ANÁLISE DO DESEMPENHO DE REDES DE SENSORES SEM FIO PARA MONITORAMENTO DE PLANTAÇÕES IRRIGADAS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO Eziom Alves de Oliveira ANÁLISE DO DESEMPENHO DE REDES DE SENSORES SEM FIO PARA MONITORAMENTO DE PLANTAÇÕES IRRIGADAS Juazeiro BA 2013

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO Eziom Alves de Oliveira ANÁLISE DO DESEMPENHO DE REDES DE SENSORES SEM FIO PARA MONITORAMENTO DE PLANTAÇÕES IRRIGADAS Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Federal do Vale do São Francisco UNIVASF, Campus de Juazeiro, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro da Computação. Orientador: Prof. Dr. Brauliro Gonçalves Leal Co-orientador: Prof. Fábio Nelson de Sousa Pereira Juazeiro BA 2013

3 O48a Oliveira, Eziom Alves de. Análise do desempenho de redes de sensores sem fio para monitoramento de plantações irrigadas / Eziom Alves de Oliveira. - Juazeiro, 2013 xiii, 55 f. : il. ; 29 cm. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia da Computação) Universidade Federal do Vale do São Francisco, Campus Juazeiro-BA, Orientador: Prof. Brauliro Gonçalves Leal. 1. Sistemas de comunicação sem fio. 2 ZigBee 2. Irrigação agrícola I. Título. II. Leal, Brauliro, Gonçalves. III. Universidade Federal do Vale do São Francisco. CDD Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Integrado de Biblioteca SIBI/UNIVASF Bibliotecário: Renato Marques Alves CDD XXX

4 À minha família, em especial a minha mãe Maria de Fátima.

5 AGRADECIMENTOS À minha família, aos meus irmãos e principalmente a minha mãe, Maria de Fátima de Oliveira, pelo apoio durante toda minha vida. Aos professores Brauliro Gonçalves Leal e Fábio Nelson de Sousa Pereira pela orientação, paciência e compromisso com a realização deste trabalho. Ao professor Fabrício Braga pela ajuda em diversos pontos deste trabalho. Aos professores Ricardo Ramos, Marcus Ramos, Rômulo Calado, Marcelo Linder, Murilo Boratto, Rosalvo Oliveira e demais professores que me deram a base teórica para realizar esse trabalho. Aos amigos Felipe Pinheiro, Bruno Sampaio, Sergio Soares, que ajudaram em várias partes deste trabalho. Aos meus amigos que me apoiaram nessa jornada acadêmica. A todos que contribuíram direta ou indiretamente para realização desse trabalho.

6 RESUMO Atualmente, vários estudos estão sendo realizados no desenvolvimento de Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) para monitoramento de plantações irrigadas visando melhor qualidade e aumento da produção. Porém, como a transmissão dos dados nesse tipo de rede se dá através de ondas eletromagnéticas, as características do meio, como obstáculos e umidade, contribuem para a irregularidade da propagação de sinais pelo ar, causando uma dependência direta da potência recebida e das características do meio. Dessa forma, os projetistas devem considerar que condições ambientais interferem diretamente no desempenho do sistema. Diante disso, este trabalho tem como proposta a análise do desempenho de uma RSSF, baseada no padrão ZigBee e composta por nós XBee-PRO ZB S2 aplicada no monitoramento de plantação irrigada. Foram avaliadas as métricas intensidade de sinal, perda de pacotes e consumo de energia com o objetivo de estabelecer distância máxima de separação dos nós da rede em plantações de uva e prevê o tempo de vida de baterias geralmente utilizadas nesse tipo de aplicação. Os resultados experimentais mostram que a distância máxima entre os nós na plantação é de 175 m em diagonal e podemos garantir até 550 m em linha reta e que o tempo de descarga total da bateria para a aplicação proposta foi de 144,71 dias. Esses resultados mostram que a tecnologia de RSSF é viável para prover o monitoramento de plantações irrigadas e possui uma boa autonomia no uso de baterias. Palavras Chaves: ZigBee, Redes de sensores Sem Fio, XBee, consumo de energia, perda de pacotes, RSSI.

7 ABSTRACT Currently, several studies are being conducted on the development of Wireless Sensor Networks (WSN) for monitoring irrigated plantations. The goal is to achieve better quality of the crops and increase the production. However, as the transmission of data in this type of network is made via electromagnetic waves, the characteristics of the environment (such as obstacles and humidity, among others) contribute to the irregularity of the signal propagation. This scenario leads to a direct dependence of the received power and the characteristics of medium. In this way, designers should consider that environmental conditions directly affect the system performance. This work aims to analyze the performance of a WSN, based on the ZigBee standard and composed of us XBee-PRO ZB S2 applied in monitoring irrigated plantations. The authors evaluated the signal intensity metric, packet loss and energy consumption in order to establish maximum distance of separation between the network nodes in grape plantations and to predict the lifetime of the batteries commonly used in this type of application. Experimental results show that the maximum distance between nodes in the plantation is 175 m in diagonal and can guarantee up to 550 m in a straight line and that the time of discharge of the battery for the proposed application was days. These results indicate that the WSN technology is feasible to provide the monitoring and irrigation of crops and also present a good autonomy of the batteries. Key Words: ZigBee, Wireless Sensory Networks, XBee, energy consumption, packet loss, RSSI.

