Implementação de Transmissão de dados de sensores de temperatura usando Zig-Bee

Resumo

Redes de sensores sem fio são muito úteis em diversas atividades do dia-a-dia e quando aplicadas podem facilitar muito o desenvolvimento dessas atividades, que vão desde coisas triviais como acender uma lâmpada, até controle de processos industriais, e auxílios na área da saúde. Para estabelecer a comunicação nessa rede, existem algumas formas de implementação, como redes wifi, nfc ou Zig Bee, todas elas com seus prós e contras.

O padrão Zig Bee define um conjunto de protocolos de comunicação de baixa taxa de transmissão e curto alcance, tem sido um padrão muito utilizado em redes de sensoriamento remoto, além disso, visando o monitoramento remoto a longas distancias, vislumbrou-se a possibilidade de implementação de um servidor web, sendo assim foi desenvolvida uma rede de monitoramento de Umidade e Temperatura de um determinado ambiente sem fio, utilizando Xbee S1, em uma rede ponto a ponto de curto alcance e também um servidor web somente em HTML, trabalhando apenas como consulta de dados.

O sistema obteve resultados satisfatório, e pronto para ser utilizado em aplicações de monitoramento remoto, sendo necessária apenas a analise dos dados recebidos.

O padrão Zig Bee

Redes de Sensores sem fio( Wireless Sensor Network – WSN)  tem sido tema de intensa pesquisa, pois possuem um imenso potencial em vários ramos da economia e atividades diárias, trata-se de uma área bem completa que envolve processamento de sinais, redes de computadores e sistemas distribuídos. Por ser um padrão de comunicação com baixa taxa de transmissão e curto alcance, o padrão Zig Bee tem sido muito utilizado em aplicações de sensoriamento sem fio.

O protocolo possui taxa de transmissão máxima de 250 kbps e curto alcance para redes sem fio e foi desenvolvido para a fabricação de dispositivos que se comunicassem entre si, independente do fabricante, ele opera por padrão na frequência de 2,4 GHz e curiosamente possui esse nome devido ao comportamento das abelhas que voam em zig zag trocando informações entre si.

As camadas de enlace e física são definidas pelo padrão IEEE 802.15.4, criado com o proposito de servir a aplicações que não possuem requisitos de alta taxa de transmissão e baixa latência. As principais funcionalidades dessa tecnologia são a baixa complexidade, custo e consumo de energia, por isso são muito utilizadas em WSNs.

        A camada física(PHY)

Possui três faixas de frequência não-licenciadas de acordo com a localização geográfica para operação, com 27 canais half-duplex para três bandas, a banda 2,4 GHz disponível para todo o mundo com 16 canais e com a faixa de 2400-2483,5 MHz e largura de banda de 250 kbps, a banda 915 MHz disponível para os Estados Unidos com 10 canais, faixa de 902- 928 e largura de banda de 40 kbps, e por ultimo a banda de 868 MHz, disponível para a Europa e com 1 canal, na faixa de 868-868,6 e largura de banda de 20 kbps.

As faixas de 868 MHz e 915 MHz implementam modulação em BPSK e um método de propagação DSSS, já a banda de 2,4 GHz utiliza modulação O-QSK, sendo que suas sensibilidade de recepção e alcance máximo respectivamente(- 92 dBm,1Km; ) (- 92 dBm, 1Km) e (- 85 dBm, 200 Km).

A preocupação com o consumo de energia é grande, pois os dispositivos devem permanecer no estado ativo por poucos períodos de tempo, além disso, a taxa de transmissão instantânea é muito próxima da taxa máxima proporcionada pelo padrão.

A transmissão é organizada em frames que se diferem de acordo com o proposito, são divididos em quatro tipos, que compõem o PPDU: frame de beacon, frame de dados, frame de ACK e frame de comando de MAC, todos estruturados com um Synchonization Header(SHR) , um Physical Header(PHR), uma Physical Service Data Unit(PSDU) composta por uma MAC Payload Data Unit(MPDU) que por sua vez é construído com um MAC Header( MHR), um MAC Footer(MFT) e um MAC servisse Data Unit(MSDU) e para assegurar a entrega da mensagem é utilizado CRC.

Topologia de redes e modos de operação

        Existem duas topologias permitidas, estrela e peer-to-peer, na topologia estrela o nó coordenador possui comunicação direta para os demais nós e estes apenas podem ter comunicação com o coordenador, já na topologia peer-to-peer é permitido que os nós que não são coordenadores de rede se comuniquem entre si.

        Independente da topologia, a rede precisa ter um PAN ID, que é um endereço de 16 bits que vai identifica-la dentro de uma rede IEEE 802.15.4.

Camada de Enlace

Executa as funções de associação e desassociação, controle de segurança, funções para redes na topologia estrela e suporte à aplicação para as duas topologias suportadas, o protocolo utilizado é baseado no algoritmo CSMA/CA (Carrier-Sense Multiple Access with Colission Avoidance), que para diminuir a probabilidade de colisões na transmissão, requer que se escute o canal antes de transmitir. Existem dois modos de operação o beacon-enable e non beacon-enable, no primeiro o nó procura um canal para realizar a transmissão, no segundo existe uma estrutura chamada superframe que prevê uma sincronização para evitar colisões.

Camada de Rede

        Oferece mecanismos para que seja possível participar e/ou deixar a rede, segurança do frame, roteamento, descoberta de rotas, e de vizinhos diretos, armazenamento de informações dos vizinhos, ela atribui um endereço de rede para cada dispositivo.

        Suas transmissões podem ser Broadcast ou Unicast, em broadcast a mensagem é transmitida e propagada a todos os nós da rede, e cada nó cria uma entrada em uma tabela local, porá poder rastrear se o nó já transmitiu o dado, já na transmissão unicast existe apenas um nó de origem e um nó de destino, além do endereço de rede, cada nó possui um endereço de 64 bits permanente que pode ser usado para descobrir o endereço de rede do destino.