Sistema Distribuído de Aquisição Remota de …ltodi.est.ips.pt/aabreu/sdarga/rel_sdarga.pdf · The developed system allows communication between the computer and the set of nodes

Instituto Politécnico de Setúbal

Escola Superior de Tecnologia

Sistema Distribuído de Aquisição Remota de

Grandezas Atmosféricas

Célia Cordas

João Rodrigues

Vítor Borrego

Trabalho Final de Curso do 1ºCiclo

Em Engenharia Electrónica e Computadores

Orientadores:

Prof. Filipe Cardoso

Prof. António Abreu

Março/2007

______________________________________________________________________ i

Agradecimentos

Os alunos que desenvolveram este projecto gostariam de agradecer aos orientadores, o Prof.

António Abreu e o Prof. Filipe Cardoso, pela disponibilidade e ajuda na escolha das melhores

soluções para a conclusão do projecto.

Gostaríamos de agradecer também ao nosso colega Marco Francisco pelo auxílio fornecido de

forma a se obter melhor conhecimento sobre o funcionamento do módulo RF XBee.

___________________________________________________________________________ ii

Curso: Engenharia Electrónica e Computadores

Título do projecto: Sistema Distribuído de Aquisição Remota de Grandezas Atmosféricas

Autores:

João Rodrigues, nº 2438

Célia Fernandes, nº 2530

Vítor Borrego, nº 3963

Orientadores:

Prof. Filipe Cardoso

Prof. António Abreu

Projecto concluído em 15 de Março de 2007

___________________________________________________________________________ iii

Resumo:

O projecto apresentado consiste numa rede de sensores sem fios para aquisição de dados

relativos a temperatura e humidade relativa.

O sistema desenvolvido permite a comunicação entre o computador e um conjunto de nós

com capacidade para adquirir dados de temperatura e humidade relativa. Os dados são

adquiridos pelos nós com base num período de tempo definido.

O programa existente no computador permite controlar o comportamento dos nós em termos

de gestão de energia. Para atingir esse fim o programa sincroniza os nós de modo a que eles

activem os seus módulos RF (Rádio-Frequência) em simultâneo para estabelecer a

comunicação entre o computador e os nós. O computador requer a cada nó que envie os dados

que adquiriu e regista-os para futura consulta. Além de registar também envia os dados por

email para outro destino caso se deseje.

De acordo com testes efectuados em ambiente interior (residência) o sistema adquiriu com

poucas falhas dados de temperatura e humidade relativa, salvo excepções em que tal não foi

possível devido a problemas de propagação.

Palavras-chave: Rede, sensores, wireless, temperatura, humidade.

___________________________________________________________________________ iv

Title: Distributed System for Remote Acquisition of Atmospheric Variables

Abstract:

The project presented, consists of a wireless sensor network for temperature and relative

humidity data acquisition.

The developed system allows communication between the computer and the set of nodes with

the ability to acquire temperature and humidity data. This data is acquired in a designated

time period.

The existing program on the computer allows behaviour controlling of the nodes in terms of

energy management. To reach this intention, the program synchronizes the nodes in order to

activate their RF (Radio Frequency) modules simultaneously to establish communication

between them and the computer.

The computer requires from each node to send the data acquired and logging it for future

consult. Beyond registering, it also e-mails the data to another destination if desired.

In accordance with indoor tests made (residence), in general, the system acquired temperature

and relative humidity data with no problems, few exceptions were made where due to

propagation problems.

Keywords: Networks, sensors, wireless, temperature, humidity

___________________________________________________________________________ v

Índice1. Introdução...............................................................................................................................1

1.1. Motivação e objectivos....................................................................................................1

1.2. Estrutura do documento...................................................................................................1

2. Redes de comunicação............................................................................................................2

2.1. O Modelo OSI .................................................................................................................2

2.1.1. Níveis do modelo OSI ..............................................................................................2

2.1.2. Encapsulamento de dados.........................................................................................5

2.2. Low Rate Wireless Personal Area Network ....................................................................6

2.2.1. Especificações do nível físico...................................................................................8

2.2.2. Especificações do nível de ligação de dados ............................................................9

2.2.3. Topologias ................................................................................................................9

2.2.4. Modos de endereçamento .......................................................................................10

2.2.5. Modos de operação de rede ....................................................................................11

2.3. Bluetooth .......................................................................................................................11

2.4. ZigBee ...........................................................................................................................14

2.4.1. Topologias de rede..................................................................................................15

2.4.2. Encaminhamento ....................................................................................................17

2.5. Comparação das redes de comunicação ........................................................................18

3. Descrição do sistema ............................................................................................................19

3.1. Diagrama de Blocos.......................................................................................................19

3.2. Protocolo PSDARGA....................................................................................................20

3.2.1. Endereçamento .......................................................................................................21

3.2.2. Topologias de rede..................................................................................................21

3.2.3. Encaminhamento ....................................................................................................22

3.2.4. Arquitectura de rede ...............................................................................................22

3.2.5. Estrutura do pacote .................................................................................................22

3.2.6. Encaminhamento de pacotes ..................................................................................23

3.2.7. Recepção de pacotes...............................................................................................25

3.2.8. Envio dos pacotes pelo PC .....................................................................................26

3.3. Sensor ............................................................................................................................28

3.3.1. Introdução...............................................................................................................28

___________________________________________________________________________ vi

3.3.2. Sensor de Temperatura e Humidade Relativa ........................................................29

3.4. Módulo XBee ................................................................................................................30

3.4.1. Criação de trama RF pelo módulo RF XBee..........................................................32

3.4.2. Configuração dos módulos RF XBee .....................................................................33

3.5. Microcontrolador ...........................................................................................................33

3.5.1. Funcionamento do PIC ...........................................................................................35

3.6. Alimentação...................................................................................................................37

3.7. Caracterização do Hardware..........................................................................................39

3.7.1. Placa de Interface....................................................................................................39

3.7.2. Placa do nó .............................................................................................................41

3.8. Programa SDARGACtl v2.0 .........................................................................................45

4. Testes e resultados experimentais ........................................................................................47

5. Conclusões e Desenvolvimentos Futuros .............................................................................52

6. Bibliografia...........................................................................................................................54

Anexos...................................................................................... Error! Bookmark not defined.

___________________________________________________________________________ vii

Lista de FigurasFigura 2.1 – Modelo de referência OSI .....................................................................................3

Figura 2.2 – Diferentes tipos de meios de transmissão (extraído de [2])..................................3

Figura 2.3 – Protocol Data Unit ................................................................................................6

Figura 2.4 – Níveis do LR-WPAN segundo o modelo OSI.........................................................7

Figura 2.5 – Esquema da topologia Ponto-a-ponto.................................................................10

Figura 2.6 – Esquema da topologia estrela .............................................................................10

Figura 2.7 – Estrutura da supertrama (extraído de [14]) .......................................................11

Figura 2.8 – Níveis do Bluetooth segundo o modelo OSI ........................................................12

Figura 2.9 – Rede piconet ........................................................................................................13

Figura 2.10 – Níveis do ZigBee segundo o modelo OSI ..........................................................15

Figura 2.11 – Esquema da topologia estrela ...........................................................................16

Figura 2.12 – Esquema da topologia árvore ...........................................................................16

Figura 2.13 – Esquema da topologia malha ............................................................................17

Figura 3.1 – Diagrama de blocos do sistema ..........................................................................19

Figura 3.2 – Níveis do PSDARGA segundo o modelo OSI ......................................................20

Figura 3.3 – Topologia em estrela distribuída.........................................................................21

Figura 3.4 – Estrutura de pacote .............................................................................................23

Figura 3.5 – Fluxograma de encaminhamento de pacote pelo router.....................................24

Figura 3.6 – Fluxograma da recepção de um pacote por parte de um nó...............................25

Figura 3.7 – Estrutura da rede.................................................................................................26

Figura 3.8 – Pacote recebido pelo router B.............................................................................27

Figura 3.9 – Pacote transmitido pelo router B ........................................................................28

Figura 3.10 – Imagem do SHT11 (extraído de [24]) ...............................................................30

Figura 3.11 – Diagrama de blocos do SHT11 (extraído de [24]) ...........................................30

Figura 3.12 – Imagem do XBee (extraído de [28])..................................................................31

Figura 3.13 – Diagrama de transmissão de dados com módulos RF XBee.............................31

Figura 3.14 – Bits a serem transmitidos pela UART através do módulo RF...........................32

Figura 3.15 – Fluxograma do funcionamento dos routers e nós .............................................36

Figura 3.16 – Imagem do MAX233 (extraído de [32]) ............................................................39

Figura 3.17 – Esquemático da placa de interface....................................................................40

Figura 3.18 – Esquemático do nó e router...............................................................................41

___________________________________________________________________________ viii

Figura 3.19 – Figura do programa para comparação dos relógios do PC e PIC ..................42

Figura 3.20 – Programa de interacção do utilizador com o sistema ......................................45

Figura 3.21 – Imagem da área de Aquisição dos dados dos Nós ............................................45

Figura 3.22 – Fluxograma do funcionamento da aquisição de dados dos Nós.......................46

Figura 4.1 – Configurações do router, nó e PC.......................................................................47

Figura 4.2 – Sincronização de um router ou nó ......................................................................48

Figura 4.3 – Posicionamento dos dispositivos sem comunicação para o nó A .......................48

Figura 4.4 – Posicionamento dos dispositivos com comunicação para o nó A.......................49

Figura 4.5 – Gráfico das amostras da Temperatura ...............................................................51

Figura 4.6 – Gráfico das amostras de Humidade Relativa......................................................51

___________________________________________________________________________ ix

Lista de TabelasTabela 2.1 – Frequências de operação da LR-WPAN ...............................................................8

Tabela 2.2 – Frequências de operação do Bluetooth (extraído de [11] e [12])......................12

Tabela 2.3 – Tabela de encaminhamento (extraído de [15])...................................................17

Tabela 2.4 – Comparação de redes de comunicação segundo o Modelo OSI.........................18

Tabela 3.1 – Tabela de encaminhamento do router B .............................................................28

Tabela 3.2 – Tipos de sensores naturais (extraído de [30]) ....................................................29

Tabela 3.3 – Tabela com os consumos medidos e com os dados no datasheet do XBee .........37

Tabela 3.4 – Tabela com os valores de mAh dos vários tipos de pilhas ..................................38

Tabela 3.5 – Tabela com a duração estimada das baterias para o XBee................................38