8 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Subsistemas do Dispositivo Final Figura 2. Zona Fresnel Figura 3. Camadas ZigBee e IEEE Figura 4. Rede Mesh Figura 5. Topologias ZigBee pair, star, mesh e cluster tree Figura 6. Módulos XBee ZigBee Figura 7. Módulos XBee e XBee-PRO Figura 8. Sistema de interface de fluxo de dados em uma interface UART Figura 9. Estrutura do pacote API Figura 10. Modos de Operação Figura 11. Algumas opções de avaliação híbrida Figura 12. Esquema de uma célula eletrolítica Figura 13. XBee-PRO ZB S2 com conector RPSMA Figura 14. Parreiral utilizado nos testes Figura 15. Trocas de pacotes Figura 16. Experimentação para intensidade do sinal e perda de pacotes Figura 17. Variação do ângulo entre os módulos dentro da plantação Figura 18. Configuração experimental para medição do consumo de energia Figura 19. RSSI em função da variação da distância entre os módulos em campo aberto Figura 20. Comparação entre os resultados de RSSI obtidos experimentalmente e com os modelos matemáticos Figura 21. RSSI em função da variação da distância entre os módulos em linha reta e em diagonal Figura 22. Comparação entre os resultados de RSSI obtidos na técnica de experimentação e modelos matemáticos Figura 23. Percentual de pacotes retransmitidos em linha visada e diagonal Figura 24. Correntes de operação obtidas experimentalmente Figura 25. Comparação entre os resultados obtidos pelo programa (esquerda) e por Schneider (2011) (direita)... 57

9 Figura 26. Capacidade remanescente da bateria para tempo de simulação de 1 hora Figura 27. Programa para coleta dos dados de RSSI e PP Figura 28. Caixas de proteção dos Módulos XBee

10 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Algumas especificações dos Módulos XBee/XBee-PRO ZB Tabela 2. Altura dos módulos para R e R1 da Zona de Fresnel para as distâncias de 1 a 400 m Tabela 3. Parâmetros utilizados no Modelo Friis Tabela 4. Parâmetros utilizados no Modelo log-normal Tabela 5. Correntes de operação dos módulos XBee-PRO S Tabela 6. Tempo (em ms) dos modos de operação Tabela 7. Parâmetros da simulação apresentado por Schneider (2011)

11 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Motivação Objetivos Objetivo Geral Objetivos Específicos Contribuições Organização do Documento REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Agricultura Irrigada Redes de Sensores Sem Fio Áreas de Aplicação Características Transmissão de Dados Modelos de Propagação de Ondas de Rádio Rede de Sensores Sem Fio Aplicada à Agricultura de Precisão O Padrão ZigBee Características do Padrão ZigBee Componentes da Rede Topologias Módulos XBee Análise de Desempenho Técnicas de Avaliação Definições Básicas Baterias Propriedades das Baterias... 36

12 Modelo Rakhmatov-Vrudhula Análise Estatística Trabalhos Relacionados MATERIAIS E MÉTODOS Metodologia de Avaliação Técnicas de Avaliação do Desempenho RESULTADOS E DISCUSSÕES Avaliação da RSSF em Campo Aberto Avaliação da RSSF na Plantação Avaliação do Consumo de Energia Definição dos Parâmetros Implementação do modelo Rakhmatov-Vrudhula Tempo de Vida das Baterias Material Desenvolvido Programas Preparação dos Módulos Dificuldades Encontradas CONCLUSÕES TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS APÊNDICE A... 67

13 13 1. INTRODUÇÃO 1.1. Motivação A prática da irrigação tem sido muito importante para garantir o abastecimento de produtos agrícolas. A produção de alimentos está cada vez mais depende da agricultura irrigada. Essa dependência ocorre devido aos benefícios obtidos com a irrigação, tais como: melhoria no desempenho financeiro de empreendimentos agrícolas e do padrão de vida de comunidades rurais, possibilitando a expansão da fronteira agrícola e diminuição do risco envolvido na atividade agrícola. Entretanto, a agricultura irrigada utiliza grande quantidade de água comparativamente a outros usos (consumo urbano, industrial, dentre outros), gerando um problema na conservação dos recursos hídricos (JUNIOR, 2012). Benavente (2010) e Roccia (2011) apresentam vários estudos sobre o uso de Redes de sensores Sem Fio (RSSF) para monitorar variáveis ambientais de cultivos agrícolas. Nós sensores são colocados em diversos pontos da plantação para coletar dados de interesse, como temperatura, umidade do ar, umidade do solo e direção do vento. Em plantações irrigadas, as RSSF podem ser utilizadas tanto para garantir uma melhor utilização de água, diminuindo seu desperdício, como para aumento da produção e qualidade dos produtos. Porém, as RSSF utilizam ondas eletromagnéticas para transmitirem informações, os que as tornam sujeitas às mais diversas falhas. Segundo Rappaport (2009), essas ondas trafegam por vários caminhos devido a múltiplas reflexões de vários objetos e a interação entre elas causa uma distorção de caminhos múltiplos em um local específico. Para Jacinto (2012) características do meio, como obstáculos e umidade, contribuem para a irregularidade da propagação de sinais pelo ar, contribuindo para uma dependência direta da potência recebida e das características do meio. De acordo com Marcari (2002), sistemas computacionais com desempenho ruim implicam na necessidade de mais tempo ou máquinas mais potentes para resolver problemas. O desempenho de sistemas computacionais é um item fundamental para os profissionais das mais diversas áreas do conhecimento e

14 14 tem como objetivo buscar uma melhor utilização de recursos e uma diminuição dos custos. A análise do desempenho da RSSF aplicada em plantações irrigadas pode mostrar limitações da rede e a melhor forma de configuração, alcançando assim um melhor desempenho e um ponto ótimo na utilização dos recursos da rede Objetivos Objetivo Geral Como RSSF s aplicadas na agricultura podem apresentar uma diminuição na qualidade do sinal transmitido devido à presença de obstáculos e umidade do ambiente, o principal objetivo deste trabalho é avaliar o desempenho de uma RSSF aplicada na agricultura irrigada em termos de: Alcance do sinal em presença de obstáculos, no caso a plantação; Perdas de pacote; Consumo de energia Objetivos Específicos Buscando alcançar o objetivo geral deste trabalho, traçam-se os seguintes Objetivos específicos: Realizar uma revisão bibliográfica do estado da arte do padrão ZigBee e dispositivos XBee; Implementar os modelos analíticos escolhidos na ferramenta computacional Matlab; Construir uma plataforma para realização de experimentos para análise do desempenho de RSSFs aplicadas à agricultura irrigada; Desenvolver programas computacionais para monitoramentos de RSSI (Radio Signal Strength Indicator), Perda de Pacotes e consumo de energia.

