadas pelos nós sensores, como dados de temperatura, luminosidade, presença,luminosidade e movimento/trepidação. A tela da aplicação em desenvolvimento no programaVisual Studio pode ser vista na figura 29.

Quando a aplicação PUCAdmin é executada, é realizada uma varredura na RSSF paraidentificar todos os nós sensores e roteadores que estão dentro do alcance do nó coordenador.Cada nó ativo da rede envia ao nó coordenador os endereços de 64 bits e de 16 bits do padrãoZigBee, o tipo do nó (sensor ou roteador) e o nome identificador do nó. A aplicação PUCAdmintambém registra a data e a hora do último pacote de dados recebido pelo nó coordenador.

A aplicação PUCAdmin permite que os nós sensores e roteadores sejam alocados visual-mente em um mapa do ambiente sensoreado. Quando uma informação sobre uma determinadasala é enviada pelo nó sensor ao nó coordenador, essa informação é atualizada automaticamentena aplicação. Isto permite que, quando um sensor detecta presença em um ambiente atravésde um sensor PIR, essa informação seja encaminhada imediatamente à aplicação de monitora-

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Figura 29: Aplicação PUCAdmin


mento.

4.3 Resultados Preliminares

Nesta seção são descritos os resultados dos experimentos para verificar o funcionamentoda RSSF proposta. Na seção 4.3.1, é apresentado o experimento para verificar o funcionamentoda aplicação PUCAdmin e a recepção dos dados enviados pelos nós sensores, que utilizaramos algoritmos de níveis de alerta e de concatenação de dados. Na seção 4.3.2, é realizada aavaliação do consumo de energia dos nós sensores utilizados na RSSF proposta. A seção 4.3.3apresenta o experimento para verificar o tempo de vida do nó sensor. Na seção 4.3.4, é realizadauma análise do consumo de cada componente do nó sensor.

4.3.1 Aplicação de Monitoramento

Para verificar o funcionamento da aplicação de monitoramento e dos algoritmos propos-tos na seção 4.2, foi realizado um experimento com a RSSF proposta no cenário apresentadopela figura 22. Na figura 30, pode ser visualizada a disposição do nó sensor para monitoramentode projetores LCD, na sala 309. O experimento consistiu em receber as informações de todos

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Figura 30: Nó sensor para monitoramento de projetores LCD


os nós sensores da rede e verificar alterações no estado do nó sensor para monitorar o projetorLCD.

A aplicação envia um pacote para a rede solicitando a informação sobre a atividadede cada nó sensor e mede o atraso entre enviar a solicitação e receber a informação de volta,mas como essa abordagem gera um tráfego adicional na rede, foi utilizada apenas para testaro tempo de resposta. O tempo de resposta ficou abaixo de 1 segundo durante o experimento.Os nós sensores enviaram as informações sobre temperatura, umidade e luminosidade das salas303, 307 e 311.

Na sala 308 foi disposto o nó para o monitoramento de um projetor LCD. O experimentoteve a duração de duas horas, sendo que, nesse intervalo de tempo, ocorreu a entrada de pessoasna sala e a movimentação do projetor LCD, simulando uma tentativa de furto, que foi detectadapela aplicação PUCAdmin. A aplicação registra a presença de pessoas na sala com a mensagem“Presença Detectada” e a simulação de tentativa de furto do projetor LCD com a mensagem“Movimento Detectado”. A tela com a aplicação sendo executada pode ser visualizada nafigura 31, onde podem ser visualizadas as mensagens de alerta na sala 308.

4.3.2 Consumo de Energia

Foi realizado um experimento, nos módulos sensores, para verificar o consumo da ener-gia. Este experimento é necessário para estimar o tempo de vida dos módulos sensores quandoda utilização de baterias e serviu para dois propósitos: inicialmente, saber em condições nor-mais qual era o consumo de energia em miliampere/hora, e, também para verificar qual o tipode alimentação permitiria o maior tempo de vida da rede.

Foram testados dois níveis de tensão, simulando as alimentações de três baterias recar-

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Figura 31: Experimento da Aplicação de Monitoramento


regáveis de 1,2 volts em corrente contínua cada, totalizando 3,6 volts e quatro baterias recar-regáveis de 1,2 volts cada, totalizando 4,8 volts. Como valor de referência, foram testadas asplacas com e sem o microcontrolador, e com e sem os módulos de comunicação, além dos mó-dulos sensores utilizados na rede. Os experimentos foram realizados com a placa Arduino semnenhum sensor, pois cada nó sensor pode ter uma quantidade de sensores diferente, de acordocom o tipo da aplicação. Os resultados podem ser vistos na tabela 4.

Tabela 4: Consumo de Energia - valores em miliamperesConsumo (mA) 3,6 volts 4,8 voltsArduino sem Microcontrolador 6,5 9,1Arduino com Microcontrolador 16,7 26,2Arduino/Mód.XBee e Microcontr. (Sensor) 59,5 70,5Arduino/Mód.XBee (Roteador) 48,8 56,8


Verificou-se que os módulos sensores apresentaram um consumo de energia menorquando alimentados por três baterias de 1,2 volts cada. Nos testes em laboratório verificou-se que o módulo sensor para de funcionar quando o nível de tensão fica abaixo de 3 volts. Onível de tensão recomendado pelo fabricante (LIBELIUM, 2009) permite uma variação entre5 a 12 volts. Os testes foram realizados utilizando-se uma fonte de alimentação de energia

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constante. Para estimar o tempo de vida de um nó sensor, é necessário realizar experimentosutilizando-se baterias ou pilhas. O experimento do tempo de vida do nó sensor é apresentadona seção 4.3.3.

4.3.3 Tempo de Vida do Nó Sensor

Foram realizados dois experimentos para verificar quanto tempo os módulos sensoresficariam ativos utilizando-se baterias, de acordo com o consumo medido na seção 4.3.4. Paraverificar o tempo de vida dos módulos sensores, foi projetada uma rede de testes com o objetivode medir o consumo de cada nó sensor. Devido à especificação de tensão mínima recomendadapelo fabricante, optou-se por utilizar o nível de tensão de quatro baterias recarregáveis de 1,2volts.

O cenário de cada experimento compreende uma rede com dois nós: um módulo Ar-

duino conectado a um rádio XBee configurado como RFD, através de uma placa XBee Shield ealimentados por quatro baterias de 1,2 volts de 2000 mAH cada totalizando 4,8 volts e por ummódulo Arduino sem o microcontrolador e também conectado ao rádio XBee através da placaXBee Shield, este configurado como FFD e conectado a um microcomputador através da portaUSB. Este nó FFD é responsável por receber os dados enviados pelo nó FFD e enviá-los pelaporta USB para a aplicação de monitoramento. Na figura 32 pode ser visualizado o experimentopara medir o tempo de vida do nó sensor.

Figura 32: Experimento para medir o tempo de vida do nó sensor


Para coletar, processar e enviar os dados, foi desenvolvida uma aplicação para ser execu-tada no microcontrolador, com a função inicializar o modo de dormência do microcontrolador,capturar uma informação, no caso o nível de tensão interna do ATMega 328, ativar o rádio,transmitir a informação coletada, desligar o rádio e entrar em modo de dormência power-down.Após o período de tempo especificado na inicialização do modo de dormência, o microcontro-lador retorna à atividade normal e repetindo o ciclo de trabalho na leitura do nível de tensãointerna, como pode ser observado na figura 33. O tempo do watchdog timer foi estipulado com

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o valor máximo permitido pelo microcontrolador, que é de 8 segundos.