Tabela 3.6 – Tabela com a duração estimada das baterias para o XBee-Pro.........................38

Tabela 3.7 – Tabela com os valores para cálculo do novo valor de inicialização..................44

Tabela 4.1 – Tabela de amostras de temperatura e humidade relativa ...................................50

______________________________________________________________________ x

Lista de abreviaturas e acrónimos

A/D – Analógico/Digital

CC – Command Sequence Character

CD – Carrier Detect

CMOS – Complementary Metal Oxide Semiconductor

CPU – Central Processing Unit

CS – Contador de Saltos

CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

CTS – Clear to Send

DA – Destino em Alcance

DCE – Data Communication Equipment

DI – Data In

DL – Destino Lógico

DLF – Destino Lógico Final

DLI – Destino Lógico Inicial

DO – Data Out

DSR - Data Set Ready

DTE – Data Terminal Equipment

DTR – Data Terminal Ready

EB – End Byte

EEPROM – Electrically Erasable Programmable Read Only Memory

ER – Endereço de Rede

EUSART – Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter

FFD – Full Function Device

FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum

GND – Ground

GT – Guard Times

GTS – Guaranteed Time Slot

ICSP – In Circuit Serial Programming

ID – Identificador de Pacote

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers

___________________________________________________________________________ xi

IP – Internet Protocol

ISM – Industrial, Scientific and Medical applications

ISO – International Standards Organization

LR-WPAN – Low Rate Wireless Personal Area Network

LSB – Least Significant Bit

MSB – Most Significant Bit

NDA – Novo Destino em Alcance

OA – Origem em Alcance

OL – Origem Lógica

OSI – Open Systems Interconnection

PAN – Personal Area Network

PC – Personal Computer

PDA – Personal Digital Assistant

PDU – Protocol Data Unit

PL – Payload

PSDARGA – Protocolo do Sistema Distribuído de Aquisição Remota de Grandezas

Atmosféricas

PWM – Pulse Width Modulation

RD – Received Data

RF – Rádio-Frequência

RFD – Reduced Function Device

RI – Ring Indicator

RISC – Reduced Instruction Set Computer

RO – Packetization Timeout

RTS – Request to Send

SB – Start Byte

SDARGA – Sistema Distribuído de Aquisição Remota de Grandezas Atmosféricas

TD – Transmitted Data

TDM – Time Division Multiplexing

TTL – Transistor Transistor Logic

UART – Universal Asynchronous Receiver Transmitter

USB – Universal Serial Bus

___________________________________________________________________________ xii

UTP – Unshielded Twisted Pair

1 Introdução

___________________________________________________________________________ 1

1. Introdução

1.1. Motivação e objectivos

A monitorização de grandezas atmosféricas de temperatura e humidade relativa para a

prevenção de doenças, em plantações agrícolas constituiu um factor fundamental para o

desenvolvimento deste trabalho.

Para resolver este problema desenvolveu-se uma rede de sensores para ser possível obter

dados relativos a temperatura e humidade que após serem analisados podem servir para

implementar medidas preventivas para que as plantações presentes no terreno não sejam

afectadas por doenças.

Doenças que podem ser detectadas monitorizando a temperatura e a humidade relativa é, por

exemplo, o Míldio dos Citrinos. Esta doença é provocada principalmente pelo fungo

Phytophthora Hibernalis que inicia a sua actividade desde que a temperatura seja superior a

12º C e a humidade relativa superior a 70% [1]. Monitorizando a plantação com o sistema

desenvolvido por este trabalho é possível verificar se ocorrem as condições óptimas para o

desenvolvimento de doenças, tais como o Míldio dos Citrinos e tomar as medidas necessárias

para evitar o seu desenvolvimento.

1.2. Estrutura do documento

Este documento encontra-se organizado da seguinte forma, no segundo capítulo são

abordados o modelo OSI (Open Systems Interconnection) e as redes de comunicação em

geral. No terceiro capítulo é descrito os componentes do sistema desenvolvido, no quarto

capítulo apresentam-se os testes efectuados e resultados experimentais obtidos.

As conclusões são apresentadas no quinto capítulo.

O documento termina com a apresentação das referências bibliográficas a que se recorreu,

seguindo-se uma secção de anexos onde estão presentes a listagem do código utilizado nos

microcontroladores PIC existentes nos nós, e do código do programa de controlo da rede de

sensores e registo das grandezas atmosféricas.

2 Redes de comunicação

___________________________________________________________________________ 2

2. Redes de comunicação

As redes de sensores podem ser construídas com redes de comunicação que tem como

característica comum, o facto de habitualmente a comunicação ser efectuada por RF (Rádio-

Frequência).

Neste capítulo aborda-se de forma sucinta o modelo OSI e o funcionamento de algumas redes

de comunicação em que a comunicação é feita por RF. Esta análise tem por objectivo dar uma

panorâmica geral dos diversos tipos de redes existentes.

2.1. O Modelo OSI

Com a evolução da tecnologia ao nível de redes de comunicação houve a necessidade de criar

modelos que facilitassem a estrutura e desenho de sistemas de comunicação em rede.

O aparecimento de grandes redes e a facilidade de utilização das tecnologias de redes por

parte das empresas proporcionou nos meados de 1980 o lançamento do modelo de referência

OSI [2-5].

O modelo de referência OSI descreve um conjunto de padrões que garantem uma maior

compatibilidade e interoperabilidade entre várias tecnologias de rede.

2.1.1. Níveis do modelo OSI

O modelo OSI é composto por sete níveis distintos, tal como ilustrado na Figura 2.1.


___________________________________________________________________________ 3

Figura 2.1 – Modelo de referência OSI

2.1.1.1. Nível Físico

O nível físico está relacionado com as especificações eléctricas, mecânicas, funcionais e de

procedimentos para activar, manter e desactivar a ligação física de sistemas finais.

No nível físico são especificados os tipos de conectores, níveis de tensão, temporização,

alterações de tensão, ritmos de transmissão e distâncias máximas de transmissão. A função do

nível físico é a transmissão de uma sequência arbitrária de bits de informação para o meio

físico.

Os dados passam pelo nível físico, em forma de bits através de um meio de transmissão que

pode ser cabo coaxial, cabo telefónico, cabo UTP (Unshielded Twisted Pair), fibra óptica ou a

atmosfera (ondas de rádio, microondas e luz), Figura 2.2.

Figura 2.2 – Diferentes tipos de meios de transmissão (extraído de [2])


___________________________________________________________________________ 4

2.1.1.2. Nível de ligação de dados

O nível de ligação de dados torna fiável o fluxo de bits transmitidos pelo nível físico,

efectuando o seu sequencionamento, sincronização, controlo de erros e de fluxo de modo a

possibilitar a transmissão de informação entre os nós adjacentes.

O nível de ligação de dados trata do endereçamento físico, da topologia de rede, do acesso ao

meio, notificações de erro, entrega ordenada de tramas e validade dos dados.

2.1.1.3. Nível de rede

O nível de rede fornece conectividade e selecção de caminhos entre dois dispositivos que

podem estar localizados na mesma rede ou em redes distintas.

Este nível é responsável pelo encaminhamento de pacotes da origem ao destino,

endereçamento lógico de dispositivos ligados à rede e tradução de endereços lógicos para

endereços físicos.

Para que os pacotes de dados sejam transferidos da origem até ao destino, é importante que

todos os dispositivos ligados à rede utilizem o mesmo protocolo.

Os dispositivos responsáveis pelo encaminhamento de pacotes da origem ao destino são

denominados routers. Para encaminharem os pacotes da origem para o destino utilizam

tabelas de encaminhamento definidas dentro deles. Normalmente os routers são criados para

funcionarem sobre um protocolo de rede específico.

2.1.1.4. Nível de transporte

O nível de transporte é responsável pelo fornecimento de serviços de transporte ponto-a-

ponto, fragmentação e desfragmentação de dados, controlo de fluxo, entrega de dados com

fiabilidade e correcção de erros.


___________________________________________________________________________ 5

2.1.1.5. Nível de sessão

O nível de sessão estabelece, sincroniza, mantêm e termina uma sessão. Funções de

autenticação para início de uma sessão, transferência de dados da sessão e fim de sessão são

efectuadas neste nível.

2.1.1.6. Nível de apresentação

O nível de apresentação concentra-se na sintaxe e na semântica da informação transmitida.

Têm como objectivo fornecer funções de codificação e conversão garantindo que dados

transmitidos por um nível de Aplicação de um dispositivo sejam lidos pelo nível de Aplicação

de outro dispositivo. Tarefas de compressão, descompressão, encriptação e desencriptação de

dados estão associadas a este nível. Dados associados a operações de multimédia também

estão retratados neste nível.

2.1.1.7. Nível de aplicação

O nível de aplicação é o nível que faculta a interacção com o utilizador fornecendo serviços

de comunicação ao dispositivo.

Dá aos aplicativos presentes no dispositivo a possibilidade de comunicar a partir da rede com

aplicativos presentes em outros dispositivos.

2.1.2. Encapsulamento de dados

Quando um dispositivo envia dados para outro dispositivo, os dados enviados são

encapsulados. O encapsulamento consiste na formatação dos dados de acordo com os diversos

níveis do modelo OSI.

Cada nível origina um tipo de mensagem designado por PDU (Protocol Data Unit).

Ao entrarem dados num nível é criada uma mensagem composta por um cabeçalho, dados e

rodapé. O cabeçalho e rodapé são construídos conforme o protocolo do nível em questão.


___________________________________________________________________________ 6

São criadas mensagens desde os níveis mais altos até aos mais baixos. A cada tipo de

mensagem gerada por nível dá-se um nome específico, dependendo do nível a que se refere

como mostra a Figura 2.3.

Figura 2.3 – Protocol Data Unit

2.2. Low Rate Wireless Personal Area Network

A norma IEEE 802.15.4, revista em 2003, define um protocolo de comunicação entre

dispositivos via rádio, com baixo consumo de energia e ritmos de transmissão de dados baixo

que é designado por LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network) [14].

A LR-WPAN opera em dois níveis do Modelo OSI, o nível físico e o nível de ligação de

dados, Figura 2.4.