15 Contribuições As principais contribuições deste trabalho são: Apresentar aspectos, como distância entre os nós dentro da rede e tempo de vida de baterias, que devem ser considerados pelos projetistas para implantação de RSSF s em plantações irrigadas; Avaliação do comportamento da rede sob o ponto de vista das métricas utilizadas Organização do Documento Este trabalho possui cinco capítulos principais e está organizado da seguinte forma: o capítulo 2 apresenta uma introdução sobre agricultura irrigada, rede de sensores sem fio, o padrão ZigBee e análise de desempenho. O capítulo 3 contém a metodologia utilizada para avaliação da RSSF, define como foram feitas a simulação computacional e coleta das métricas estabelecidas, mostrando também os principais materiais utilizados no trabalho. O capítulo 4 aborda os resultados obtidos na análise de desempenho da RSSF. Por fim, no capítulo 5, são apresentadas as conclusões.

16 16 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. Agricultura Irrigada Várias regiões do planeta sofrem cada vez mais com a escassez de água, principalmente de boa qualidade para o consumo humano. As principais causas dessa escassez são a falta de chuva em lugares de clima seco e a má utilização dos recursos hídricos. No Brasil, a região Nordeste é mais afetada pela falta de água, devido ao clima seco durante grande parte do ano e políticas públicas ineficientes de combate à seca. Outro problema enfrentado atualmente é o crescimento acelerado da população mundial, que fez surgir a necessidade de aumentar a produção de alimento e melhorar as técnicas de produção para atender a essa demanda. Para Krahl (2010), dentre os recursos tecnológicos disponíveis atualmente, as técnicas de irrigação utilizadas de forma racional são elementos importantes na diversificação agrícola, além de possibilitarem colheitas fora de época, melhoria da qualidade e um maior volume de produção. De acordo com o Censo 2006 do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IBGE (2006), 6,3% dos estabelecimentos do país declararam utilizar irrigação em suas lavouras, num total de 4,45 milhões de hectares, em lavouras temporárias e permanentes. Atualmente as redes de sensores sem fio são utilizadas para permitir a aquisição de dados de forma contínua no campo, estando disponível ao usuário para tomada de decisões. Na agricultura temos uma grande variedade de tipos de dados a serem coletados, sensores a serem usados e a forma de utilização dos resultados (SILVA, 2009) e (ROCCIA, 2011) Redes de Sensores Sem Fio Uma RSSF é uma tecnologia que utiliza a comunicação sem fio para monitorar e controlar variáveis ambientais através de nós equipados com sensores, organizados de acordo com várias topologias de rede. As redes geralmente são

17 17 utilizadas em lugares remotos, onde a utilização de comunicação com cabos é inviável. Geralmente, estes nós sensores são pequenos dispositivos constituídos de três componentes básicos (Figura 1): um subsistema para aquisição de dados de variáveis ambientais, um subsistema de processamento e armazenamento local de dados e um subsistema de comunicação sem fio para transmissão e recepção dos dados. Além disso, dispõe de uma bateria como fonte de energia necessária para realizar suas tarefas (SOUSA, 2009) e (RIVERO, 2011). Figura 1. Subsistemas do Dispositivo Final Áreas de Aplicação Com o aumento da demanda por tecnologias mais eficientes e baratas, atualmente as RSSF são aplicadas em diversas áreas, como mostradas a seguir (LOUREIRO, 2003): Controle. Através de mecanismos de controle. Por exemplo, sensores sem fio podem ser embutidos em peças numa linha de montagem para fazer testes no processo de manufatura. Ambiente. Para monitorar variáveis internas em ambientes como florestas e residências. Tráfego. Para monitorar, através dos sensores, tráfego de veículos em rodovias e malhas viárias urbanas. Segurança. Para prover algum tipo de segurança em centros comerciais, estacionamentos, dentre outros.

18 18 Medicina/Biologia. Para monitorar o funcionamento de órgãos, detectar a presença de substâncias que indicam a presença ou surgimento de um problema biológico. Militar. Para detectar movimentos inimigos, explosões, a presença de material perigoso como gás venenoso ou radiação Características As características das RSSFs dependem da área em que são aplicadas. Loureiro (2003) e Sousa (2009) apresentam as seguintes características das RSSFs: Endereçamento dos sensores ou nodos. Os nós sensores podem ser endereçados unicamente ou não, isso dependerá da área de aplicação. Agregação dos dados. Está relacionado com a capacidade de uma RSSF agregar ou sumarizar dados coletados pelos sensores antes de enviar à base. Mobilidade dos sensores. Os nós sensores podem se mover dentro do sistema em que estão coletando os dados. Por exemplo, sensores colocados em uma plantação para coletar dados de umidade são tipicamente estáticos, enquanto sensores colocados na superfície de um oceano para medir o nível de poluição da água são móveis. Quantidade de sensores. Em aplicações ambientais tais como monitoramento em oceanos e florestas, as redes podem chegar a conter de 10 a 100 mil sensores. Limitação da energia disponível. Nas aplicações que utilizam RSSF, os nós são colocados geralmente em lugares remotos e utilizam baterias como fonte de energia. Nesse contexto, um dos pontos mais importante nos projetos de RSSF é a sua vida útil, que depende do uso eficiente da energia disponível em suas baterias. Tarefas colaborativas. Mais do que prover um mecanismo de comunicação sem fio, o objetivo principal de uma RSSF é executar tarefas de forma colaborativa. Capacidade de responder a consultas. Um nó individual ou um conjunto de nós podem realizar uma consulta sobre uma determinada informação que esteja