Figura 33: Ciclo de trabalho


Foi desenvolvida uma aplicação para monitorar o nível de tensão da bateria do nó sensor.A aplicação foi desenvolvida utilizando a linguagem de programação C# e a ferramenta Visual

Studio 2010, além do framework XBee.NET, que permite uma integração entre a plataforma.NET e o rádio XBee. A tela da aplicação pode ser visualizada na figura 34.

Inicialmente, o rádio XBee foi configurado para permanecer ativo 100% do tempo. Oparâmetro SM do rádio XBee SM foi configurado com o valor 0 - No Sleep Mode, nunca sendodesligado, e também nenhuma técnica hibernação do microcontrolador foi utilizada. Foramutilizadas quatro baterias recarregáveis de 1,2 volts, totalizando 4,8 volts e 2000 mAh de ca-pacidade total. O experimento teve a duração de 21 horas e 15 minutos e recebeu um total de69371 transmissões do módulo sensor, como pode ser visto na figura 35.

No segundo experimento, foi alterado o parâmetro SM para o valor 4 - cyclic sleep

e também os parâmetros ST e SP do rádio XBee foram alterados para permitir que o rádioalternasse entre o estado de dormência e o estado livre, permitindo a comunicação de dados.Foi utilizada a mesma configuração de baterias e mesmo tamanho de pacote de transmissãode dados utilizado no experimento anterior, mas a duração total foi de 29 horas e 29 minutose 29 segundos, com um total de 36257 amostras recebidas, visto na figura 36. No final desteexperimento, é possível verificar o efeito de recarga da bateria, causando uma variação no nívelde tensão.

Os resultados preliminares mostraram um alto consumo de energia, se comparado ao

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Figura 34: Tela da aplicação para teste de tempo de vida do nó sensor


consumo de energia de 40 mA especificado no manual do rádio XBee (DIGI, 2009a), fazendocom que os módulos ficassem ativos por pouco mais de vinte e quatro horas, quando utilizandoo modo Cyclic Sleep. A relação entre o consumo do rádio XBee e o total consumido pelo mó-dulo utilizando o nível de tensão de 4,8 volts (70,5 mA) mostra que um total de 30,5 mA foramconsumidos pelo circuito para prover alimentação de energia e processamento dos dados dossensores ao rádio. Desse total, ainda utilizando como referência o nível de tensão de 4,8 volts,9,1 mA são consumidos pela placa Arduino sem o microcontrolador e 26,2 mA com o micro-controlador. Os 4,3 mA restantes são consumidos pela placa XBee Shield, responsável por fazera interface entre a placa Arduino e o rádio XBee.

Para monitorar equipamentos eletrônicos em um campus universitário, a solução pro-posta não consegue manter a RSSF funcionando durante um final de semana, quando normal-mente não existem atividades de ensino. Devido ao alto consumo de energia, é necessáriorealizar uma análise de cada componente do nó sensor para reduzir esse consumo e permitir umtempo de vida maior para a RSSF proposta. Uma análise do consumo dos componentes do nósensor é realizada na seção 4.3.4.

4.3.4 Análise do Consumo

Em uma análise da capacidade de carga de baterias, realizada por Park, Savvides e Sri-vastava (2001), foi verificada a influência dos reguladores de tensão no consumo de um nó

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Figura 35: Módulo sob descarga Contínua da bateria


sensor, pois mesmo com os rádios de comunicação em estado de dormência, os reguladoresde tensão continuavam consumindo energia. Foi realizada uma análise do diagrama esquemá-tico do Arduino (figura 1) e do XBee Shield (figura 1) e foi constatada a presença do circuitointegrado FTDI FT232R, responsável por permitir a comunicação entre a placa Arduino e o mi-crocomputador através da porta USB e de circuitos reguladores de tensão, estes tanto na placaArduino quanto na placa XBee Shield. Um regulador de tensão permite que vários níveis di-ferentes de tensão externa, como baterias de 4,8 volts, 5 volts e 9 volts alimentem uma placade circuito impresso, mas mantendo a tensão constante nos componentes internos. Na placaArduino, a tensão necessária é de 5 volts e, para o rádio XBee, 3,3 volts.

O circuito integrado FT232R é utilizado apenas quando é necessária a transferência dedados do microcontrolador para um microcomputador ou quando é necessário programar o mi-crocontrolador. Segundo a especificação do fabricante (FTDI, 2010), quando em utilização oFT232R consome 15 mA. O circuito integrado FT232R também possui reguladores de tensãointernos, fornecendo tensões de 5 volts, 3,3 volts, 2,8 volts e 1,8 volts. Nos experimentos rea-lizados, os circuitos não foram alimentados pela porta USB, não sendo considerado o consumodo circuito integrado FTDI no total consumido pela placa Arduino.

O circuito integrado LM358D é utilizado no Arduino possui um consumo de 1,5 mAa 3 mA de acordo com a especificação do fabricante (MOTOROLA, 2010a). O regulador de

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Figura 36: Módulo sensor Arduino com rádio no modo cyclic sleep


tensão, o MC33269, é utilizado tanto na placa Arduino quanto na placa XBee Shield, e possuium consumo de 5,5 mA a 8 mA quando não está em uso (quiescent current ou corrente derepouso), segundo a especificação do fabricante (MOTOROLA, 2010b). O total do consumoteórico, especificado pelos fabricantes dos reguladores de tensão e somando-se os valores mí-nimos e máximos de consumo, tem uma variação entre 12,5 mA mínimo e 19 mA máximo,confirmando o valor medido no experimento, de 9,1 mA são consumidos pela placa Arduino

sem o microcontrolador e 4,3 mA consumidos pela placa XBee Shield, totalizando 13,4 mA.

Uma característica dos reguladores de tensão é a tensão de desoperação ou dropout,uma diferença entre a tensão de entrada e a tensão de saída do regulador. A tensão de dropout

esclarece o fato de que, mesmo o microcontrolador funcionando com tensão de até 1,8 volts eo rádio XBee funcionando com a tensão de até 2,2 volts, nos experimentos o módulo testadoparou de funcionar quando a carga da bateria forneceu tensões entre 2,7 e 3 volts. O LM358Dpossui uma tensão de dropout entre 1,5 e 1,7 volts e o MC33269 entre 1,1 e 1,25 volts.

O Arduino é uma placa utilizada para prototipagem rápida e é uma razão pela qual énecessário um efetivo controle de energia para que ele possa funcionar com diversas fontesde alimentação. Nas aplicações em RSSF, diminuir o consumo de energia é um fator deter-minante para aumentar o tempo de vida da rede. Em uma aplicação como o sensoreamento

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de um ambiente, onde um nó sensor estará se comunicando com o nó coordenador através dorádio de comunicação, um circuito integrado como o FT232R não é necessário, pois não esta-ria trafegando informações através da porta USB. A tensão mínima necessária para o corretofuncionamento do microcontrolador e do rádio XBee é de 2,2 volts, mas ambos podem operarcom tensões de até 3,6 volts (ATMEL, 2010) (DIGI, 2009a) (DIGI, 2009b). Suprir o conjuntomicrocontrolador e rádio com baterias que forneçam esse nível de tensão permite a eliminaçãodos reguladores presentes nas placas de circuito impresso do Arduino e do XBee Shield.