___________________________________________________________________________ 7

Figura 2.4 – Níveis do LR-WPAN segundo o modelo OSI

No nível físico a LR-WPAN é caracterizada pelo meio físico de transmissão ser via rádio na

frequência ISM de 2,4 GHz, com um alcance máximo de 100 metros, ritmo de transmissão de

250 Kbps, 16 canais e largura de banda por canal de 5 MHz.

No nível de ligação de dados a LR-WPAN é caracterizada por ter endereços físicos de 64 ou

16 bits, o acesso ao meio ser efectuado por CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with

Collision Avoidance) e por utilizar modos de endereçamento directo, indirecto e broadcast.

A LR-WPAN também permite utilização de outras duas bandas de frequências ISM.

A frequência de 915 MHz com um ritmo de transmissão de 40 Kbps que pode ser utilizada na

América e Austrália.

A frequência de 868 MHz com um ritmo de transmissão de 20 Kbps que pode ser utilizada na

Europa, tal como indicado na Tabela 2.1. [14].


___________________________________________________________________________ 8

América Austrália Europa Todo mundo

Gama de frequências

902 MHz a 928 MHz

902 MHz a 928 MHz

868 MHz a 868,6 MHz

2,4 GHz a 2,4835 GHz

Ritmo de transmissão 40 Kbps 40 Kbps 20 Kbps 250 Kbps

Largura de banda por

canal 2,6 MHZ 2,6 MHZ 600 KHz 5,2 MHz

Número de canais 10 10 1 16

Tabela 2.1 – Frequências de operação da LR-WPAN

A LR-WPAN acede ao meio segundo o CSMA/CA podendo suportar as topologias de rede

ponto-a-ponto e a estrela.

A simplicidade deste tipo de rede permite ao utilizador uma flexibilidade do controlo do

protocolo e manutenção da rede, devido ao reduzido número de operações executáveis,

transferência de informação e uma estrutura de instalação fácil.

Este tipo de rede também tem mecanismos de detecção da energia utilizada para a transmissão

dos dados, e mecanismos para medir a qualidade da ligação de dados entre os dispositivos.

Existem dois tipos de dispositivos, os FFD’s (Full Function Device) e os RFD’s (Reduced

Function Device). Os FFD’s são nós da rede mais sofisticados que podem funcionar como

sendo coordenadores da PAN (Personal Area Network) ou dispositivos. Os RFD’s são nós de

rede de baixo custo utilizados para aplicações simples, que interagem com os dispositivos

FFD’s.

2.2.1. Especificações do nível físico

O nível físico tem a seu cargo a responsabilidade de activar e desactivar o transmissor e

receptor de rádio, indicar a energia do canal actual, mencionar a qualidade da recepção da


___________________________________________________________________________ 9

informação, verificar o canal de transmissão com o CSMA/CA, seleccionar o canal de

frequência e efectuar a transmissão e recepção de dados.

2.2.2. Especificações do nível de ligação de dados

O nível de ligação de dados tem como responsabilidades enviar e receber beacons no caso da

existência de coordenador, sincronizar os beacons, associar e desassociar dispositivos à PAN,

utilizar os mecanismos de segurança existentes, utilizar o mecanismo CSMA/CA para aceder

ao meio, estabelecer ligações fiáveis entre dispositivos, manter e manusear os GTS’s

(Guaranteed Time Slot).

Um beacon é uma trama que serve para identificar a PAN, sincronizar os dispositivos ligados

à PAN e para descrever a estrutura da supertrama.

Podem existir várias PAN’s activas ao mesmo tempo no mesmo local. Os dispositivos podem

pertencer a uma PAN especifica identificada por um valor de 16 bits. Se um dispositivo

pertencer a uma determinada PAN ele só pode comunicar com outros dispositivos que

pertençam a essa PAN. Um dispositivo pode comunicar com todas as PAN existentes, para

que isso aconteça deve utilizar o identificador de PAN de 16 bits preenchido com o valor

hexadecimal 0xFFFF, pelo que se conclui que podem existir 65 535 PAN’s activas.

2.2.3. Topologias

Neste tipo de rede podem ser utilizadas as topologias de rede em estrela ou ponto-a-ponto

segundo a norma 802.15.4 [14].

Na topologia ponto-a-ponto os dispositivos comunicam entre si desde que estejam dentro do

seu alcance, tal como ilustrado na Figura 2.5.


___________________________________________________________________________ 10

Figura 2.5 – Esquema da topologia Ponto-a-ponto

Na topologia em estrela os dispositivos estão interligados entre si por um ponto em

comum, ou seja a comunicação é estabelecida entre os dispositivos adjacentes por

intermédio de um dispositivo comum designado por coordenador da PAN, tal como

ilustrado na Figura 2.6.

Os dispositivos que operam nesta estrutura de rede têm um endereçamento de 64 bits.

Figura 2.6 – Esquema da topologia estrela

2.2.4. Modos de endereçamento

Na LR-WPAN existem três modos de endereçamento, no endereçamento directo a informação

é dirigida a um dispositivo em particular, no endereçamento indirecto a informação é

transmitida por intermédio do coordenador da PAN e no endereçamento broadcast a

informação é transmitida a todos os dispositivos que se encontram na rede.


___________________________________________________________________________ 11

2.2.5. Modos de operação de rede

Existem três modos de operação da rede, com coordenador e beacon usando slotted

CSMA/CA, com coordenador e sem beacon usando unslotted CSMA/CA e sem coordenador

e sem beacon usando unslotted CSMA/CA.

Em modos com beacon a transmissão de informação é obtida com a confirmação da presença

dos nós em rede, podendo estes adormecer entre beacons. Os modos com beacon

implementam um controlo de acesso ao canal através de uma estrutura de supertrama e

permitem manipular a qualidade de serviço.

Figura 2.7 – Estrutura da supertrama (extraído de [14])

Em modos sem beacon a transmissão de informação implica que os dispositivos mantenham

os receptores permanentemente activos, o que implica que os dispositivos consumam muito

mais energia ou que os dispositivos implementem por si mesmo uma política própria de

adormecimento para poupança de energia.

2.3. Bluetooth

O Bluetooth é uma tecnologia para comunicação sem fios entre dispositivos electrónicos a

curtas distâncias e de baixo custo. É usual a utilização do Bluetooth em dispositivos pessoais,

tais como PDA’s (Personal Digital Assistant), telemóveis da nova geração, computadores

portáteis, mas também em comunicações de periféricos tais como impressoras e

digitalizadores.

A rede de comunicação Bluetooth opera sobre o nível físico e de ligação de dados do modelo

OSI, tal como ilustrado na Figura 2.8.


___________________________________________________________________________ 12

Figura 2.8 – Níveis do Bluetooth segundo o modelo OSI

O meio físico de transmissão é via rádio operando nas frequências de 2,400 GHz a 2,4835

GHz, com ritmo de transmissão de 1Mbps, 79 canais e largura de banda por canal de 1 MHz

com excepção da França em que o número de canais é 23 e a gama de frequências em que

opera é de 2,4454 GHz a 2,4835 GHz, Tabela 2.2. [6-12].

EUA, Japão e Europa excepto França

França

Gama de frequências 2,400 GHz a 2,4835 GHz 2,4454 GHz a 2,4835 GHz

Ritmo de transmissão 1 Mbps

Largura de banda por canal 1 MHz

Número de canais 79 23

Tabela 2.2 – Frequências de operação do Bluetooth (extraído de [11] e [12])

O Bluetooth utiliza uma topologia física ad-hoc [13]. Durante o funcionamento normal, um

canal dos 79 canais de rádio disponíveis é partilhado por um grupo de dispositivos que estão

sincronizados com um sinal de relógio e uma sequência própria de saltos de frequências. Ao

dispositivo que fornece o sinal de relógio chama-se Mestre.


___________________________________________________________________________ 13

Todos os outros dispositivos são conhecidos como Escravos. A um grupo de dispositivos

sincronizados com o sinal de relógio e que mudem de frequência conforme estabelecido na

sequência de frequências chama-se piconet.

Uma piconet de uma rede Bluetooth permite apenas a interligação de 8 dispositivos no

máximo, sendo um deles o Mestre e os restantes sete Escravos, Figura 2.9.

MestreEscravocomunicação

Figura 2.9 – Rede piconet

O acesso ao meio é controlado pelo Mestre. Este envia para todos os Escravos o seu valor de

relógio interno e a sequência de saltos de frequência para que eles se possam sincronizar com

ele. Os dispositivos Escravos que pertencem a uma piconet calculam a diferença entre o seu

valor de relógio interno e o valor de relógio do Mestre da piconet a que pertencem. Os

Escravos somam o valor dessa diferença ao valor do seu relógio interno para que possam se

sincronizar com o relógio do Mestre. O sincronismo entre todos os dispositivos da piconet

permite que eles utilizem a mesma frequência ao mesmo tempo.

A sequência de saltos de frequência é um conjunto de frequências que os dispositivos devem

usar em simultâneo para comunicarem entre si. As frequências não se repetem dentro da

sequência de saltos e usam os valores de frequências disponíveis para os 79 canais do

Bluetooth. Para cada piconet existe uma sequência única de frequências.

Os dispositivos ao estarem sincronizados mudam para uma frequência conforme definido na

sequência de saltos para um determinado instante no tempo.


___________________________________________________________________________ 14

O Mestre da piconet define um período de tempo dentro do qual para um determinado

intervalo de tempo existe uma frequência distinta. A esse período com vários intervalos de

tempo com uma frequência única atribuída chama-se de sequência de saltos de frequência.

O Mestre e os Escravos comunicam um de cada vez na frequência que estiverem a utilizar

durante um período de tempo de 625µs [12].

O endereço físico de cada dispositivo bluetooth é composto por 48 bits. O tipo de

endereçamento utilizado é o directo (comunicação entre Mestre e Escravo) e por broadcast

(Mestre envia informação para todos os Escravos).

Os dispositivos Bluetooth são classificados em três classes, de acordo com a potência e

alcance. Na classe 1 os dispositivos têm uma potência de 100 mW com alcance até 100 m. Na

classe 2 os dispositivos têm uma potência de 2,5 mW e alcance até 10 m. Na classe 3 os

dispositivos têm uma potência de 1 mW e alcance de 1 m.

2.4. ZigBee

O ZigBee é definido como um protocolo que opera no nível de rede do modelo OSI sendo

responsável pelo encaminhamento e endereçamento. Segundo a norma que define o ZigBee

[15], o ZigBee funciona sobre redes LR-WPAN, tal como ilustrado na Figura 2.10.


___________________________________________________________________________ 15

Figura 2.10 – Níveis do ZigBee segundo o modelo OSI

O protocolo ZigBee pode ser utilizado em aplicações de baixo consumo e baixo custo o que o

torna adequado para sistemas de monitorização.