19 em outra região da RSSF. Para isso, pode ser realizada uma requisição aos nós daquela região que monitoram essa informação Transmissão de Dados Segundo Silva (2008), a transmissão de dados em RSSF é orientada a aplicação. Isso significa que dependendo das características da aplicação, a transmissão dos dados pode ser classificada em quatro categorias: Contínuo: Para o intervalo de comunicação contínuo, informações são enviadas periodicamente para o coordenador. Dirigido a evento: dependentes da ocorrência de anormalidades na rede. Dirigido à requisição: dependentes da ocorrência de anormalidades nas requisições do coordenador. Híbrido: O intervalo de comunicação híbrido utiliza uma combinação das 3 técnicas anteriores. A transmissão de dados sem fio é a principal fonte de consumo de energia em uma RSSF Modelos de Propagação de Ondas de Rádio Atualmente existem vários modelos matemáticos com objetivo de prever a intensidade média do sinal de transmissão sem fio entre dois dispositivos de uma rede. Para Rappaport (2009) estes modelos são úteis na estimativa da área de cobertura de rádio de um transmissor e são chamados de modelos de propagação em larga escala, pois caracterizam a intensidade do sinal para grandes distâncias de separação entre transmissor-receptor (T-R). A seguir são apresentados os modelos Propagação de Espaço Livre (Friis) e log-normal Modelo de Propagação de Espaço Livre (Friis) O Modelo Friis quantifica o RSSI recebido pelo receptor em redes de sensores sem fio, na qual não há obstáculos entre transmissor e receptor. Esse

20 modelo é representado pela expressão (CARVALHO, 2012 apud CHO et al, 2010), (RAPPAPORT, 2009) e (CAPRILE, 2009): 20, Equação 1 Onde, - é a potência medida no receptor (em watts); - corresponde à potência do transmissor (em I); - comprimento de onda da frequência de operação (em metros); d - distância entre transmissor e receptor; L - fator de perdas do sistema (que é independente do ambiente de propagação) Modelo de Propagação log-normal O modelo log-normal descreve os efeitos aleatórios de sombreamento que ocorrem em um grande número de locais medidos que possuem a mesma separação Tansmissor-Receptor. Esse modelo é útil para lidar com situações mais realistas (RAPPAPORT, 2009): Equação 2 Onde, P(d 0 ) é a potência no receptor em função de uma distância de referência d 0 ; n é um expoente de perda de propagação que varia com o meio; X σ é uma variável aleatória com distribuição gaussiana de média zero (em db) com desvio-padão σ (também em db) Zona de Fresnel Especificamente, a perda de potência do canal depende do contato entre a zona de Fresnel e o solo. A zona de Fresnel para um feixe de rádio é uma área de

21 21 elipse com focos localizados no transmissor e no receptor. Os objetos na zona de Fresnel causam difração e, consequentemente, reduzem a energia do sinal. A maior parte da energia de ondas de rádio está dentro da primeira zona de Fresnel. Assim, se esta parte interna contata o solo (ou outros objetos), a perda de energia é significativa. A Figura 2, R1 denota a altura da primeira zona de Fresnel. R1 é altamente dependente da distância entre nós sensores (ANASTASIA, 2004), (RAPPAPORT, 2009) e (CAPRILE, 2009). Figura 2. Zona Fresnel. Fonte: Modificado de Anastasi et al (2004) Os dispositivos da rede devem ficar a uma altura R metros do solo, onde R é dado por (BENAVENTE, 2010 apud STALLINGS, 2005):, Equação 3 Podemos garantir uma redução da atenuação do RSSI, garantindo pelo menos R1 de fique livre de interferência. Sendo: λ = Comprimento de onda; d = distância entre os módulos (m) Rede de Sensores Sem Fio Aplicada à Agricultura de Precisão Nos últimos anos, novas tendências surgiram no sector agrícola. Devido à evolução no domínio das redes de sensores sem fio, bem como à miniaturização

22 22 das placas de sensores, a agricultura de precisão começou a emergir. Agricultura de precisão concentra-se em fornecer meios para observar, avaliar e controlar as práticas agrícolas. Uma faceta da agricultura de precisão se concentra em locais específicos de manejo. Isso abrange diferentes aspectos, como o monitoramento da cultura, do solo e do clima em um campo (BAGGIO, 2005) O Padrão ZigBee Nos últimos anos, diversas tecnologias e padrões de comunicação sem fio foram desenvolvidos para as mais diversas aplicações, como agricultura, aeroespacial e industrial. Alguns padrões de comunicação sem fio, como WiFi, Bluetooth e WiMAX, são muito utilizados atualmente (SOUSA, 2009), (GISLASON, 2008) e (FALUDI, 2010). Um padrão criado recentemente e cada vez mais utilizado é o ZigBee IEEE , desenvolvido pela Alliance ZigBee em conjunto com a IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Engineers). A Alliance ZigBee foi fundada em 2002 por empresas, universidades e agências governamentais, com a finalidade de criar uma tecnologia capaz de atender às necessidades de baixo custo de sensores sem fio, consumo de energia e redes de controle (ALLIANCE, 2012), (GISLASON, 2008) e (RIVERO, 2011). O padrão ZigBee é uma evolução do padrão IEEE , possuindo também as camadas de rede e segurança, uma estrutura de aplicativos além de criptografia AES de 128 bits (Figura 3). Segundo Casilari et al (2010), a principal atração (e também o principal desafio) do padrão IEEE /ZigBee é a sua potencialidade para criar redes auto-organizáveis capazes de se adaptar às diversas topologias, conectividades de nós e as condições de tráfego. Além disso, o padrão contempla a possibilidade de ser utilizado em situações onde os dados precisam ser transmitidos em tempo real.