Os nós roteadores e o nó coordenador necessitam de fonte constante de energia e nãopodem entrar em estado de dormência (sleep). Em nós sensores, podem ser utilizados váriosrecursos para economizar energia, como os modos Cyclic Sleep e Pin Hibernate do rádio XBee

(seção 2.3) e os modos de Power Save e Power Down do microcontrolador (seção 2.4). Porémesses modos não são efetivos caso o circuito esteja consumindo energia mesmo quando oscomponentes principais, microcontrolador e rádio, estejam hibernando.

Na aplicação da rede proposta na seção 4.2.1, um nó sensor para monitorar ambientesem um campus universitário, mais especificamente um projetor LCD, precisa ter um tempo devida superior ao apresentado na figura 36, considerando a não utilização das salas em períodosde finais de semana, feriados prolongados e férias, onde a energia do prédio pode ser desligadapor motivos de economia.

A placa Arduino, como explicado na seção 2.4.4, é baseada em hardware aberto, sendopermitida a alteração e adaptação da placa de acordo com a necessidade da aplicação. Umaplaca com um menor consumo de energia para a aplicação de monitoramento de equipamentoseletrônicos é desejável para satisfazer aos objetivos deste trabalho. A proposta de um novo nósensor, com menor consumo de energia, é apresentada na seção 4.4 a seguir.

4.4 Nó Sensor Modulino

Devido ao consumo de energia do nó sensor utilizado na RSSF proposta não atender aorequisito de tempo de vida da rede necessário para o monitoramento de um projetor LCD, foirealizada uma análise do consumo da placa Arduino na seção 4.3.4. A análise realizada mostraque alguns componentes da placa Arduino não são necessários para a função de monitoramentoproposta.

Para atingir o requisito de tempo de vida do nó sensor necessário para a atividade demonitoramento proposta, foi desenvolvida uma variação do Arduino, chamada Modulino (figura37). A placa Modulino foi projetada sem os componentes que consumiriam energia desneces-sariamente (seção 4.3.4). Trabalhando com tensões entre 4,8 e 5 volts não é necessário utilizaros reguladores de voltagem presentes na placa, uma vez que a tensão de trabalho do microcon-trolador ATMega 328 varia entre 1,8 e 5 volts. O mesmo ocorre com chip FTDI, que provê a

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Figura 37: Placa Modulino


interface USB, uma vez que esta última é utilizada apenas para programar o microcontrolador epassar os dados do nó coordenador para o computador que armazena as informações coletadaspela rede, não sendo mais utilizada em um ambiente de monitoramento.

A placa Modulino foi desenvolvida com base nas especificações do microcontroladorATMega 328 e nos diagramas da placa Arduino e da placa XBee Shield, eliminando os regu-ladores de tensão. O Modulino é composto pelo microcontrolador ATMega 328, um cristalde 16 Mhz e dois capacitores ligados em paralelo nas portas 9 e 10 do microcontrolador, doisdiodos emissores de luz(LED) para verificar se a placa está energizada e para identificar o mo-mento das transmissões de dados para o XBee Shield e conectores para interligação com o XBee

Shield. Também foram utilizadas as portas 1 e 2 do microcontrolador, responsáveis pela comu-nicação serial de transmissão e recepção de dados, para a comunicação do ATMega 328 com orádio XBee. Como a placa Modulino não possui porta USB, a programação é feita colocando-seo microcontrolador do Modulino em uma placa Arduino.

Para poder desenvolver a placa Modulino, foi necessário realizar um mapeamento dasportas do Arduino, onde a aplicação para controle do nó sensor foi desenvolvida, para os pinosdo microcontrolador ATMega 328, devido ao endereçamento das portas utilizado pelo algo-ritmo dos nós sensores. O mapeamento inclui a porta utilizada no Arduino, o pino utilizadono microcontrolador ATMega 328 e a função nele desempenhada, como pode ser observado natabela 12, no anexo C.

Na figura 38 é apresentado o resultado dos experimentos realizados. Foi possível econo-mizar, em média, 5,1 mAH no modo de power-down do microcontrolador e 6,2 mAH no modode transmissão de dados, representando uma economia de 37,5% e de 7,5%, respectivamente.

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Figura 38: Consumo de Energia


Observou-se durante os testes que a placa XBee Shield é responsável pelo consumo de 4mAH,devido ao regulador de voltagem nela incluso. Ao se retirar os leds da placa, a economia foiainda maior, diminuindo o consumo em 4 mAH no modo power-down e 5,6 mAH no modode transmissão de dados, representando uma economia de 67% e de 14,25% respectivamente.Ao analisar a placa Modulino sem o módulo XBee, o consumo de energia ficou em 25µAH nomodo de dormência e 14,75 mAH no modo ativo, com tensão de 4,8 volts.

A queda de tensão (dropout) no diodo Zener é de 0,75 volts. A última medição apon-tava para 2,76 volts na bateria, o que indica cerca de 2 volts no rádio XBee, 0,2 volts abaixodo limite de 2,2 volts especificado pelo fabricante. A medição do nível de tensão é realizadaatravés de uma função do microcontrolador, que utiliza uma tensão de referência para fazer acomparação entre o valor de referência de 1,1 volts especificado pelo fabricante do microcon-trolador e o valor recebido através dos pinos de alimentação. O diagrama esquemático da placaModulino é apresentado na figura 39. A análise da viabilidade do Modulino como proposta parao aumento do tempo de vida da RSSF proposta é apresentada no capítulo 5, onde são apresen-tados os resultados dos experimentos comparando a solução de mercado Arduino com o modode dormência cyclic sleep e com a utilização do algoritmo de níveis de alerta.

No capitulo 5 são apresentados os resultados dos experimentos realizados com o nósensor Modulino em conjunto com os algoritmos propostos nas seções 4.2.2 e 4.2.3. Foramrealizados experimentos para verificar o tempo de vida da rede, a quantidade de bytes transmi-tidos, o tempo de resposta a um evento e a análise do custo dos nós sensores.

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Figura 39: Diagrama esquemático da placa Modulino


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5 RESULTADOS OBTIDOS

5.1 Introdução

Para verificar o funcionamento da placa Modulino, foi realizado um experimento paracomparar o tempo de vida da placa Arduino com a placa Modulino, proposta na seção 4.4. O ce-nário utilizado foi o mesmo da seção 4.3.3, mas utilizando três baterias de 1,2 volts, totalizandoum nível de tensão de 3,6 volts. O experimento foi realizado utilizando os mesmos parâmetrosde configuração do rádio XBee, no modo cyclic sleep. O modo cyclic sleep é o modo padrãode economia de energia do rádio XBee, descrito na seção 2.3.5. A placa Modulino também foiavaliada utilizando o algoritmo de níveis de alerta, proposto na seção 4.2.3. Os resultados desseexperimento são apresentados na seção 5.2.

O experimento do algoritmo de níveis de alerta na placa Arduino não foi realizado devidoà placa XBee Shield não possuir uma conexão direta com o Arduino para controlar a dormên-cia do rádio. A placa Arduino também tem um consumo de energia muito maior que a placaModulino, quando utilizando os modos de dormência.

O experimento para verificar o aumento de tempo de vida da rede também foi utilizadopara verificar a quantidade de dados transmitidos. Foi utilizado o mesmo cenário do experi-mento anterior, com a placa Arduino e a placa Modulino utilizando o modo cyclic sleep e coma placa Modulino utilizando o algoritmo de níveis de alerta. Os resultados desse experimentosão apresentados na seção 5.3.