O protocolo ZigBee contém perfis que caracterizam o formato das mensagens e de

procedimentos que ao serem manipulados descrevem a funcionalidade do dispositivo.

O endereço de rede no protocolo ZigBee é de 16 bits, sendo o endereçamento de dados

efectuado directamente ou em broadcast.

2.4.1. Topologias de rede

No ZigBee podem existir três classes de dispositivos, o coordenador, o router e o nó. O

coordenador é responsável pela criação e manutenção da rede ZigBee, armazenando a

informação de gestão interna relevante para o seu funcionamento e tendo a possibilidade de

funcionar como elo de ligação entre diferentes redes.

O router permite a comunicação entre nós sem a intervenção do coordenador, mas pode

comportar-se como um nó. O nó estabelece apenas comunicação na rede.

O coordenador e o router são implementados com base em dispositivos FFD como estipulado

pela norma IEEE 802.15.4 e o nó é implementado com base em dispositivos FFD ou RFD.


___________________________________________________________________________ 16

O protocolo ZigBee estabelece comunicação sobre topologias de rede em estrela, árvore e

malha.

Na topologia em estrela o controlo da rede é efectuado por um dispositivo designado por

coordenador da PAN. O coordenador é responsável pela iniciação e manutenção da

comunicação em rede, Figura 2.11.

Router (FFD)

Coordenador (FFD)

Nó (RFD) Figura 2.11 – Esquema da topologia estrela

Na topologia em árvore os routers movem os dados na rede segundo um encaminhamento

hierárquico, Figura 2.12.

Router (FFD)

Coordenador (FFD)

Nó (RFD) Figura 2.12 – Esquema da topologia árvore

Na topologia em malha a comunicação na rede é efectuada numa estrutura ponto-a-ponto que

não utiliza orientação por beacons, Figura 2.13.


___________________________________________________________________________ 17

Router (FFD)

Coordenador (FFD)

Nó (RFD) Figura 2.13 – Esquema da topologia malha

O protocolo ZigBee permite um máximo de 65 535 (16 bits) nós por coordenador da PAN.

2.4.2. Encaminhamento

No protocolo ZigBee o encaminhamento é efectuado por dispositivos que estão definidos

como coordenadores ou routers.

Assim, é definido um algoritmo de encaminhamento de pacotes com o qual se pode construir

as tabelas de encaminhamento. Um coordenador ou router efectua um reconhecimento dos

dispositivos envolventes na sua rede para o ajudar na construção da tabela de

encaminhamento. O coordenador ou router tem que manter a tabela de encaminhamento,

efectuar a correspondência entre a origem e o destino do encaminhamento e escutar o que se

passa na rede para corrigir eventuais problemas que possam surgir.

A tabela de encaminhamento é descrita da seguinte forma:

Tabela 2.3 – Tabela de encaminhamento (extraído de [15])

Nome do campo Tamanho Descrição

Endereço destino 2 Bytes Endereço de destino à qual se aplica o encaminhamento

Estado 3 Bytes Estado do encaminhamento

Próximo endereço 2 Bytes

Endereço do próximo dispositivo para o qual o pacote deve ser

encaminhado para chegar ao seu destino


___________________________________________________________________________ 18

2.5. Comparação das redes de comunicação

A Tabela 2.3 mostra um resumo das redes de comunicação que foram descritas anteriormente

segundo o modelo OSI, onde N/D significa não disponível.

Bluetooth LR-WPAN (802.15.4) (ZigBee)

Meio Físico

Meio de transmissão 2,45 GHz banda rádio ISM

2,4 GHz banda rádio ISM

Alcance 1m a 100 m 100 m

Ritmo transmissão 1 Mbps 250 Kbps

Largura de banda 1 MHz 5 MHz

Máximo dispositivos aceder ao meio físico 8 dispositivos N/D

Ligação de dados

Endereços físicos 48 bits 16/64 bits

Acesso ao meio FHSS – TDM CSMA/CA

Endereçamento directo Sim

Endereçamento broadcast Sim

Endereçamento multicast Não

Endereçamento indirecto Sim

Tabela 2.4 – Comparação de redes de comunicação segundo o Modelo OSI

Após análise dos vários tipos de rede de comunicação e dos dispositivos electrónicos que

permitem a interacção com elas, escolheu-se a rede de comunicação LR-WPAN. A LR-

WPAN foi escolhida devido à existência do módulo RF XBee, que tem como características o

baixo consumo de energia, baixo custo, respeitar as normas do LR-WPAN, possibilidade de

ter muitos mais dispositivos activos numa rede LR-WPAN do que numa rede Bluetooth e a

fácil ligação do módulo a outros dispositivos.

3 Descrição do sistema

___________________________________________________________________________ 19

3. Descrição do sistema

3.1. Diagrama de Blocos

Como se apresenta na Figura 3.1 o sistema é composto por um programa que é executado

num PC, uma placa de interface entre o PC/XBee e os vários nós e routers de rede.

RS-232

PC

ProgramaNó C

Nó E

Router F

Nó BNó A

Nó D

SHT11

PIC16F689

XBee

FonteAlimentação

XBee

Placa InterfacePC / Xbee

MAX233

FonteAlimentação

PSDARGA PSDA

RGA

PSDA

RGAP

SD

AR

GA

PS

DA

RG

A

Figura 3.1 – Diagrama de blocos do sistema

O programa desenvolvido em linguagem Java [16-20] faz os pedidos de valores de

temperatura e humidades aos vários nós e routers existentes na rede. Para além disso o

programa desenvolvido permite também registar os valores obtidos a partir dos pedidos e

enviar os valores registados caso se deseje por email [21-23] para um determinado destino. O

programa comunica com a placa de interface por intermédio do protocolo de comunicação

RS-232.

A placa de interface PC/XBee permite o envio e recepção de pacotes por parte do PC para a

rede. A placa de interface é composta por um módulo RF XBee, um conversor de níveis de


___________________________________________________________________________ 20

tensão MAX233 e uma fonte alimentação.

O nó responde a pedidos efectuados pela rede. O router além de responder a pedidos

efectuados pela rede também encaminha pacotes na rede destinados a outros nós. Os nós e os

routers são compostos por um sensor de humidade e temperatura SHT11 [24], um

microcontrolador PIC16F689 [25-27], um módulo RF XBee [28] e uma fonte de alimentação.

A placa de interface e os nós comunicam entre si através do protocolo de comunicação

PSDARGA (Protocolo do Sistema Distribuído de Aquisição de Grandezas Atmosféricas),

desenvolvido para este projecto (ver 3.2). É de frisar que essas distâncias podem variar muito

pois tratando-se de um sistema RF, a qualidade da comunicação está muito dependente das

condições inerentes ao local onde o sistema é implementado.

3.2. Protocolo PSDARGA

O PSDARGA é um protocolo que foi concebido na elaboração do projecto, opera no nível de

rede do modelo OSI, tendo como base uma rede de comunicação LR-WPAN, que permite a

troca e encaminhamento de pacotes, tal como ilustrado na Figura 3.2.

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Ligação de Dados

Fisico

LR-WPAN

PSDARGA

Figura 3.2 – Níveis do PSDARGA segundo o modelo OSI


___________________________________________________________________________ 21

No PSDARGA a comunicação em rede permite no máximo 254 dispositivos interligados (ver

2.7.5).

3.2.1. Endereçamento

No PSDARGA o endereçamento de dados é efectuado pelo endereçamento directo em que a

informação é dirigida a um único dispositivo. O endereço de rede é composto por um byte,

pois desta forma os dispositivos que implementem o protocolo podem ter pouca capacidade

de processamento e pouca memória, o que faz com que o protocolo seja simples e permita

atingir a funcionalidade pretendida.

3.2.2. Topologias de rede

O protocolo estabelece comunicação em rede sobre uma topologia em estrela distribuída.

Na topologia estrela distribuída existem várias redes em estrela, composta por routers e nós

interligados entre si, o que permite com que haja uma maior cobertura de rede.

As comunicações são efectuadas entre os vários routers existentes nas diversas redes em

estrela, com o objectivo de permitir a comunicação entre todos os dispositivos existentes na

rede, tal como apresentado na Figura 3.3.

Nó

Router

Comunicação

Figura 3.3 – Topologia em estrela distribuída


___________________________________________________________________________ 22

3.2.3. Encaminhamento

O encaminhamento de pacotes decorre por intermédio da comunicação em rede entre routers.

Os routers permitem que nós que não estão em alcance suficiente para comunicar entre si

comuniquem por intermédio dos routers.

Nos routers são definidas tabelas de encaminhamento que permitem identificar o percurso a

dar ao pacote na rede.

Os routers no PSDARGA tem a responsabilidade de manter a tabela de encaminhamento e

encaminhar o pacote.

As tabelas de encaminhamento do protocolo são descritas para cada router da rede

competindo a cada router verificar segundo a tabela de encaminhamento se o pacote é

dirigido a algum dos seus nós, a ele próprio ou se tem que encaminhar o pacote a outro router

da rede.

3.2.4. Arquitectura de rede

A rede é constituída por um PC, vários nós e routers. Quem faz pedidos é o PC e os nós

respondem aos pedidos efectuados. Os pedidos são encaminhados pela rede segundo as

definições guardadas da tabela de encaminhamento existente em cada router. O router

estabelece os caminhos que um pacote deve percorrer para chegar a um determinado destino.

Cada dispositivo da rede tem um endereço lógico com um tamanho de um byte, denominado

de Endereço Lógico de Rede (ELR).

3.2.5. Estrutura do pacote

O pacote do protocolo e comunicação é constituído por vários bytes que são o inicio de

pacote, origem lógica, destino lógico, origem do alcance, destino do alcance, contador de

saltos, identificador de mensagem, os de dados e o de fim de pacote, ilustrado na Figura 3.4.


___________________________________________________________________________ 23

Figura 3.4 – Estrutura de pacote

Os bytes do pacote do protocolo podem tomar qualquer valor decimal de 0 a 255 com

excepção dos valores 33 e 35 que correspondem aos caracteres ‘!’ e ‘#’. Os caracteres ‘!’ e ‘#’

foram escolhidos como sendo identificadores de inicio e fim de pacote, respectivamente.