23 23 Figura 3. Camadas ZigBee e IEEE Fonte: Rivero (2011) Características do Padrão ZigBee O padrão ZigBee é utilizado para aplicações que requerem baixa transmissão de dados. Sua forma de endereçamento permite criar redes com mais de nós, podendo aumentar ainda mais esse número conectando duas ou mais redes via nós coordenadores (DIGI, 2012) e (SOUSA, 2009). Um componente fundamental do protocolo ZigBee é a capacidade para suportar rede mesh (Figura 4), na qual nós são interligados para possibilitar múltiplos caminhos de conexão, atualizados dinamicamente e otimizados através de sofisticados algoritmos e tabela de roteamento interno. Isto permite que nós possam ser removidos ou adicionados de modo rápido (DIGI, 2012a). Figura 4. Rede Mesh. Fonte: Digi (2012a)

24 24 O padrão ZigBee opera em faixas de frequência que geralmente não são licenciadas em todo o mundo: 2.4 GHz (global), 915 MHz (Estados Unidos) e 868 MHz (Europa), não sendo necessário adquirir licença para a operacionalização de suas redes. Taxas de transmissão de 250 Kbps podem ser alcançadas a 2.4 GHz (16 canais), 40 Kbps em 915 MHz (10 canais) e 20 Kbps em 868 MHz (1 canal). As distâncias de transmissão podem chegar até 3,6 km, dependendo da potência e características ambientais (ALLIANCE, 2012) e (RIVERO, 2011). As características abaixo são apresentadas em Digi (2012a): Suporte para várias topologias de rede, como ponto-a-ponto ponto-multiponto e redes mesh. Low duty cycle (Ciclo de funcionamento baixo) - oferece bateria de longa duração. Baixa latência. Até nós por rede. 128-bit AES Advanced Encryption Standard (Padrão avançado de Criptografia) para conexões de dados seguras. Anticolisão, tentativas e reconhecimentos Componentes da Rede Os nós de uma RSSF podem ser classificados de acordo com o conjunto de instruções implementadas (funções complexas ou funções reduzidas) ou de acordo com o papel que desempenham dentro da rede - coordinator (coordenador), router (roteador) ou end device (Dispositivo final) Conjunto de Instruções Implementadas Muitas vantagens possíveis de empregar o padrão ZigBee são fortemente determinadas pela configuração da subcamada de Controle de Acesso ao Meio (MAC Media Access Control). Neste sentido, o padrão distingue duas classes de nós: os chamados Full-Function Devices FFD (Dispositivos de funções completas) e os Reduced-Function Devices RFD (Dispositivos de funções reduzidas). FFD estão habilitados para atuar na rede como coordenadores. Nesse caso, FFDs são

25 25 responsáveis pelas comunicações de um conjunto (ou cluster ) de nós (os nós filhos ), seguindo uma topologia em estrela. Por outro lado, o papel dos RFD (que é reservada para dispositivos muito simples com recursos limitados) só permite a comunicação (como nós fim ) com apenas um FFD atuando como coordenador (CASILARI et al, 2010) e (RIVERO, 2011) Papel que Desempenham dentro da Rede O padrão ZigBee funciona de forma análoga a um time de futebol, onde existem vários tipos de jogadores como lateral, zagueiro, armador e atacante, porém eles podem exercer vários tipos de funções, como por exemplo, um armador pode jogar como atacante. Assim como em um time de futebol, os dispositivos de uma rede ZigBee são classificados de acordo com sua função (coordenador, Roteador e Dispositivo Final), podendo também exercer múltiplas funções. Em Faludi (2010) e Caprile (2009) encontramos as seguintes definições para cada função: Coordenador. Em uma rede existe apenas um coordenador e ele é responsável pela formação da rede, distribuição dos endereços, e gerenciar outras funções que definem a rede. Roteador. Age como mensageiro para comunicação entre dispositivos que estão muito longe um do outro, servindo como uma ponte para troca de informação. Também envia e recebe informações de rota. Dispositivo Final. Coletam informações sobre variáveis do ambiente e as transmitem para o coordenador através dos roteadores. Podem aderir às redes, enviar e receber informações. Uma rede pode conter vários dispositivos finais Topologias Os nós de uma rede ZigBee podem assumir várias tipos de topologias, que indicam como os nós da rede são logicamente ligados uns aos outros. Existem quatro principais tipos de topologias, como mostrado na Figura 5 (FALUDI, 2010) e (RIVERO, 2011).

26 26 Figura 5. Topologias ZigBee pair, star, mesh e cluster tree. Fonte: Faludi (2010) Pair (par). É a forma mais simples de uma rede com apenas dois nós. Um nó deve ser configurado como coordenador, de modo que a rede possa ser formada, e o outro pode ser configurado como um roteador ou um dispositivo final. Star (estrela). Um arranjo também muito simples. O coordenador encontra-se no centro da rede e se conecta a um círculo de dispositivos finais. Toda mensagem deve passar pelo coordenador, que as encaminha para o dispositivo destinatário. Nesse caso, os dispositivos finais não se comunicam entre si diretamente. Cluster Tree (árvore). Esta é uma topologia de rede, onde os roteadores formam a parte que dá estrutura à rede. Os dispositivos finais são agrupados em torno dos roteadores. A topologia árvore não é muito diferente da mesh. Apresenta alcance maior que as duas topologias apresentadas anteriormente. Mesh (Malha). A topologia em malha, além de empregar o coordenador, que faz o gerenciamento da rede, emprega também roteadores. Vários dispositivos finais podem ser ligados aos roteadores ou ao coordenador. Eles podem enviar e receber informação, porém é necessária a ajuda de roteadores ou do coordenador para trocar mensagens entre si. Apresenta longo alcance e maior flexibilidade.

27 Módulos XBee Com a consolidação do padrão ZigBee IEEE , várias empresas desenvolveram seus produtos baseados nele. Uma dessas empresas, a DIGI, desenvolveu os módulos XBee (Figura 6) compatível com os módulos de outras empresas que utilizem o padrão. Figura 6. Módulos XBee ZigBee. Uma das principais características das redes ZigBee é o baixo consumo de energia, importante em várias aplicações, pois muitas delas são remotas e utilizam baterias. Para isso, quando o módulo XBee está com pouca atividade, gerando pouco processamento, um modo de operação sleep (dormir) é ativado para permitir um consumo mínimo de energia. Há várias combinações de hardware para os módulos XBee, porém existem duas variedades básicas, como mostrado na Figura 7. Figura 7. Módulos XBee e XBee-PRO. Fonte: Falude (2010)