Foi realizada uma análise do tempo de resposta da RSSF na ocorrência de um evento,como por exemplo, a tentativa de furto de um equipamento eletrônico. O resultado da análisedo tempo de resposta do nó sensor Modulino é apresentado na seção 5.4. Por fim, foi realizadauma análise do custo de desenvolvimento do nó sensor Modulino, em comparação à solução demercado Arduino. O resultado dessa análise é apresentado na seção 5.5.

5.2 Tempo de Vida da Rede

Foram realizados experimentos para verificar o tempo de vida da rede, utilizando umcenário semelhante ao apresentado na seção 4.3.3. O Modulino é alimentado por três baterias

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de 1,2 volts, sendo a única diferença em relação ao experimento realizado com o Arduino, queé alimentado por quatro baterias de 1,2 volts neste trabalho.

O primeiro experimento utilizou um nó sensor com a placa Modulino, configurado ape-nas com o modo de dormência cyclic sleep do rádio XBee. O resultado do experimento é apre-sentado na figura 40, onde pode ser visualizada a diminuição do nível de tensão das bateriasaté o nó sensor não conseguir mais transmitir informações ao nó coordenador. O resultado doexperimento mostrou um aumento no tempo de vida do módulo em 332%, passando de poucomais de 29 horas com a placa Arduino, como pode ser observado na figura 36 da seção 4.3.3,para 95 horas, 1 minuto e 7 segundos com a placa Modulino.

Figura 40: Módulo sensor modulino com dormência cyclic sleep


No segundo experimento, a única alteração em relação ao primeiro experimento foi autilização do algoritmo de níveis de alerta na placa Modulino. O resultado do experimentopode ser visualizado na figura 41. A implementação do algoritmo de níveis de alerta permitiuum aumento no tempo de vida da placa Modulino em 61%, com duração de 152 horas, 47minutos e 9 segundos. Em relação à placa Arduino, o aumento foi de 518%. Na figura 42 éapresentado um gráfico comparativo dos dois experimentos realizados com o experimento dotempo de vida do Arduino, apresentado na seção 4.3.3.

Apesar do rádio XBee permitir uma configuração para mais de 30 segundos de dormên-

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Figura 41: Módulo sensor Modulino com algoritmo de níveis de alerta


Figura 42: Tempo de vida do nó sensor (horas)


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cia, esta opção é contra-indicada, uma vez que o microcontrolador não conseguiria enviar ainformação sobre alteração dos dados enquanto o rádio estivesse dormindo. É possível, no en-tanto, configurar o rádio para trabalhar no modo pin hibernate em conjunto com o modo cyclic

sleep, mas nos experimentos realizados optou-se por deixar o controle de hibernação do rá-dio somente com o microcontrolador. Com isso, evitou-se que o rádio entrasse no modo ativomesmo sem ter dados para enviar/receber.

5.3 Quantidade de Bytes Transmitidos

A redução na quantidade de dados redundantes transmitidos pelos nós sensores para onó coordenador possibilita uma diminuição no congestionamento do canal de comunicação daRSSF. Quando um rádio XBee tenta enviar uma informação ao nó coordenador, caso o canal decomunicação não esteja disponível, o rádio tentará a transmissão posteriormente, acarretandoum maior consumo de energia. Com a redução do tamanho do pacote de dados transmitidos,uma quantidade menor de informação trafega pela rede, permitindo ao nó coordenador receberinformações de uma maior quantidade de nós sensores.

Para transmitir os dados para monitoramento de um ambiente utilizados neste trabalho(temperatura, umidade, luminosidade, presença, movimento e tensão da bateria), o tamanho dopacote com as informações sensoreadas foi de 24 bytes. Com a utilização do algoritmo de níveisde alerta, após a eliminação dos dados que não sofreram alteração significativa, cada pacote deinformação transmitida teve um tamanho entre 14 bytes no melhor caso (menor quantidade debytes transmitidos) e 24 bytes no pior caso (maior quantidade de bytes transmitidos), de acordocom as alterações dos valores medidos no ambiente. O tamanho do pacote de dados transmitidospela solução de mercado utilizada na seção 4.1.2 é de 37 bytes.

Sem a utilização do algoritmo de níveis de alerta, apenas com a adoção da transmissãode dados no modo API e a utilização do algoritmo para concatenar os dados lidos pelos sensorescom o tipo do sensor, o tamanho do pacote transmitido caiu cerca de 35% em relação ao pacotetransmitido pelo Arduino. Utilizando o algoritmo de níveis de alerta, no melhor caso, com o ta-manho do pacote de 14 bytes, a redução na quantidade de dados transmitidos caiu cerca de 62%,sendo o pior caso equivalente ao algoritmo para concatenar dados, com 24 bytes transmitidos eredução de 35% no tamanho do pacote.

Como o algoritmo de níveis de alerta envia apenas as informações que sofreram alte-ração significativa, ocorre também uma redução na quantidade de transmissões realizadas pelonó sensor. No experimento apresentado na seção 5.2, além de medir o tempo de vida da rede,foi contabilizada a quantidade de transmissões efetuadas em cada cenário. Na figura 43 é apre-sentada uma comparação na quantidade de dados transmitidos pelos nós sensores Arduino eModulino utilizando o modo de economia de energia cyclic sleep e com o nó sensor Modulino

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Figura 43: Quantidade de dados transmitidos


utilizando o algoritmo de níveis de alerta.

Com o aumento do tempo de vida do nó sensor, a quantidade de transmissões subiu de36257 no Arduino para 73568 no Modulino, cerca de 202%, com ambos utilizando o modocyclic sleep. Com a utilização do algoritmo de níveis de alerta, foram realizadas 29625 trans-missões, com uma redução da ordem de 248% em relação ao modo cyclic sleep do Modulino.

Para verificar a efetividade da redução na quantidade de dados transmitidos propiciadapela adoção do algoritmo de níveis de alerta, foi realizada uma análise na quantidade de infor-mações transmitidas por minuto. Com os dados sobre o tempo de vida dos nós sensores e aquantidade de dados transmitidos, o Arduino efetuou cerca de 20,49 transmissões por minuto.A placa Modulino, com cyclic sleep, efetuou cerca de 12,90 transmissões por minuto e o Mo-dulino com níveis de alerta, cerca de 3,23 transmissões por minuto, como pode ser observadona figura 44.

O Modulino com algoritmo de níveis de alerta transmitiu, por minuto, quase quatrovezes menos que o Modulino com cyclic sleep. A diferença na quantidade de dados transmitidospor minuto do Arduino em relação ao Modulino com cyclic sleep é devido à variação no nívelde tensão no final do tempo de vida da rede, causando mais transmissões. Como o Modulinopossui menor consumo de energia, a queda no nível de tensão é mais suave, acarretando ummenor número de transmissões.

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Figura 44: Transmissões efetuadas por minuto


5.4 Tempo de Resposta a um Evento

Em uma aplicação de segurança patrimonial, como monitoramento de equipamentoseletrônicos, é essencial que o nó coordenador possa receber uma informação sobre a ocorrênciade um evento, como a tentativa de furto de um projetor LCD, o mais breve possível. Uma vezque o tempo de resposta a um evento é um fator importante, optou-se por calcular esse tempode resposta de acordo com o tamanho da rede a ser utilizada para monitoramento, permitindotambém, verificar a escalabilidade da solução. Os relógios dos nós sensores utilizados nestetrabalho não são sincronizados, o que não permite uma medição precisa do tempo entre o envioe o recebimento dos pacotes, sendo, por este motivo, a opção pelo cálculo do tempo de resposta.