O SB (Start Byte) é necessário para indicar onde começa o pacote. O OL (Origem Lógica) é

responsável por indicar o nome do dispositivo que está a enviar o pacote. O DL (Destino

Lógico) é responsável por indicar qual será o nome do dispositivo a que se destina o pacote. O

OA (Origem em Alcance) contém o nome do nó que está a enviar o pacote. O DA (Destino

em Alcance) contém o nome do nó de destino do pacote dentro do alcance do nó que está a

enviar o pacote. O CS (Contador de Saltos) é incrementado sempre que um pacote for

retransmitido. O ID (Identificador de Pacote) é incrementado para identificar o pacote

enviado, ou seja, um router não incrementa o ID ao reencaminhar um pacote. Os bytes PL

(Payload) representam comandos ou a resposta a comandos. Por fim, o byte EB (End Byte)

indica o fim do pacote.

3.2.6. Encaminhamento de pacotes

Tal como indicado na Figura 3.5, quando um router recebe um pacote, ele verifica se o DA é

igual ao seu ELR (Endereço Lógico de Rede). Caso esse valor seja igual, então vai verificar

se o DL é diferente do ELR, pois sendo diferente vai ver na sua tabela de encaminhamento se

existe um NDA (Novo Destino em Alcance) para o DL entre o DLI (Destino Lógico Inicial) e

o DLF (Destino Lógico Final). Existindo o NDA, a OA fica com valor igual ao ELR.

Comparando a seguir o NDA ao ELR, e se forem iguais o DA fica com o valor de DL, caso

contrário o DA fica com o valor de NDA, procedendo depois ao envio do pacote com os

campos alterados.


___________________________________________________________________________ 24

Inicio

Router recebe pacote?

DA igual a ELR?

DL diferente de ELR?

Existe NDA para DL entre DLI e DLF?

OA fica com o valor de ELR e

incrementa o CS

NDA igual a ELR?

DA fica com o valor de NDA

DA fica com o valor de DL

Sim

Sim

Sim

Sim

SimNão

Router envia pacote com os

campos alterados

Fim do processo

Não

Não

Não

Não

Figura 3.5 – Fluxograma de encaminhamento de pacote pelo router


___________________________________________________________________________ 25

3.2.7. Recepção de pacotes

Quando um nó recebe um pacote ele começa por verificar se o DA é igual ao seu ELR, caso

esse valor seja igual então, compara o valor de DL com o de ELR. Sendo esse valor igual o

dispositivo processa os dados recebidos e de seguida procede ao envio do pacote de resposta,

caso seja necessário.

Pode-se verificar este processo no fluxograma da Figura 3.6.

Inicio

Nó recebe pacote?

DA igual a ELR?

DL igual de ELR?

Nó envia novo pacote de

resposta caso seja necessário

Sim

Sim

Sim

Fim do processo

Não

Não

Não

Nó processa os dados recebidos

Figura 3.6 – Fluxograma da recepção de um pacote por parte de um nó


___________________________________________________________________________ 26

3.2.8. Envio dos pacotes pelo PC

O processo de envio de um pacote para a rede começa no PC, o pacote é enviado do PC para

um router e é depois encaminhado pela rede até chegar ao destino. Caso o nó tenha que enviar

resposta o pacote é encaminhado com o auxílio dos routers para o PC. Isto mostra que um nó

ou um router só transmitem pacotes caso tenham recebido um pacote, que ou é para

encaminhar caso seja router, ou para o qual é necessário emitir uma resposta. Quem tem

autonomia para enviar pacotes sem antes recebido algum destinado a eles ou para encaminhar

é o PC. Devido as estas características considera-se que a rede baseia-se numa arquitectura de

mestre-escravo, em que o PC é o mestre e os nós e os routers são escravos.

Considerando a rede mostrada pela Figura 3.7, descreve-se o funcionamento pormenorizado

do envio de pacotes na rede.

A B

C

D

E

F

G H

I

J

K

L

NóRouter

PC

DLI DLF NDAA D BE L E

Tabela de encaminhamento do router B

DLI DLF NDAI L JA H E

Tabela de encaminhamento do router J

DLI DLF NDAA D BE H EI L J

Tabela de encaminhamento do router E

Figura 3.7 – Estrutura da rede

A tabela de encaminhamento serve para indicar o caminho que o pacote deve seguir para

chegar ao seu destino. A tabela de encaminhamento é constituída por várias linhas e colunas,

em que as colunas são as colunas DLI (Destino Lógico Inicial), DLF (Destino Lógico Final) e

NDA (Novo Destino em Alcance). Cada linha da tabela define uma amplitude de ELR entre


___________________________________________________________________________ 27

os valores de DLI e DLF, caso o DL do pacote esteja compreendido entre os valores de DLI e

DLF, então obtêm o valor de NDA para essa linha.

Na figura 3.7 estão definidas três amplitudes de endereços lógicos, para cada router existente.

Para cada router tem que ser definida uma tabela de encaminhamento para que os pacotes que

percorrem a rede cheguem ao seu destino.

A primeira linha da tabela de encaminhamento do router B, como apresentado na Figura 3.7,

identifica os nós com os quais o router B comunica directamente. As linhas seguintes

identificam os routers para os quais o router B encaminha os pacotes que não se destinam aos

nós com os quais comunica directamente. Assim sendo, por observação da Figura 3.7

verifica-se que os nós com os quais o router B comunica directamente são os nós A, C e D,

em que o valor mais baixo desse grupo de nós é o A e o valor mais alto é o D. O valor do ELR

mais baixo vai corresponder ao DLI e o valor mais alto vai corresponder ao DLF. O valor de

NDA vai corresponder ao nome do router que comunica directamente com os nós indicados

anteriormente. As linhas seguintes da tabela de encaminhamento do router B mostram para

onde o router B deve encaminhar os pacotes (NDA) para os pacotes chegarem a uma

determinada amplitude de endereços lógicos de rede. A segunda linha da tabela de

encaminhamento do router B diz que para endereços lógicos de rede entre E (DLI) e L

(DLF), em que os endereços correspondem aos endereços E, F, G, H, I, J, K e L, os pacotes

devem ser encaminhados para o router E (NDA).

Considerando que o router B recebe o seguinte pacote, mostrado na Figura 3.8.

! A L A B A A PI #

SB OL DL OA DA CS ID PL EB

Figura 3.8 – Pacote recebido pelo router B

O router B tem a seguinte tabela de encaminhamento.


___________________________________________________________________________ 28

DLI DLF NDAA D BE L E

Tabela de encaminhamento do router B

Tabela 3.1 – Tabela de encaminhamento do router B

Aplicando a lógica presente no fluxograma da Figura 3.5 e com a tabela de encaminhamento

do router B ao pacote recebido presente na Figura 3.8, o router B cria e envia o pacote

presente na Figura 3.9.

! A L B E B A PI #

SB OL DL OA DA CS ID PL EB

Figura 3.9 – Pacote transmitido pelo router B

O pacote vai sendo retransmitido pelo vários routers, com cada um deles fazendo a análise

descrita anteriormente, até chegar ao seu destino.

3.3. Sensor

3.3.1. Introdução

Os sensores são dispositivos que interagem com o meio captando sinais de vários tipos

convertendo-os em sinais eléctricos representados por tensão ou corrente.

O ser humano tem cinco sentidos, em que cada sentido é composto por um tipo específico de

sensor, tal como indicado na tabela 3.2, com analogia a dispositivos electrónicos equivalentes.


___________________________________________________________________________ 29

Sentido Tipo de sinal Propriedades Sensor Dispositivo análogoVisão Radiante Intensidade e

comprimento de onda da luz

Bastonetes e cones da retina

Filme fotográfico,fotodíodo,fototransistor

Audição Mecânico Intensidade e frequência do som

Caracol(cóclea) no canal auditivo interno

Microfone

Tacto Mecânico Pressão, força Nervos Potênciometro e LVDT. Detectores ópticos e sensores matriciais táctéis

Olfacto Químico Odores Papilas olfactivas no nariz

Nariz electrónico

Paladar Bioquímico Proteínas Palpilas gustativas na língua

Tabela 3.2 – Tipos de sensores naturais (extraído de [30])

Actualmente existe uma grande diversidade de sensores dependentemente da finalidade a que

se propõe. O seu funcionamento baseia-se em princípios físicos igualmente variados que, se

em alguns casos são simples, noutros poder ser bastantes complexos.

Os sensores podem ser de dois tipos, passivos ou activos.

Os sensores passivos geram directamente um sinal eléctrico como resposta a estímulo

externo, sem a necessidade de uma fonte de alimentação adicional.

Os sensores activos necessitam de um fonte de alimentação externa e/ou um sinal de

excitação, sendo modificado pelo o sensor para produzir, então, o sinal de saída.

Os sensores podem ser classificados de acordo com características técnicas, material em que

são fabricados, meios de detecção utilizados, mecanismos de conversão empregues, tipo de

estímulo que medem e campos de aplicação.

3.3.2. Sensor de Temperatura e Humidade Relativa

O SHT11 é dispositivo que integra dois tipos de sensores, um sensor de humidade relativa e

um sensor de temperatura, como ilustrado na Figura 3.10. O SHT11 é composto por duas

linhas de interface série, permitindo a leitura da humidade relativa e da temperatura num

óptimo tempo de resposta.


___________________________________________________________________________ 30

Figura 3.10 – Imagem do SHT11 (extraído de [24])

O SHT11 permite medir temperaturas desde -40º C até +123,8º C, medir valores de humidade

relativa desde 0 até 100%, tem uma tensão de alimentação entre 2,4V e 5,5V e os dados são

lidos através de duas linhas de interface série (SCK, DATA).

A estrutura do dispositivo baseia-se no diagrama apresentado na Figura 3.11:

Figura 3.11 – Diagrama de blocos do SHT11 (extraído de [24])

O SHT11 contém um sensor de humidade e um sensor de temperatura que enviam os seus

sinais analógicos para amplificação. Os sinais amplificados são convertidos para sinal digital,

sinal esse que é disponibilizado por intermédio do interface série ligado às linhas SCK e

DATA.

3.4. Módulo XBee

A comunicação entre os dispositivos na rede é efectuado por intermédio de um módulo RF

XBee, ilustrado na Figura 3.12.


___________________________________________________________________________ 31

Figura 3.12 – Imagem do XBee (extraído de [28])

Esse módulo tem como função realizar a comunicação entre o programa no PC e os vários nós

e routers na rede, para que se seja possível obter os dados de temperatura e humidade.