28 XBee. Este módulo é baseado em padrões ponto-a-ponto de comunicação e redes mesh. Possui maior popularidade pela sua simplicidade e é utilizado em aplicações simples. XBee-PRO. Supera o XBee em poder computacional, tamanho e custo. Baseada em padrões de redes mesh, a principal topologia utilizadas em redes de sensores. Projetado para redes maiores de sensores, esse módulo é essencial para interações fortes com as normas baseadas em sistemas ZigBee. Tabela 1. Algumas especificações dos Módulos XBee/XBee-PRO ZB. Especificação XBEE XBEE-PRO (S2) XBee-PRO (S2B) Performance Ambiente Interno Ambiente aberto Taxa de dados RF Sensibilidade do receptor Requisitos de Alimentação Tensão de alimentação Corrente de Operação (Transmit, potência máxima de saída) Corrente de operação (Receive) Até 40 m Até 120 m Até 90 m ou até 60 m variante internacional Até m ou até m variante internacional 28 Até 90 m ou até 60 m variante internacional Até ou até m variante internacional bps bps bps -96 dbm, modo boost ativado, -95 dbm, modo boost desativado -102 dbm -102 dbm 2,1 3,6 V 3,0 3,4 V 2,7 3,6 V 40 ma (~3,3 V, modo boost ativado) 35 ma (~3,3 V, modo boost desativado) 40 ma (~3,3 V, modo boost ativado) 38 ma (~3,3 V, modo boost desativado) 45 ma (~3,3 V) 47 ma, até 62 ma com variante 295 ma (~3,3 V) 170 ma (~3,3 V) variante internacional 40 ma (~3,3 V, modo boost ativado) 38 ma (~ 3,3 V, modo boost desativado) 45 ma (~3,3 V) 47 ma, até 62 ma com variante 205 ma, até 220 ma com variante programável (~3,3 V) 217 ma, até 232 ma com variante programável (~3,3 V), variante internacional 40 ma (~3.3 V, modo boost ativado) 38mA (~3,3 V, modo boost desativado) 45 ma (~3,3 V) 47 ma, até 62 ma com variante

29 29 Corrente de Idle (Receptor off) Corrente de baixo consumo Geral Frequência de operação Rede Topologias de redes compatíveis programável (~3,3 V) programável (~3,3 V) programável (~3,3 15 ma 15 ma 15 ma < 1 µa a ~25 ºC 3,5 µa a ~ 25 ºC 3,5 µa a ~25 ºC ISM 2,4 GHz ISM 2,4 GHz ISM 2,4 GHz Point-to-point, Pointto-multipoint, Peerto-peer e Mesh Point-to-point, Pointto-multipoint, Peerto-peer e Mesh Fonte: Digi (2010) V) Point-to-point, Pointto-multipoint, Peerto-peer e Mesh Através de comunicação serial (UART- Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), os módulos XBee podem comunicar-se assincronamente com outros dispositivos, como computadores e microcontroladores (Figura 8). Por meio de sua porta serial, o módulo pode se comunicar com qualquer lógica e tensão compatível UART, ou através de um tradutor de nível para qualquer dispositivo serial (como por exemplo: RS232 ou Interface USB) (DIGI, 2012c). Figura 8. Sistema de interface de fluxo de dados em uma interface UART. Fonte: Digi (2010) Modos de Comando Para modificar ou ler parâmetros de RF do módulo, ele deve inicialmente entrar em modo de comando um estado em que os caracteres de entrada são interpretados como comandos. Duas opções de modo de comando, AT Transparent Mode (Modo Transparente) e API - Application Programming Interface (Interface de Programação de Aplicação) (DIGI, 2010).

30 Modo AT É o modo de operação mais simples de configuração, onde o XBee opera apenas como um transmissor sem fio. Todos os dados que chegam pelo pino de entrada da UART são transmitidos através da antena, e todos os pacotes que chegam através da antena são transmitidos pela UART sem nenhuma alteração. Atualmente é o mais utilizado, pois é mais simples que o modo API. Para FALUDI (2010), este é o estado padrão para módulos XBee usando o modo AT. Chama-se transparente porque um módulo simplesmente passa as informações exatamente como ele recebeu. O modo AT é usado para enviar dados através do XBee a um módulo de destino remoto. Quando os dados são recebidos, os mesmos são enviados através da porta serial exatamente como foram recebidos Modo API O modo API (Application Programming Interface) é uma alternativa ao modo AT. Os dados transmitidos através do modo API estão contidos em frames (pacotes) que definem operações ou eventos dentro dos módulos XBee. Este modo apresenta meios alternativos de configurar os módulos e roteamento dos dados na camada de aplicativo host. O modo API especifica comandos, respostas de comandos e mensagens de status do módulo, onde todos são enviados e recebidos a partir do módulo, usando um data frame UART (DIGI, 2010). Um pacote API contém quatro partes principais, como mostra a Figura 9 (DIGI, 2010) e (RIVERO, 2011): Figura 9. Estrutura do pacote API. Fonte: Digi (2010)

31 31 Start Delimiter: Byte que indica o início do pacote. Length: Dois bytes que indicam o tamanho do campo de dados. Frame data: parte que contém as informações desejadas, como por exemplo, dados coletados pelos sensores. O quadro cmdid (identificador-api) indica qual mensagem API está contida no quadro cmddata (contém dados específicos da mensagem). Checksum: utilizado para verificar a integridade dos dados contidos na mensagem. Este modo de operação apresenta uma complexidade maior do que o modo AT, porém vários estudos estão sendo realizados no desenvolvimento de bibliotecas para facilitar seu uso Modos de Operação O XBee apresenta cinco modos de operação: idle (ocioso), transmit (transmitir), receive (receber), sleep (dormir) e command (comando) (Figura 10). Para Rivero (2011) o modo idle indica que o módulo está ocioso, esperando para entrar em outro modo de operação. Os modos transmit e receive indicam que o módulo está, respectivamente, transmitindo e enviando dados através de RF. O modo sleep é ativado quando o módulo entra em estado de baixo consumo de energia. O modo command é ativado para permitir a execução de comandos enviados aos módulos, tais como ler ou modificar os parâmetros dos módulos. Figura 10. Modos de Operação Fonte: Digi (2010)