De acordo com a especificação do rádio XBee, a vazão de dados (throughput) entre umnó sensor e um nó roteador ou nó coordenador é de 21 kbps e, entre dois nós roteadores ou entreo nó roteador e o nó coordenador, é de 25 kbps (DIGI, 2009a). Neste trabalho, serão utilizadosos valores da vazão de dados para calcular o tempo do envio dos pacotes de dados entre o nósensor e o nó roteador e entre nós roteadores até o nó coordenador.

Conforme os resultados apresentados na seção 5.3, o tamanho do pacote de dados trans-mitidos pela rede proposta, no pior caso, é de 24 bytes. Considerando a taxa de transmissão de21 kbps e o tamanho do pacote de 24 bytes, o tempo (τs) para cada transmissão realizada entreum nó sensor e um nó roteador é calculado pela equação (1), tendo como resultado 9,14 ms.Para a transmissão entre nós roteadores ou entre um nó roteador e o nó coordenador, o cálculoé representado pela equação (2), tendo como resultado 8 ms. No melhor caso, com tamanho depacote de 14 bytes, o tempo de transmissão entre o nó sensor e o nó roteador foi calculado em5,3 ms e entre nós roteadores em 4,48 ms.

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τs =24 bytes × 8 bits

21 kbps= 9,14 ms (1)

τs =24 bytes × 8 bits

24 kbps= 8 ms (2)

O tempo total entre a ocorrência de um evento, a transmissão da informação e a recepçãopelo nó coordenador é definido pela soma do tempo que o nó sensor demora para capturar etransmitir a informação para o nó coordenador. Essa transmissão pode ou não passar por um oumais nós roteadores, sofrendo um atraso a cada enlace.

Foi realizado um experimento para calcular o ciclo de trabalho do nó sensor, onde foimedido o tempo que o nó sensor permanece ativo antes de hibernar. Os resultados dos experi-mentos apresentados são relativos ao sensor de movimento, no qual o nó sensor sai do estadode hibernação imediatamente após o módulo sofrer qualquer tipo de alteração no estado de re-pouso. O experimento é apresentado no apêndice B, onde o nó sensor, inicialmente em estadode dormência, gastou 159,99 ms para acordar, ler as informações dos sensores, processar ainformação, ligar o rádio XBee e enviar a informação para o rádio. Esse resultado é relativoa uma taxa de transmissão entre o microcontrolador e o rádio XBee de 57600 bps, como podeser observado na tabela 11. Após esta etapa, o rádio realiza a transmissão dos dados para o nóroteador mais próximo, gastando τs segundos, voltando a hibernar após a transmissão.

A equação (3) apresenta o calculo do tempo T gasto entre a ocorrência do evento e arecepção pelo nó coordenador, onde τe é o tempo gasto pelo nó sensor para processar e enviara informação para o rádio, mais τs, que é o tempo gasto entre o envio da informação do nósensor para o nó roteador pai, mais a soma de tempo τr de η enlaces entre roteadores até o nócoordenador.

T = τe+ τs+η

∑i=0

τr (3)

No caso em que o nó sensor está conectado diretamente ao nó coordenador, o tempo queo nó coordenador leva para receber informações sobre um evento sensoreado pelo nó sensor éde 169,13 ms, como pode ser observado na equação (4), uma vez que não existem enlaces entreroteadores.

T = 159,99 ms+9,14 ms = 169,13 ms (4)

Para uma rede com 10 enlaces, que é o máximo recomendado pelo fabricante do rádioXBee, o tempo que o nó coordenador leva para receber informações sobre um evento sensoreado

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pelo nó sensor é de 241,13 ms, como pode ser observado na equação (5), sendo um enlace entreo nó sensor e o nó roteador pai e outros nove enlaces até o nó coordenador.

T = 159,99 ms+9,14 ms+9

∑i=0

8 ms = 241,13 ms (5)

A vazão da transmissão de dados de 25 kbps entre roteadores permite que sejam transmi-tidas as informações de 130 nós sensores por segundo, com cada nó sensor enviando um pacotede informações com um tamanho de 24 bytes. Com um tamanho de 14 bytes, a quantidadede transmissões entre roteadores é calculada em 223 transmissões por segundo. O nó roteadorpermite 187 transmissões por segundo de nós sensores, para informações com o tamanho de14 bytes, e de 109 transmissões por segundo quando o tamanho do pacote é de 24 bytes.

Os resultados mostram que, tanto com um enlace quanto com dez enlaces entre o nósensor e o nó coordenador, o tempo de resposta a um evento foi inferior a um segundo, permi-tindo a aplicação da RSSF para o monitoramento de equipamentos eletrônicos. Segundo (DIGI,2009a), cada nó roteador XBee permite a conexão de até 12 nós sensores e o nó coordenadorpermite a conexão de até 10 nós sensores, ficando abaixo do limite de 109 transmissões do nósensor para o nó roteador ou coordenador. A especificação do rádio XBee, no entanto, não limitaa quantidade de conexões entre nós roteadores e entre os nós roteadores e o nó coordenador.

5.5 Custo do Nó Sensor

O desenvolvimento da placa Modulino proporcionou uma diminuição no custo de de-senvolvimento de um nó sensor, quando comparado ao custo dos nós sensores utilizados pelasolução de mercado. Foram eliminados componentes que consumiriam energia, como os regu-ladores de tensão, a placa XBee Shield não precisou ser utilizada e, devido à queda do nível detensão necessário para ativar a placa Modulino, uma bateria deixou de ser utilizada, uma vezque a placa Arduino funciona com quatro baterias de 1,2 volts e a placa Modulino, três bateriasde 1,2 volts.

Os componentes para a fabricação da placa Modulino foram orçados em R$ 102,44 emquatro lojas virtuais. O valor do frete para entrega em Belo Horizonte foi estimado em R$ 33,50,totalizando R$ 135,94, equivalente a e 60,96 na cotação de 08/07/2011 (e1 = R$ 2,23). Nãoforam incluídos no orçamento custos com mão de obra para montagem e soldagem da placa decircuito impresso. O orçamento dos componentes pode ser visualizado na tabela 5.

Os módulos sensores inicialmente utilizados neste trabalho foram adquiridos no exte-rior. Para comparação de custos, foram orçadas as placas Arduino, XBee Shield e o rádio XBee

na mesma loja onde foram adquiridos os módulos SquidBee e Arduino utilizados neste traba-lho. O custo total das placas foi orçado em e 65,00, equivalente a R$ 144,95 na cotação de

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Tabela 5: Orçamento dos componentes da placa ModulinoComponente Quantidade Unitário (R$) Total(R$)Cristal 16Mhz 1 0,95 0,95Capacitor 22nF 2 0,11 0,22Capacitor 100nF 1 0,11 0,11Diodo Zener 3V3 1 0,17 0,17Resistor 10K 1 0,05 0,05Resistor 15K 2 0,05 0,10Chave tipo Push-button para placa PCI 1 0,21 0,21Soquete 28 pinos 1 0,40 0,40Placa Fenolite 5X10 1 3,15 3,15Conector de Energia Macho/Fêmea 1 0,28 0,28Conector 20mm para Xbee 1 8,90 8,90Rádio Xbee Series 2 1 70,90 70,90Microcontrolador ATMega 8 / equiv. 328 1 17,00 17,00Total dos Componentes 102,44Frete Estimado (4 empresas por PAC/Correios) 33,50Total em Reais 135,94Total em Euros (1 Euro = R$ 2,23) 60,96


08/07/2011 (e1 = R$ 2,23), com frete incluso para entrega em Belo Horizonte. Por serem pro-dutos importados, os produtos estão sujeitos a um imposto de importação de 60% sobre o valordo produto e frete, totalizando R$ 231,92. O orçamento pode ser visualizado na tabela 6.