Neste caso foram utilizados módulos RF XBee e XBee-Pro da Maxstream. Estes módulos são

concebidos de modo a respeitar a norma IEEE 802.15.4 e de modo a suportar as necessidades

da rede de sensores de baixo custo e baixo consumo de energia.

Os módulos RF de XBee/XBee-Pro ligam-se a um dispositivo através de uma porta série

assíncrona. Através dessa porta série, o módulo pode comunicar com qualquer outro módulo

lógico com níveis de tensão compatíveis.

Os dispositivos que tenham interface UART podem ser ligados directamente aos pinos do

módulo RF como ilustrado na Figura 3.13.

Microcontrolador Módulo RF XBee

TX

RX

DI

DO

MicrocontroladorMódulo RF XBee

TX

RX

DI

DO

Figura 3.13 – Diagrama de transmissão de dados com módulos RF XBee Os dados entram no módulo RF através do pino DI (Data In) com um sinal série assíncrono.

Quando não existem dados a ser transmitidos o sinal no pino DI deve ficar num nível lógico

alto.


___________________________________________________________________________ 32

Cada byte de dados consiste num bit de início com nível lógico baixo, em 8 bits de dados em

que o bit menos significativo vem primeiro, e um bit de paragem com nível lógico alto. A

Figura 3.14 ilustra dados série a passar através do módulo RF.

Idle LSB MSB1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1

Sinal da UART

Bit paragem (nível lógico alto)Bit início (nível lógico baixo)

Tempo

Tensão

Figura 3.14 – Bits a serem transmitidos pela UART através do módulo RF

O módulo UART executa tarefas tais como o sincronismo e verificação da paridade, que são

precisas para a transmissão de dados. A comunicação série necessita que as duas UARTs

estejam configuradas com parâmetros compatíveis (taxa de transmissão, paridade, bits de

inicio, bits de paragem, bits de dados).

Por defeito, os módulos do XBee/XBee-Pro operam em modo transparente. Quando operam

neste modo agem como uma substituição de linha série, em que todos os dados recebidos pelo

pino DI são acumulados para transmissão RF. Quando os dados RF são recebidos, os dados

são enviados pelo pino do DO (Data Out).

3.4.1. Criação de trama RF pelo módulo RF XBee

O XBee só envia uma trama RF que respeita a norma IEEE 802.15.4 quando uma das

seguintes condições é verdadeira:

− Nenhum caracter série é recebido durante o período de tempo determinado pelo

parâmetro RO (Packetization Timeout). Se RO = 0, o empacotamento começa quando

um caracter é recebido;

− Quando são recebidos 100 bytes de dados. O valor máximo numa trama é de 100

bytes;


___________________________________________________________________________ 33

− A sequência do modo de comando (GT (Guard Times) + CC (Command Sequence

Character) + GT) é recebida. Qualquer caracter colocado no buffer do DI antes da

sequência é transmitido.

Se nenhuma das condições anteriormente descritas for satisfeita então os dados série enviados

para o XBee são armazenados no Buffer do DI.

3.4.2. Configuração dos módulos RF XBee

Para o âmbito do projecto os XBee’s foram configurados de forma a funcionar em broadcast

dentro da PAN, com uma taxa de transmissão de dados série de 19 200 bps escolhida devido a

utilizarmos o microcontrolador com uma frequência interna de 4 MHz e para essa frequência

os 19 200 bps serem a taxa de transmissão de dados mais elevada. Os módulos XBee

adormecem quando é colocado um sinal lógico alto no pino SLEEP.

3.5. Microcontrolador

O microprocessador PIC16F689 tem como função proceder à execução do protocolo de

comunicação de forma a que o sensor possa efectuar as medidas da temperatura e humidade,

quando for necessário e também proceder à disponibilização dessa informação para o XBee

de forma a que o mesmo envie essa informação para o PC.

Escolheu-se um microcontrolador PIC em vez de um microcontrolador 8051 devido ao baixo

consumo de energia, número baixo de pinos, existência de periféricos adequados às

necessidades do sistema desenvolvido e à existência de um relógio interno. O relógio interno

dispensa a utilização de um cristal e respectivos condensadores para implementar o relógio do

microcontrolador.

O PIC permite a utilização de um cristal externo de precisão de 32,768 kHz para uma

contagem precisa de tempo, que pode ser utilizado em conjunto com o relógio interno do PIC

para a execução do programa gravado nele.


___________________________________________________________________________ 34

Para o sistema em questão foi escolhido o compilador SourceBoost BoostC devido à sua

versão de demonstração permitir o desenvolvimento de código para praticamente todos os

microcontroladores da família PIC até um limite de duas mil palavras de programa e

utilização de dois bancos de memória do PIC.

Essa característica foi útil para testar vários PIC’s desde o PIC16F84, passando pelo

PIC16F628 até se chegar ao PIC16F689.

As principais características do PIC16F689 são:

− CPU (Central Processing Unit) RISC (Reduced Instruction Set Computer) de alta

performance;

− 35 Instruções;

− Modos de endereçamento directo, indirecto e relativo;

− Velocidade de operação até 20MHz;

− 4k de memória flash para programa;

− 256 bytes de memória de dados;

− 256 bytes de memória EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only

Memory) para dados;

− Stack de hardware com 8 níveis de profundidade;

− Oscilador interno de precisão com frequências de 32 kHz até 8 MHz;

− Power-on reset;

− Temporizador Power-Up e oscilador start-up;

− Porta série síncrona e assíncrona;

− Dois contadores de 8 bits;

− Um contador de 16 bits com capacidade de incremento por cristal externo de 32,768

kHz;

− Gravação ICSP (In Circuit Serial Programming);

− 17 pinos de Entrada/Saída;

− Modo de adormecimento com vários modos de despertar.


___________________________________________________________________________ 35

O PIC16F689 oferece todas as vantagens da reconhecida arquitectura x14 de gama média da

Microchip. Têm uma ampla gama de tensões de operação desde 2,0 a 5,5 Volts, contêm uma

EEPROM de 256 bytes, memória de dados de 256 bytes e tecnologia nanoWatt.

Inclui 12 canais para conversores A/D com resolução de 10 bits, dois comparadores

analógicos, tensão de referência programável e uma EUSART (Enhanced Universal

Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter).

O PIC16F689 foi configurado para funcionar com um relógio interno de 4 MHz e com um

relógio externo de 32,768 kHz para contagem precisa do tempo. Foram utilizados a EUSART,

a EEPROM para guardar a configuração do nó ou router onde está o PIC16F689, o contador

timer1 de 16 bits e os modos de adormecimento.

3.5.1. Funcionamento do PIC

O PIC que controla o nó ou router funciona num ciclo contínuo. Na maior parte do ciclo o

PIC e o XBee ligado a ele encontram-se a dormir. O tempo do ciclo é determinado pela

variável de tempo máximo. O tempo é controlado a partir de um contador de segundos que

incrementa de segundo a segundo dentro do PIC. A cada segundo que passa o PIC acorda,

incrementa o contador de segundos, quando este for igual ao tempo máximo passa a zero e o

PIC executa a lógica descrita no fluxograma da Figura 3.16.


___________________________________________________________________________ 36

Contador de Segundos=0

Dispositivo temporizado e

Contador de Segundos =

Tempo de dormir

Contador de Segundos=

Tempo máximo-10

Pino para adormecer XBee activado?

Processar dados recebidos pela

UART

PIC acordaXbee acorda

Activar pino para adormecer XBee

Ler dados do SHT11

Adormecer PIC

Sim

Não

Não

Não

Não

Sim

Sim

Sim

Fim de processo

Figura 3.15 – Fluxograma do funcionamento dos routers e nós


___________________________________________________________________________ 37

3.6. Alimentação

A placa de interface, os nós e os routers do sistema são alimentados com uma tensão de 3

Volts. Essa tensão é suficiente para a gama de tensões de alimentação admitidas pelos vários

componentes da placa de interface, dos nós e dos routers.

A alimentação nos nós e routers é feita com base em baterias. Um nó com módulo RF XBee

consome 53 mA acordado e 35 µA a dormir com uma tensão de alimentação de 3 Volts (duas

pilhas em série de 1,5 V). Com um módulo RF XBee-Pro consome 68 mA acordado e 53 µA

a dormir com uma tensão de alimentação de 3 Volts com base em medidas efectuadas, tal

como mostrado na tabela 3.3.

Tipo XBee Tensão Corrente

Acordado (Medido)

Corrente Dormir

(Medido)

Corrente Acordado (Folha de cálculo [29])

Corrente Dormir (Folha Cálculo [29])

XBee 3 V 53 mA 35 µA 50 mA 50 µA

XBee-Pro 3 V 68 mA 53 µA 270 mA 50 µA

Tabela 3.3 – Tabela com os consumos medidos e com os dados no datasheet do XBee

Para os cálculos das baterias utilizou-se o valor de 270 mA para os cálculos orientados para o

XBee-Pro. Para o XBee foram utilizados os valores medidos dado que eles se aproximam aos

valores existentes no datasheet do XBee [28].

No site da Maxstream existe uma folha de cálculo [29], para auxiliar a determinar a duração

das pilhas com base nos tempos de transmissão e adormecimento.

Na folha de cálculo definiu-se o tempo de dormir como sendo 3 580 s e o tempo de

transmissão como sendo 20 s, o que corresponde a um período de uma hora. A corrente em

transmissão foi definida como sendo 53 mA e a corrente a dormir como sendo 35 µA. Para

esses valores chegou-se a uma corrente média de 480 µA.


___________________________________________________________________________ 38

Tabela 3.4 – Tabela com os valores de mAh dos vários tipos de pilhas

Para os valores em mAh para os tipos de pilha AAA, AA, C e D, como indicado na tabela 3.4

extraída de [31] e com o auxílio da folha de cálculo [29] chegamos aos seguintes valores de

duração das baterias para um sistema com o XBee, como se verifica na tabela 3.5.

Tabela 3.5 – Tabela com a duração estimada das baterias para o XBee

Para um nó ou router com um XBee-Pro foi considerado para os cálculos um consumo de

corrente a dormir de 53 µA, um consumo de corrente acordado de 270 mA e um ciclo de

aquisição de uma hora com 20 segundos acordado e 3 580 segundos a dormir. Com estes

dados e como calculado para o XBee chegou-se aos valores de duração das baterias para um

sistema com o XBee-Pro, como apresentado na tabela 3.6.