32 Análise de Desempenho Análise de desempenho é uma metodologia que permite obter a melhor combinação entre custo e desempenho de um sistema. Segundo Johnson (2011), ela faz uso de técnicas quantitativas e qualitativas para a avaliação de um sistema. Atualmente diversos sistemas computacionais são desenvolvidos para as mais diversas aplicações e, além de funcionarem de forma correta, devem apresentar bom desempenho Técnicas de Avaliação Existem três técnicas de avaliação de desempenho de sistemas: modelagem, simulação e medição. Segundo Johnson (2011), tais técnicas podem ser combinadas para formar modelos híbridos e garantir uma maior confiança nos resultados da avaliação Modelagem Para Menascé (2004) e Johnson (2011), uma das principais vantagens dos modelos é a abstração do sistema através da simplificação, deixando de fora detalhes de baixo nível que não são importantes para a caracterização do desempenho de alto nível. Isso faz com que a modelagem seja a mais simples das técnicas de avaliação. Os níveis de detalhes dependem do propósito da análise. Geralmente, são utilizados três tipos de modelos para medir e representar o desempenho de um sistema: o modelo com sistemas reais, a utilização de métodos analíticos e a simulação computacional. Os modelos reais apresentam uma visão mais ampla do sistema e permitem uma análise real do mesmo. Por outro lado, apresentam um maior custo e maior tempo de implementação. Os modelos analíticos são constituídos de fórmulas matemáticas, apresentando resultados bastante confiáveis, por outro lado, possuem restrições para sistemas complexos com muitas varáveis a serem analisadas. A técnica computacional envolve programas de computadores para representar uma parte, ou todo o sistema real sob análise, sendo suas principais vantagens: a

33 33 modelagem de sistemas complexos estocásticos, facilidade de realização de testes, gerenciamento de recursos, entre outras (ALECRIM, 2009). Já para Menascé (2004) há dois grandes tipos de modelos científicos: simulação e modelos analíticos. Os modelos de simulação são baseados em programas de computadores que emulam os diferentes aspectos dinâmicos do sistema, bem como sua estrutura estática. Já os modelos analíticos são baseados em fórmulas matemáticas e/ou algoritmos computacionais que fornecem os valores das medidas de desempenho desejadas como uma função do conjunto de parâmetros de carga de trabalho de entrada Simulação A técnica mais utilizada em sistemas computacionais é a simulação, isso se deve a sua facilidade de entendimento e uso. Existem diversos simuladores que já foram avaliados pela comunidade científica ou profissionais e certificados de seu funcionamento correto (JOHNSON, 2011). Alecrim (2009) apresenta uma ferramenta computacional chamada OPNET, um software de simulação de propósito genérico com interface com o usuário. Seu principal foco é a simulação de redes em diversos ambientes, tais como: LAN - Local Area Network (Rede de Área Local), WLAN - Wireless Local Area Network (Redes Locais Sem Fio), WAN - Wide Area Network (Rede de Grande Área), ATM - Asynchronous Transfer Mode (Modo de Transferência Assíncrona) e FDDI - Fiber Distributed Data Interface (Interface de dados distribuídos por fibra) Experimentação ou Aferição Através da Experimentação ou aferição é possível avaliar o desempenho dos sistemas em um dado momento, usando a carga de trabalho atual. Pode-se realizar uma análise através da experimentação ou aferição utilizando benchmarking, que são ferramentas capazes de analisar e comparar o desempenho de sistemas específicos através de um conjunto de funções daquela aplicação (JOHNSON, 2011).

34 Híbrido Em certos casos, utilizar apenas uma técnica de avaliação não é suficiente para estudar o comportamento de um sistema. Demais técnicas podem ser combinadas a fim de obter resultados mais satisfatórios (Figura 11). Segundo Johnson (2011), o uso do modelo híbrido para sistemas ainda incompletos pode ser bastante útil nos casos em que é necessário estudar o comportamento de um sistema existente, mas que necessita ainda da construção de algumas partes. Figura 11. Algumas opções de avaliação híbrida. Fonte: Johnson (2011) Definições Básicas A seguir são apresentadas algumas noções básicas necessárias ao entendimento das técnicas de análise de desempenho Métricas Métricas são parâmetros utilizados para quantificar o desempenho de um sistema, por exemplo, o tempo de atendimento a uma requisição em um banco de dados. Geralmente, várias métricas são utilizadas para comparar vários cenários. Para o estudo de avaliação de desempenho as métricas devem ser primeiramente definidas, sendo que o tipo das métricas depende de qual sistema está sendo avaliado (JOHNSON, 2011). Exemplos de algumas métricas utilizadas: Utilização - sendo a taxa de utilização de recurso;

35 35 Vazão (ou throughput) - é número de pedidos atendidos por unidade de tempo; Tempo de resposta - tempo decorrido entre a solicitação do pedido e resposta a tal pedido pelo sistema Parâmetros Feita a escolha das métricas, deve-se selecionar os parâmetros que serão variados durante o estudo do desempenho. Esses parâmetros escolhidos devem ter relação com as métricas utilizadas, pois afetam de alguma forma as métricas Carga de Trabalho É a quantidade de trabalho o sistema deve atender em um determinado período de tempo, como por exemplo, requisições de usuários de um banco de dados. Para Johnson (2011), a escolha da carga de trabalho correta é fundamental para garantir que os resultados sejam aceitos. A escolha inadequada de uma carga de trabalho, tanto qualitativamente quanto quantitativamente, pode levar o estudo de desempenho a ser considerado inaceitável ou incorreto Baterias As baterias são componentes essenciais em várias aplicações, pois permitem a mobilidade de dispositivos como celulares e notebooks. Para Schneider (2011), uma bateria é composta por uma ou mais células eletroquímicas, ligadas em série, em paralelo ou de uma combinação de ambas. Nestas células, a energia química armazenada é convertida em energia elétrica através de reações eletroquímicas. Segundo Rakhmatov e Vrudhula (2003), a bateria é constituída por um eletrodo positivo (cátodo) e eletrodo negativo (ânodo), que estão separados por um eletrólito (Figura 12). Durante a fase de descarga, o ânodo liberta elétrons para o circuito externo e o cátodo aceita elétrons do circuito. Os processos químicos são revertidos durante a fase de carregamento.