Tabela 6: Orçamento da Placa Arduino e Rádio XBeeComponente Quantidade Unitário (e) Total(e)Xbee Shield 1 15,00 15,00Rádio Xbee Series 2 1 21,00 21,00Arduino Uno com ATMega 328 1 22,00 22,00Valor do Frete 7,00Valor Total em Euros 65,00Valor Total em Reais (1 Euro = R$ 2,23) 144,95Valor Total em Reais, com Imposto de Importação (60%) 231,92


A economia da placa Modulino, em relação à Arduino/XBee Shield, é de R$ 95,98 pormódulo sensor. Se os componentes da placa Modulino forem adquiridos localmente, o valor dofrete, de R$ 33,50 pode ser minimizado, diminuindo o valor despendido na aquisição dos mó-dulos sensores. Deve-se destacar, porém, que a placa Modulino necessita passar pelo processode montagem e soldagem dos componentes em uma placa de circuito impresso, cujo valor nãoestá incluso no orçamento.

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6 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS

Os testes realizados para a medição do consumo de energia do nó sensor Modulino mos-traram uma economia de energia significativa, em relação à solução de mercado Arduino . Odesenvolvimento dos algoritmos propostos para a alteração dinâmica do ciclo de trabalho e aimplementação desses algoritmos na placa Modulino mostram a importância da utilização doconjunto hardware-software no desenvolvimento de uma RSSF. O algoritmo de concatenaçãode dados permite que as informações dos sensores sejam identificadas no próprio módulo sen-sor, sem aumentar a quantidade de dados trafegados pela rede. Isto permite que uma aplicaçãode monitoramento possa identificar o tipo de sensor automaticamente, realizando cálculos ne-cessários para conversão dos dados para o padrão utilizado. Em uma medição de temperatura,por exemplo, o usuário da aplicação poderá escolher entre visualizar os resultados em grauscelsius ou fahrenheit sem precisar converter os dados enviados pelo sensor, sendo este cálculorealizado na própria aplicação.

A implementação do algoritmo de níveis de alerta permitiu que o módulo sensor tra-balhe com um ciclo de trabalho dinâmico, alterando o tempo de dormência de acordo com anecessidade do sensoreamento. De acordo com a necessidade da aplicação, o módulo sensorpoderá entrar em estado de dormência por um período maior ou menor de tempo, economi-zando energia. O algoritmo de níveis de alerta também permite que os componentes do módulosensor, como o rádio e o microcontrolador, tenham ciclos de trabalho diferentes. O rádio é ocomponente que mais consome energia em uma RSSF e por este motivo, o algoritmo de ní-veis de alerta liga o rádio para transmissão somente quando é necessário enviar informações aonó coordenador. Essa transmissão, porém, só ocorre quando existir um determinado nível dealteração nos dados dos sensores, evitando o envio de informações redundantes.

A solução apresentada para o monitoramento de equipamentos eletrônicos é viável, doponto de vista técnico, tendo um tempo de resposta adequado para uma situação de furto. Asolução, porém, para ser efetiva, deve ser implementada junto com mecanismos de segurançasocial, como exemplificado no trabalho de Dimkov (DIMKOV; PIETERS; HARTEL, 2010).Por fim, o desenvolvimento do novo módulo sensor permitiu conhecer melhor a dinâmica defuncionamento de uma RSSF e compreender como essa rede poderia ser implementada em umcampus universitário.

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Como trabalhos futuros, propomos a implementação de uma RSSF distribuída em vá-rios andares de um conjunto de prédios de um campus universitário. Nesse tipo de aplicação,podem ser adicionados novos sensores, como leitores RFID para identificação de funcionáriose alunos em salas de aula, bem como trabalhar com a localização de equipamentos eletrônicossensoreados pela RSSF. A melhoria do processo de fabricação do novo nó sensor pode propiciaruma redução no custo de implementação da RSSF, sendo também objeto de trabalhos futuroso aprimoramento do placa Modulino. A segurança da comunicação de dados da rede ZigBee

é um fator importante a ser abordado futuramente. O padrão ZigBee permite a utilização decriptografia na transmissão dados. Porém, o impacto da adoção desse tipo de criptografia (AESde 128 bits), como a efetividade da segurança e a sobrecarga causada na rede pela adoção doAES, não foram abordados neste trabalho.

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APÊNDICE A -- CONFIGURAÇÃO DO RÁDIO XBEE

Neste apêndice, são apresentados os principais parâmetros de configuração do rádioXBee utilizados como referência neste trabalho para o desenvolvimento da aplicação de mo-nitoramento. A tabela 7 apresenta os códigos utilizados para identificar o tipo do quadro dedados recebido ou enviado pelo rádio XBee. Na tabela 8 são apresentados os comandos paraendereçamento do rádio XBee. Na tabela 9 são mostrados os comandos de rede e de interfacede rádio frequência. E, na tabela 10 os comandos para comunicação com a interface serial.

Tabela 7: Quadros e Identificadores da APINome do Quadro API API IDAT Command 0x08AT Command - Queue Parameter Value 0x09ZigBee Transmit Request 0x10Explicit Addressing ZigBee Command Frame 0x11Remote Command Request 0x17Create Source Route 0x21AT Command Response 0x88Modem Status 0x8AZigBee Transmit Status 0x8BZigBee Receive Packet (AO=0) 0x90ZigBee Explicit Rx Indicator (AO=1) 0x91ZigBee IO Data Sample Rx Indicator 0x92XBee Sensor Read Indicator (AO=0) 0x94Node Identification Indicator (AO=0) 0x95Remote Command Response 0x97Over-the-Air Firmware Update Status 0xA0Route Record Indicator 0xA1Many-to-One Route Request Indicator 0xA3

Fonte: Digi (2009a)

90

Tabela 8: Rádio XBee - Comandos de EndereçamentoComando Nome e Descrição Valor PadrãoDH Destination Address High: define os 32 bits mais significa-

tivos do endereço de 64 bits do nó de destino da transmissãode dados. Pode ser utilizado como leitura do endereço ouescrita.

0xFFFFFFFF

DL Destination Address Low: define os 32 bits menos signifi-cativos do endereço de 64 bits do nó de destino da transmis-são de dados. Pode ser utilizado como leitura do endereçoou escrita.

0xFFFFFFFF

MY 16 bit Network Address: leitura do endereço de 16 bits donó. Caso seja lido o valor 0xFFFE, o nó não está partici-pando de uma rede ZigBee.

0xFFFF

MP 16 bit Parent Network Address: leitura do endereço de 16bits do nó pai de um nó end device. Caso seja lido o valor0xFFFE, o nó não está conectado a um nó pai.

0xFFFF

NC Number of Remaining Children: leitura do número de nósque podem se associar a um nó coordenador ou roteador.Se o valor retornado for 0, o dispositivo não permite maisassociação de nenhum nó a ele.

0 - Máximo

SH Serial Number High: fornece os 32 bits mais significati-vos do endereço único de 64 bits do nó. Pode ser utilizadosomente como leitura do endereço.

0xFFFFFFFF

SL Serial Number Low: fornece os 32 bits menos significati-vos do endereço único de 64 bits do nó. Pode ser utilizadosomente como leitura do endereço.