Tabela 3.6 – Tabela com a duração estimada das baterias para o XBee-Pro

Com base nos cálculos efectuados pode-se afirmar que um nó ou router com um XBee-Pro,

terá que utilizar pilhas do tipo D alcalinas, para ter um ciclo de aquisição de uma hora em que

está 20 segundos acordado e 3 580 segundos a dormir, o que permitirá que as pilhas durem

cerca de um ano.


___________________________________________________________________________ 39

A placa de interface PC/XBee não será alimentada através de baterias, mas sim através de

transformador ligado à corrente eléctrica, que fornece uma tensão de alimentação de 3 Volts e

uma corrente máxima de 300 mA.

3.7. Caracterização do Hardware

3.7.1. Placa de Interface

A placa de interface permite a comunicação entre o programa que corre no PC e os nós e

routers presentes na rede.

A placa de interface é constituída por um conversor de níveis de tensão MAX233, como

mostrado na Figura 3.16, um módulo RF XBee e a fonte de alimentação.

Figura 3.16 – Imagem do MAX233 (extraído de [32])

Foi escolhido o protocolo de comunicação RS-232 entre o PC e a placa de interface, devido à

existência de portas série RS-232 em PC’s e à sua facilidade de implementação.

O MAX233 é utilizado devido ao facto de haver uma incompatibilidade de níveis de tensão

existentes entre a porta série de um PC e os sinais de comunicação série do XBee.

Na Figura 3.17 mostra-se o esquemático da placa de interface, será esta a placa que irá a

permitir a comunicação entre o PC e os dispositivos de rede.


___________________________________________________________________________ 40

Figura 3.17 – Esquemático da placa de interface


___________________________________________________________________________ 41

3.7.2. Placa do nó

Na Figura 3.18 mostra o esquemático da placa do nó.

Figura 3.18 – Esquemático do nó e router


___________________________________________________________________________ 42

Esta placa é constituída pela alimentação, pelo microcontrolador, sensor

temperatura/humidade e módulo RF.

A placa é alimentada a 3 V devido ao módulo RF só permitir uma tensão máxima de

funcionamento de 3,3 V. Todos os outros componentes existentes na placa também

funcionam com tensão de alimentação de 3V apesar de terem a capacidade de funcionar a

tensões mais elevadas.

Implementou-se um relógio no PIC em que o seu valor é comparado com o valor do relógio

do PC, para se calcular eventuais diferenças de tempo em segundos entre o relógio do PC e do

PIC, tal como ilustrado na Figura 3.19.

Figura 3.19 – Figura do programa para comparação dos relógios do PC e PIC

A frequência de oscilação de um cristal depende da precisão do cristal, da precisão dos

condensadores de carga e da temperatura ambiente. Devido a esses factores verifica-se que é

difícil manter uma frequência precisa [33].

Para se determinar a frequência a que o circuito estava a oscilar procedeu-se da seguinte

forma, definiu-se o valor de inicialização do timer1, que é um contador de 16 bits que guarda

valores entre 0 e 65 535, como sendo 32 768. Esse valor é utilizado devido a ter-se partido da

hipótese de que a frequência de oscilação gerada pelo cristal em conjunto com os


___________________________________________________________________________ 43

condensadores de carga do cristal e a capacitância da placa de circuito impresso ser de 32,768

kHz. Acertou-se o valor do relógio do PIC com o valor do relógio do PC, ou seja, se no

relógio do PC fossem 21h30m54s seria esse valor estabelecido no PIC. Passadas algumas

horas compara-se a hora no PC e a hora no PIC, e então calcula-se a diferença de segundos

entre um e outro. Essa diferença em segundos vai servir para se calcular o valor aproximado

da frequência de oscilação, o valor calculado vai servir para se definir o valor de inicialização

do timer1 do PIC, que é o contador que serve para indicar o momento em que passa um

segundo.

A diferença de segundos que se ganham ou perdem no relógio é calculado da seguinte forma:

ΔPICs=(PC_h×3600+PC_m×60+PC_s)-(PIC_h×3600+PIC_m×60+PIC_s)[s] (1)

Onde ΔPICs representa a diferença de segundos entre o relógio do PC e o relógio do PIC, tal

como, PC_h, PC_m e PC_s representam as horas, minutos e segundos do relógio do PC e

PIC_h, PIC_m e PIC_s representam as horas, minutos e segundos do relógio do PIC.

Para cálculo da diferença em segundos das horas no PC, o valor do dia do mês inicial e final

devem pertencer ao mesmo mês.

ΔP C _h=(P C F_d×86400+ P C F_h× 3600+ P C F_m × 60+ P C F_s)-(P C I_d× 86400+ P C I_h× 3600+ P C I_m × 60+ P C I_s)[s]

(2)

Onde ΔPC_h representa a diferença de horas em segundos do relógio do PC, tal como,

PCF_d, PCF_h, PCF_m e PCF_s representam o dia do mês, horas, minutos e segundos do dia

final da medição do tempo do PC e o PCI_d, PCI_h, PCI_m e PCI_s representa o dia, hora,

minutos e segundos do PC em que se inicia a medição do tempo.

1[s]×ΔPICsΔs= [s]ΔPC_h

(3)


___________________________________________________________________________ 44

O ∆s é o valor de desvio medido relativamente a cada segundo que passou. A partir do valor

da equação (3) calcula-se o valor aproximado da frequência de oscilação.

32768frequencia_real= [Hz]1+Δs

(4)

Onde a frequencia_real representa a frequência de oscilação do PIC e o 32 768 representa o

valor previsto de oscilação do cristal em conjunto com os condensadores de carga e

capacitância da placa de circuito impresso.

A partir do valor calculado na equação (4) chega-se ao novo valor de inicialização do timer1

para evitar desvios na contagem do tempo, sendo o novo_valor_inicializacao um valor inteiro.

novo_valor_inicializacao=65536-frequencia_real (5)

Para a placa do nó, com um cristal de 32,768 kHz e condensadores de 33 pF e seguindo o

método acima descrito, chegou-se aos seguintes valores:

Tabela 3.7 – Tabela com os valores para cálculo do novo valor de inicialização

Data Inicial Hora Inicial Data Final Hora Final ∆PICs

Valor de inicialização do

timer1

Novo valor de inicialização do

timer118-02-2007 21:10:00 19-02-2007 21:41:20 10 32 768 32 77221-02-2007 21:56:06 22-02-2007 21:59:23 7 33 768 33 77122-02-2007 22:01:31 23-02-2007 21:55:59 8 34 768 34 77123-02-2007 23:08:44 24-02-2007 23:01:41 -2 34 772 35 77124-02-2007 23:05:22 26-02-2007 19:12:23 1 35 771 36 771


___________________________________________________________________________ 45

3.8. Programa SDARGACtl v2.0

Figura 3.20 – Programa de interacção do utilizador com o sistema

O programa desenvolvido permite configurar, controlar e adquirir dados dos nós e routers

constituintes da rede, regista os dados adquiridos e permite enviar por email os dados, caso se

deseje.

O programa adquire os dados com base num período de tempo definido, caso o botão

“Iniciar” dentro da área “Aquisição de dados dos Nós” tenha sido escolhido, Figura 3.21.

Figura 3.21 – Imagem da área de Aquisição dos dados dos Nós

O PC aguarda que os nós e routers acordem durante cinco segundos desde o início do período

de tempo. São definidos cinco segundos para prevenir eventuais desfasamentos entre os nós,

routers e o PC. De seguida o programa envia comandos de sincronismo a todos os nós e

routers que compõem a rede. Após esse procedimento são enviados comandos de leitura a


___________________________________________________________________________ 46

cada um dos nós e routers, e registam-se os dados recebidos. São enviados comandos de

adormecimento após a recepção dos dados, sequencialmente a cada um dos nós ou routers,

com início no nó ou router com ordem de adormecimento mais pequena até ao nó ou router

com ordem de adormecimento maior.

O PC regista os dados e fica a aguardar o início do novo período de tempo.

Para que se possa entender melhor como funciona este ciclo de aquisição de dados podemos

ver a Figura 3.22.

Figura 3.22 – Fluxograma do funcionamento da aquisição de dados dos Nós

4 Testes e resultados experimentais

___________________________________________________________________________ 47

4. Testes e resultados experimentais

Foram configurados os módulos XBee com os parâmetros anteriores (ver subsecção 3.5.2)

alterados em relação aos que vem por defeito, e mantiveram-se todos os outros parâmetros

inalterados, tendo-se procedido a uma série de testes para verificar se os vários módulos XBee

estavam a comunicar e até que distâncias eles conseguiriam comunicar.

Após os testes efectuados chegou-se a uma distância de 27 metros para os módulos XBee

comunicarem entre si, o que se aproxima dos 30 metros que a Maxstream anuncia para a

comunicação indoor. A diferença dos 3 metros poderá ficar a dever-se ao tipo de construção

do edifício onde foram testados os XBee, bem como a outros obstáculos, tais como objectos

metálicos que podem causar alguma atenuação no sinal.

Seguiu-se um conjunto de etapas que consistiram na configuração, sincronização e no

posicionamento dos nós e routers.

Foi configurado um router (F), um nó (A) e o PC com o nome C, com o router F a ter como

parâmetro de routing AFF, tal como ilustrado na Figura 4.1.

Figura 4.1 – Configurações do router, nó e PC


___________________________________________________________________________ 48

Depois de configurados o nó e o router efectuou-se a sincronização deles com o contador de

segundos do programa no PC, para garantir que a rede esteja activa ao mesmo tempo

permitindo a comunicação em rede, tal como ilustrado na Figura 4.2.

Figura 4.2 – Sincronização de um router ou nó

Começou-se por posicionar o router a cerca de 2 metros da placa de interface PC/XBee ligada

ao PC, e o nó a cerca de 12 metros do router, sem que conseguir-se estabelecer comunicação

com o nó através do router, tal como mostrado na Figura 4.3.

Figura 4.3 – Posicionamento dos dispositivos sem comunicação para o nó A

De seguida, o router foi posicionado a cerca de 5 metros da placa de interface PC/XBee

ligada ao PC, e o nó foi posicionado a cerca de 7 metros do router. Foi testado a comunicação

entre o PC e router e o PC e nó por intermédio do router, tal como ilustrado na Figura 4.2.