0xFFFFFFFF

NI Node Identifier: armazena um identificador ASCII com onome do nó e é retornado como parte do comando ND(Node Discover) e utilizado pelo comando DN (DestinationNode)

String de 20Bytes

Fonte: Digi (2009a)

Tabela 9: Rádio XBee - Comandos de Rede e de Interface RFComando Nome e Descrição Valor PadrãoCH Operating Channel: leitura do canal de comunicação uti-

lizado para transmitir e receber dados. O valor 0 neste co-mando significa que o nó não está participando de uma rede.Utiliza os números de canal do protocolo IEEE 802.15.4

0xB - 0x1A

ID PAN ID: define o endereçamento de 64 bits da identificaçãoda rede pessoal (PAN). Se o coordenador estiver configu-rado com o valor 0, ele irá escolher aleatoriamente um PANID.

0xFFFFFFFFFFFFFFFF

PL Power Level: grava/lê a configuração da sensibilidade daantena, variando de 0 (-8dBm) a 4 (+2bDm).

0-4

DB Received Signal Strenght: leitura da intensidade do sinaldo último pacote de dados RF (RSSI), com valores medidosem -dBm.

01A a 0x5C

Fonte: Digi (2009a)

91

Tabela 10: Rádio XBee - Comandos de Interface Serial, E/S, Dormência e Execução

Comando Nome e Descrição Valor PadrãoAP API Enable: ativa o modo API normal ou com caracteres

de controle (escape).1 - 2

BD Interface Data Rate: configuração da velocidade da inter-face serial, com velocidades entre 1200 bps e 115200 bps.

0 a 7

NB Serial Parity: ativa o controle de paridade (0 - sem, 1 - par,2 - impar, 3 - marca).

0 - 3

SB Stop Bits: configura os bits de parada (0 - 1 stop bit ou 1 -2 stop bits).

0 a 1

%V Supply Voltage: lê o nível de tensão no pino VCC do mó-dulo XBee. O valor lido deve ser multiplicado por 1200 edividido em seguida por 1024 para se obter o valor em mi-livolts.

-0x a 0xFFFF

SM Sleep Mode: configuração do modo de dormência do Rá-dio XBee. Pode ser 0 - dormência desabilitada (somentepara coordenador e roteador), 1 - modo Pin Sleep, 4 - modoCyclic Sleep e 5 - modo Cyclic Sleep com Pin Sleep.

0 - Roteador4 - End De-vice

DN Node Discover: retorna informações sobre todos os nós en-contrados na rede, com os parâmetros MY, SH, SL, NI etipo do nó (rotador, coordenador e end device).

-

DN Destination Node: retorna o endereço único de 64 bitsquando informado o valor NI de um determinado nó.

String de 20Bytes

Fonte: Digi (2009a)

92

APÊNDICE B -- CÁLCULO DO DUTY CYCLE

O microcontrolador ATMega 328 e o rádio XBee são interligados através de comunica-ção serial. Este apêndice apresenta os resultados de um experimento para poder se conhecer ociclo de trabalho (duty cycle) do módulo sensor e a influência da velocidade de comunicaçãoentre o microcontrolador e o rádio no duty cycle. O experimento realizado também permiteconhecer quanto tempo o nó sensor leva para realizar a atividade de sensoreamento, entre sairdo modo de hibernação, ler os dados dos sensores, ligar o rádio, enviar a informação, desligar orádio e voltar à hibernação.

O cálculo do duty cycle (DC) é dado pelo tempo em que o módulo está ativo (τ) divididopelo tempo total do ciclo de vida (T), que é composto pela duração do tempo em que o móduloestá ativo somado à duração do tempo em que o módulo está em estado dormência, como podeser visto na fórmula 1. O microcontrolador pode trabalhar com taxas de transmissão entre1200 bps e 115200 bps, mas aumentar essa taxa aumenta a quantidade de erros de transmissãoe em contrapartida, diminuir a taxa de transmissão aumenta o tempo que o nó sensor deve ficarativo, e, consequentemente, aumenta o consumo de energia da rede.

DC =τ

T×100% (1)

Inicialmente, foi realizado um experimento para medir o tempo que o módulo sensorleva para sair do modo de hibernação, ler as portas do microcontrolador, verificar se ocorreualteração no nível de tensão da bateria, enviar o pacote de dados e voltar ao modo de hibernação.Os resultados, vistos na figura 1, retratam que o aumento da taxa de transmissão diminui otempo de atividade do módulo sensor. A velocidade escolhida para a comunicação entre omicrocontrolador e o rádio de comunicação nos testes subsequentes foi de 57600 bps, o quesignifica um aumento de 20,86% em relação à velocidade configurada por padrão nos rádiosXBee de 9600 bps. Quando configurado a 115200 bps ocorreram alguns erros de transmissãode dados, motivo pelo qual essa velocidade não foi utilizada.

O duty cycle é variável, de acordo com a variação na medição dos sensores. Conformea velocidade de transmissão, o tempo de atividade τ do módulo varia, variando consequente-mente o duty cycle. Na tabela 11 são mostrados os resultados da relação entre a velocidade de

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Figura 1: Tempo de atividade (τ) do Módulo Sensor × Taxa de Transmissão


transmissão entre microcontrolador e rádio XBee que impacta no tempo de atividade τ do nósensor e sua influência na variação do duty cycle.

Tabela 11: Velocidade × Duty cycle variável

Velocidade (bps) τ (ms)Nível de Alerta (segundos)

2 (%) 4 (%) 8 (%) 24 (%)9600 193,37 8,82 4,61 2,36 0,8019200 171,92 7,92 4,12 2,10 0,7138400 163,48 7,56 3,93 2,00 0,6857600 159,99 7,41 3,85 1,96 0,66115200 156,52 7,26 3,77 1,92 0,65


Com a taxa de transmissão entre o rádio e o microcontrolador configurada para 57600 bps,o nó sensor demora 159,99 ms para sair do estado de hibernação, ler os dados dos sensores, pro-cessar as informações capturadas, ligar o rádio XBee, enviar as informações, desligar o rádioXBee e voltar à hibernação. Quando o nó sensor está configurado para permanecer em hiber-nação por 2 segundos, o duty cycle é de 7,41%. Para 4 segundos, 3,85%, configurado em 8segundos, 1,96% e na configuração de 24 segundos de hibernação, o duty cycle é de 0,65%.

94

APÊNDICE C -- MAPEAMENTO DAS PORTAS DO ARDUINO PARA OMICROCONTROLADOR ATMEGA 328

Para poder desenvolver placa Modulino, foi necessário realizar um mapeamento dasportas do Arduino, onde a aplicação para controle do nó sensor foi desenvolvida, para os pinosdo microcontrolador ATMega328, devido ao endereçamento das portas utilizado pelo algoritmodos nós sensores. O mapeamento inclui a porta utilizada no Arduino, o pino utilizado no micro-controlador ATMega 328 e a função nele desempenhada, como pode ser observado na tabela12.

Tabela 12: Mapeamento das Portas do Arduino para os Pinos do ATMega 328Porta do Arduino Pino do ATMega 328 Função no ATMega 328Porta Digital 0 / RX Pino 2 PD0 / RXDPorta Digital 1 / TX Pino 3 PD1 / TXDPorta Digital 2 / INT0 Pino 4 PD2 / INT0Porta Digital 3 / INT1 Pino 5 PD3 / INT1Porta Digital 4 Pino 6 PD4Porta Digital 5 Pino 11 PD5Porta Digital 6 Pino 12 PD6Porta Digital 7 Pino 13 PD7Porta Digital 8 Pino 14 PB0Porta Digital 9 Pino 15 PB1Porta Digital 10 Pino 16 PB2Porta Digital 11 Pino 17 PB3Porta Digital 12 Pino 18 PB4Porta Digital 13 Pino 19 PB5Porta Analógica 0 Pino 23 PC0Porta Analógica 1 Pino 24 PC1Porta Analógica 2 Pino 25 PC2Porta Analógica 3 Pino 26 PC3Porta Analógica 4 Pino 27 PC4Porta Analógica 5 Pino 28 PC5


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APÊNDICE D -- RELATO: ASPECTOS POSITIVOS E NEGATIVOS DODESENVOLVIMENTO DA RSSF

O desenvolvimento de uma RSSF para monitoramento de equipamentos eletrônicos pa-recia, inicialmente, uma tarefa simples. Dentre as soluções de mercado existentes para RSSF,os módulos XBee são simples de implementar e trabalhar, que, em conjunto com a plataformade prototipagem rápida Arduino, permitiram o desenvolvimento relativamente rápido da solu-ção proposta. Tanto o rádio XBee quanto o Arduino são os componentes do módulo SquidBee,a solução de mercado adquirida para realizar o monitoramento de ambientes e equipamentoseletrônicos.

Para montar os nós sensores, foi necessária a aquisição de equipamentos de um labora-tório de eletrônica, como multímetros, estação de solda, fonte de alimentação chaveada, solda,protoboard e ferramentas como alicates, chaves de fenda e chaves philips. O ambiente de mo-nitoramento também precisou ser adaptado, com a colocação de caixas protetoras para os nósroteadores, desenvolvidos gentilmente pela equipe de manutenção e infraestrutura da PUC Mi-nas.

A montagem dos nós sensores, a configuração dos rádios XBee e a programação do mi-crocontrolador, para os experimentos iniciais, foi extremamente fácil, do ponto de vista técnico.Porém, ao realizar os primeiros experimentos, foi constatado que o nó coordenador recebia asinformações em uma ordem pré-determinada pelo fabricante e, nessa informação, não constavaqual o nó que estava enviando os dados sensoreados.

Para o tratamento das informações recebidas, era importante ter o conhecimento donó sensor que envia a informação. A ordem dos dados enviados, apesar de fixa, dificultava otratamento dos dados. Caso um sensor não enviasse uma determinada informação e não enviassedados, o nó coordenador não teria como saber se o dado enviado era de um sensor específicoou do sensor subsequente. Por este motivo, era preciso identificar qual o tipo do sensor queenviava a informação. Esse problema foi solucionado com o desenvolvimento do algoritmo deconcatenação de dados, que permite transmitir, em dois bytes, os valores lidos pelos sensores eo tipo do sensor que enviava a informação.

Os experimentos mostraram que a RSSF era capaz de monitorar um equipamento eletrô-nicos, com a montagem de um nó sensor com sensores de presença e de movimento. Esses dois

96

sensores permitiram ao nó sensor detectar a presença de indivíduos em um ambiente e tambémdetectar qualquer movimentação do equipamento eletrônico monitorado. Em conjunto com onó sensor para monitoramento do equipamento eletrônicos, foram adicionados outros nós narede, com sensores de umidade, temperatura e luminosidade.

Um problema detectado na solução de mercado adquirida era a quantidade de dadosenviados. Os nós sensores sempre enviavam a mesma quantidade de informações. Mesmo queum sensor de temperatura sempre estivesse lendo os mesmos valores, esses valores eram envia-dos ao nó coordenador, causando o envio de informações repetidas. A identificação do tipo dosensor que capturava as informações do ambiente permitiram o desenvolvimento do algoritmode níveis de alerta. Com esse algoritmo, o nó sensor poderia enviar apenas as informações quesofreram uma quantidade pré-determinada de alterações. Dependendo do tipo da aplicação demonitoramento, uma variação de 3% na umidade de um ambiente pode não ser significativa,fazendo com que o nó sensor enviasse apenas informações caso o valor lido ultrapassasse esselimite de 3%.

Os experimentos para verificar o tempo de vida da solução proposta foram decepcionan-tes. Foi verificado que o nó sensor, quando da utilização de baterias, não conseguiria ficar ativomais do que 29 horas. Esse tempo inviabiliza a aplicação de monitoramento, uma vez que, casoo nó sensor fique sem alimentação de energia mais do que 29 horas, ele não consegue realizar afunção de coibir o furto do equipamento eletrônico.

Devido a este problema, foi necessário estudar os diagramas esquemáticos das placasArduino e XBee Shield, onde foi constatado que alguns componentes dessas placas consumiamenergia desnecessariamente e que, se retirados, não causariam nenhum impacto no nó sensor.Foram adquiridos componentes para a montagem de um novo nó sensor, com o nome de Mo-dulino, adaptando o Arduino às necessidades da aplicação de monitoramento de equipamentoseletrônicos. O nó sensor Modulino permitiu atender aos requisitos da RSSF proposta, que, emconjunto com os algoritmos propostos, permitiu o aumento do tempo de vida da rede em maisde 500% em relação ao Arduino. Foi possível reduzir a quantidade de dados transmitidos pelarede e também diminuir o custo de um nó sensor.

O projeto e implantação da RSSF proposta foi uma atividade multidisciplinar. Os en-volvidos tiveram que projetar a aplicação front-end para receber, tratar e apresentar os dadosrecebidos (em C#), desenvolver os algoritmos dos nós sensores (em C) implementados comomiddleware, estudar as especificações de fabricante (datasheets) de componentes eletrônicoscomo sensores, circuitos integrados, reguladores de tensão, do microcontrolador ATMega 328 edo rádio XBee. Também foi necessário estudar o funcionamento dos quadros de dados do rádioXBee, para que a aplicação de monitoramento reconhecesse as informações recebidas. Tambémfoi necessário o conhecimento técnico de hardware, para projetar o diagrama esquemático doModulino na aplicação Eagle, para montar e soldar os protótipos.

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Abaixo estão elencados os principais pontos positivos e negativos observados no desen-volvimento deste trabalho:

Pontos Positivos

a) Apoio da PUC Minas

b) Montagem do laboratório de eletrônica, que pode ser utilizado em outros projetos

c) Desenvolvimento de um novo nó sensor dentro da PUC Minas, mostrando a viabilidade demontar um nó sensor nacional com um custo menor do que o similar importado

d) Auxílio de um aluno de iniciação científica do PROBIC, permitindo compartilhar os conhe-cimentos adquiridos

Pontos Negativos

a) Dificuldade em encontrar componentes eletrônicos necessários para o Modulino, em BeloHorizonte

b) Custo das soluções em RSSF disponíveis no mercado

c) A multidisciplinaridade do projeto tornou difícil o desenvolvimento da RSSF, com umaequipe pequena (orientadora, mestrando e bolsista)

d) Falta de laboratório para confecção de placas de circuito impresso durante o desenvolvimentodo Modulino

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ANEXO A -- DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO ARDUINO

Figura 1: Diagrama Esquemático da placa Arduino

Fonte: Arduino (2009a)

99

ANEXO B -- DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO XBEE SHIELD

Figura 1: Diagrama Esquemático da placa XBee Shield

Fonte: Arduino (2009a)

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ANEXO C -- ARQUITETURA DO MICROCONTROLADOR ATMEGA 328

Figura 1: Diagrama da UCP / ULA do Microcontrolador ATMega 328

Fonte: Atmel (2010)

101

Figura 2: Diagrama em Blocos do Microcontrolador ATMega 328

Fonte: Atmel (2010)