___________________________________________________________________________ 49

Figura 4.4 – Posicionamento dos dispositivos com comunicação para o nó A

Com o nó e router posicionado, tal ilustrado na Figura 4.4, foram recolhidas amostras de 5 em

5 minutos durante cerca de 9 horas e 15 minutos. Durante cada período em que os nós

estavam activos era retiradas amostras de temperatura, humidade relativa e foram sendo

enviadas amostras por email de 30 em 30 minutos.

Na tabela 4.1 mostramos algumas amostras de temperatura e humidade relativa obtidas

durante a realização dos testes.


___________________________________________________________________________ 50

Data Hora Nó Temperatura Humidade Relativa Estado Bateria14-11-2006 0:55 F 20,98 82,5259284 > 2,47[V] 14-11-2006 0:55 A 21,26 83,9552724 > 2,47[V] 14-11-2006 0:50 F 21,06 82,375064 > 2,47[V] 14-11-2006 0:50 A 21,28 83,8028544 > 2,47[V] 14-11-2006 0:45 F 21,07 82,4767688 > 2,47[V] 14-11-2006 0:45 A 21,34 84,1097712 > 2,47[V] 14-11-2006 0:40 F 21,05 83,238562 > 2,47[V] 14-11-2006 0:40 A 21,36 84,569154 > 2,47[V] 14-11-2006 0:25 F 21,04 83,1875232 > 2,47[V] 14-11-2006 0:25 A 21,31 84,670146 > 2,47[V] 14-11-2006 0:20 F 21,06 83,9512404 > 2,47[V] 14-11-2006 0:20 A 21,36 84,7732884 > 2,47[V] 14-11-2006 0:15 F 21,07 83,2389428 > 2,47[V] 14-11-2006 0:15 A 21,32 84,8745252 > 2,47[V] 14-11-2006 0:10 F 21,08 83,7988704 > 2,47[V] 14-11-2006 0:10 A 21,34 84,9770772 > 2,47[V] 14-11-2006 0:05 F 21,08 83,7479572 > 2,47[V] 14-11-2006 0:05 A 21,32 85,232032 > 2,47[V] 14-11-2006 0:00 F 21,05 83,4420148 > 2,47[V] 14-11-2006 0:00 A 21,31 85,3851092 > 2,47[V]

Tabela 4.1 – Tabela de amostras de temperatura e humidade relativa

No período de tempo em que decorreram os testes tentou-se recolher 110 amostras para o nó

A e para o nó F. Para o nó A foram obtidas 105 amostra e para o nó F foram obtidas 107

amostras. Observou-se que existiu uma taxa de erro de aquisição de dados para o nó A de

4,55% e para o nó F uma taxa de erro de aquisição de 2,73%.

Na Figura 4.5 e 4.6 são mostrados os gráficos de temperatura e humidade relativa para o nó A

e F construídos com os dados existentes nas 105 amostras do nó A e 107 amostras do nó F.


___________________________________________________________________________ 51

Amostras de Temperatura 2006-11-13

20,4

20,6

20,8

21

21,2

21,4

21,6

21,8

22

15:4

0:10

16:0

0:10

16:2

0:10

16:4

0:10

17:0

0:10

17:2

0:10

17:4

0:10

18:0

0:10

18:2

0:10

18:4

0:10

19:00:1

0

19:2

0:09

19:4

0:10

20:0

0:09

20:2

5:09

20:45:0

9

21:0

5:10

21:2

5:10

21:4

5:10

22:0

5:10

22:2

5:10

22:4

5:09

23:0

5:10

23:3

0:10

23:5

0:09

0:10

:10

0:30

:09

0:50

:10

Horas

Tem

pera

tura

(ºC

)

Temperatura Nó ATemperatura Nó F

Figura 4.5 – Gráfico das amostras da Temperatura

Amostras de Humidade Relativa 2006-11-13

76

78

80

82

84

86

88

90

92

94

96

15:4

0:10

16:0

0:10

16:20

:10

16:4

0:10

17:0

0:10

17:2

0:10

17:4

0:10

18:0

0:10

18:2

0:10

18:4

0:10

19:0

0:10

19:2

0:09

19:4

0:10

20:0

0:09

20:2

5:09

20:4

5:09

21:0

5:10

21:2

5:10

21:4

5:10

22:0

5:10

22:2

5:10

22:4

5:09

23:0

5:10

23:3

0:10

23:5

0:09

0:10

:10

0:30

:09

0:50

:10

Horas

Hum

idad

e R

elat

iva

(%)

Humidade Relativa do Nó AHumidade Relativa do Nó F

Figura 4.6 – Gráfico das amostras de Humidade Relativa

Na observação dos gráficos verifica-se que existem falhas, estas são devido a não terem sido

obtidos dados devido a anomalias na comunicação.

5 Conclusões e Desenvolvimentos Futuros

___________________________________________________________________________ 52

5. Conclusões e Desenvolvimentos Futuros

Foi desenvolvida uma rede de sensores sem fios para aquisição de dados relativos a

temperatura e humidade, tal como proposto nos objectivos do projecto.

Foram escolhidos para a implementação deste trabalho a utilização do microcontrolador

PIC16F689, do módulo RF XBee, do sensor de humidade e temperatura SHT11 e o conversor

de níveis de tensão MAX233. O PIC16F689 foi utilizado devido a ter baixo custo por

unidade, baixo consumo de energia e existência de periféricos internos úteis para a concepção

do projecto.

O XBee tem como características o baixo consumo de energia para dispositivos da sua classe

e baixo custo, facilidade de ligação a outros dispositivos devido à sua interface UART.

Quanto ao SHT11 trata-se de um sensor que integra a capacidade de leitura de temperatura e

humidade num só dispositivo, tem poucas linhas de comunicação e baixo consumo de

energia.

O MAX233 foi utilizado em conjunto com o XBee para criar a placa de interface PC/XBee

para se poder comunicar com os nós e routers que compõem a rede.

Os resultados obtidos mostram que o sistema cumpre os objectivos, mas seria desejável que o

sistema fosse testado em outras situações, tais como ao ar livre visto que os testes efectuados

foram executados dentro de edifícios.

No entanto, apesar de concluído este trabalho, pensamos que com mais tempo e mais alguma

investigação o mesmo trabalho pode ser mais completo, e nesse sentido pensamos que

podíamos deixar alguns pontos que poderão ajudar no melhor desenvolvimento do projecto no

futuro, tais como:

− A implementação de mais sensores, de forma a ser completo ou adaptado a vários

sistemas;

− A possível utilização da energia solar para alimentação e carregamento de baterias;


___________________________________________________________________________ 53

− Investigação mais aprofundada da tecnologia em termos de comunicação que integra o

projecto;

− Verificar a possibilidade de implementar o protocolo IP (Internet Protocol) como

sendo o protocolo de rede para uma rede de sensores;

− Criação de uma placa de interface PC/XBee por USB em vez da ligação actual por

porta série;

− Relacionar valores de temperatura e humidade relativa com doenças específicas, para

mostrar no programa eventuais medidas a efectuar, com o intuito de prevenir essas

doenças.


___________________________________________________________________________

54

6. Bibliografia

[1] http://www.sapecagro.pt/internet/webteca/artigo.asp?id=197, Dezembro de 2006

[2] Acetatos da disciplina de Redes de Computadores, Bacharelato de Engenharia

Electrónica e Computadores, EST Setúbal, 2006

[3] Networking complete - Third Edition, Sybex

[4] Todd Lammle, “CCNA Fast Pass”, Sybex

[5] Mário P. Viegas, “Redes Cisco Para Profissionais”, FCA

[6] Haartsen, J. C., “The Bluetooth radio system”, IEEE Personal Communication, vol.

7, no.1, pp 28-36, Fevereiro de 2000

[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth, Dezembro de 2006

[8] http://www.infowester.com/bluetooth.php, Dezembro de 2006

[9] http://electronics.howstuffworks.com/bluetooth1.htm, Dezembro de 2006

[10] IEEE, “IEEE Std 802.15.1-2005 (Norma 802.15.1 de 2005 do IEEE)”,

http://standards.ieee.org/getieee802/802.15.html, Dezembro de 2006

[11] http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5988-3760EN.pdf, Janeiro de 2007

[12] Bluetooth Core Specifications, http://www.bluetooth.com/, Core Specification v2.0

+ EDR, Janeiro de 2007

[13] Bluetooth Definitions, http://www.swedetrack.com/images/bluet09.htm, Janeiro

2007

[14] IEEE, “IEEE Std 802.15.4-2003 (Norma 802.15.4 de 2003 do IEEE)”,

http://standards.ieee.org/getieee802/802.15.html, Dezembro de 2006

[15] ZigBee Alliance, “ZigBee Document 053474r06, Version 1.0”,

http://www.zigbee.org/, Dezembro de 2006

[16] http://www.rxtx.org, Dezembro de 2006

[17] http://www.netbeans.org, Dezembro de 2006

[18] Ken Arnold & James Gosling, “The Java Programming Language”, Second

Edition, Addison Wesley

[19] Tutoriais sobre Java, http://java.sun.com/docs/books/tutorial/, Dezembro de 2006

[20] "Java 2 Complete”, Sybex

[21] http://pt.wikipedia.org/wiki/Simple_Mail_Transfer_Protocol, Dezembro de 2006

[22] http://en.wikipedia.org/wiki/SMTP_AUTH, Dezembro de 2006

[23] http://pt.wikipedia.org/wiki/MIME, Dezembro de 2006


___________________________________________________________________________

55

[24] http://www.sensirion.com, Dezembro de 2006

[25] David José de Souza, “Desbravando o PIC – Ampliado e actualizado para

PIC16F628”, 6ª Edição, Editora Érica

[26] Acetatos da disciplina de Microcontroladores, Bacharelato de Engenharia

Electrónica e Computadores Nocturno, EST Setúbal, 2006

[27] http://www.microchip.com, Dezembro de 2006

[28] http://www.maxstream.net, Dezembro de 2006

[29] http://www.maxstream.net/support/battery-life-calculator.xls, Dezembro de 2006

[30] Adriano Sampaio e Sousa e Paulo Simeão Carvalho, “Utilização de sensores no

ensino das ciências”, Universidade de Ciências do Porto

[31] http://www.allaboutbatteries.com/Energy-tables.html, Dezembro de 2006

[32] Datasheet do MAX233, http://www.maxim-ic.com/, Dezembro de 2006

[33] http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/58, Fevereiro de 2007

Documents

Sistema Distribuído de Aquisição Remota de …ltodi.est.ips.pt/aabreu/sdarga/rel_sdarga.pdf · The developed system allows communication between the computer and the set of nodes