36 36 Figura 12. Esquema de uma célula eletrolítica. Fonte: Schneider (2011) Propriedades das Baterias Uma bateria possui duas importantes propriedades, que são: (i) a tensão, medida em volts (V); e (ii) a capacidade, geralmente medida em ampère-hora (Ah). O produto destas duas grandezas fornece a quantidade de energia armazenada na bateria em watts. Teoricamente, uma bateria de 100 Ah é projetada para fornecer 5 A por 20 horas, ou então, 100 A durante 1 hora. Entretanto, na prática, geralmente, a corrente de descarga não é constante no tempo, ou seja, as operações de descarga têm características não-lineares, que influenciam diretamente no tempo de vida da bateria (SCHNEIDER, 2011) Modelo Rakhmatov-Vrudhula Os modelos analíticos descrevem baterias de forma abstrata, assim como os modelos estocásticos. As principais propriedades de uma bateria são modeladas utilizando um conjunto de equações. Há vários modelos analíticos para descarga de baterias, porém apenas alguns desses modelos consideram as características não lineares que ocorrem durante a descarga da bateria (SCHNEIDER, 2011). Um desses modelos é o Rakhmatov-Vrudhula (2003), capaz de prever com boa precisão o tempo de vida de baterias. Esse modelo considera os efeitos não-lineares que ocorrem durante a carga e descarga, que afetam significativamente o tempo de vida das baterias. A Equação 4 descreve o impacto do perfil de

37 37 descarga no tempo de vida da bateria. Ele foi originalmente desenvolvido para o cálculo do tempo de vida de uma bateria de íon(s) de lítio alimentada por uma carga constante ou variável (SAUSEN, 2008). Detalhes da modelagem matemática podem ser encontrados em Rakhmatov e Vrudhula (2003). Equação 4 Onde Onde Ik-1 é a corrente de descarga durante o período k-1. A função A calcula o impacto do comportamento não linear da descarga da bateria, sendo L o tempo de vida da bateria, tk o tempo de duração do período k, tk-1 é o tempo de duração para o período k-1, α está relacionado com a capacidade da bateria e β está relacionado ao comportamento não linear da bateria durante os períodos de carga e descarga (SAUSEN, 2008) Análise Estatística Para que as conclusões obtidas a partir de uma amostra tenham um bom nível de confiança, essa amostra deve representar o sistema estudado. Quanto maior for a amostra, melhor será sua representatividade, porém amostras muito grandes requerem maiores esforços e recursos. JAIN (1991) e FILHO (2008) apresentam uma análise para encontrar o menor tamanho de amostra que irá proporcionar a confiança desejada. A equação a seguir determina o tamanho mínimo da amostra:

38 38 Equação 5 Onde: Z: Nível de Confiança; σ: média amostral; E 0 : erro amostral tolerável arbitrado pelo analista Trabalhos Relacionados Como o domínio deste trabalho está relacionado com a análise de desempenho de RSSF aplicada à agricultura irrigada, nesta seção são apresentados os principais trabalhos encontrados sobre análise de desempenho de RSSF. Roccia (2011) realiza um estudo sobre a análise de desempenho de RSSF aplicadas em culturas de eucalipto, pinhão e milho. Neste trabalho foram realizados experimentos sobre as métricas de perda de pacotes, tempo de resposta, consumo de baterias, utilização de largura de banda, consumo de memória e intensidade de rádio no receptor (RSSI). Os resultados mostraram que a distância máxima entre os módulos da rede é de 16 m para cultura de milho, 25,5 m para o cultivo de pinhão e 46 metros para o cultivo de milho. Em Verona (2010), foram realizadas simulações e análises de várias configurações de uma RSSF, visando identificar os parâmetros de configuração com o melhor desempenho, considerando tempo de vida, atraso na entrega e perda de dados nas RSSF s aplicadas no monitoramento das plantações de uva. Os resultados encontrados mostram que a localização AP (Access Point) está diretamente ligada ao consumo de energia, atraso médio e ao número de pacotes perdidos em uma rede de sensores sem fio. Carvalho (2012) realizou um estudo sobre a análise da transmissão sem fio entre dispositivos ZigBee em uma RSSF aplicada à agricultura irrigada. Os experimentos foram realizados em um parreiral, onde foi utilizado RSSI como métrica para avaliar as características de propagação do sinal de radiofrequência. Os resultados experimentais mostram que o comportamento da propagação dos sinais entre os dispositivos ZigBee se aproxima dos modelos teóricos utilizados na

39 literatura e que a rede apresenta uma cobertura de sinal satisfatória para aplicações na agricultura de precisão. 39

40 40 3. MATERIAIS E MÉTODOS A presente seção mostra a metodologia empregada para a realização deste trabalho, bem como os principais materiais utilizados Metodologia de Avaliação A RSSF implementada é composta por dois módulos XBee-PRO ZB S2 com conector RPSMA (Figura 13), desenvolvidos pela Digi (2010), versão do firmware 2x7x e sensibilidade do receptor de -102 dbm. Os módulos foram configurados no modo de comando API utilizando o software X-CTU, programa este projetado para interagir com os arquivos de firmware encontrados em produtos Digi de RF, como os módulos XBee (DIGI, 2012b). Os tipos de pacotes utilizados na transmissão são 0x10, 0x17, 0x97 e 0x8B. Os módulos XBee foram escolhidos devido a sua simplicidade de utilização, custo financeiro e popularidade (FALUDI, 2011). Figura 13. XBee-PRO ZB S2 com conector RPSMA. Para a análise da rede foi utilizada uma combinação de duas técnicas de avaliação, medição experimental e modelagem matemática. As métricas analisadas são intensidade do sinal (em inglês, RSSI Radio Signal Strength Indicator), perda de pacotes e consumo de energia. A aferição das métricas escolhidas foi realizada nos cenários de campo aberto e plantação de uva. Um programa monitor Figura 1foi desenvolvido para coletar os dados e armazená-los no banco de dados.

41 Técnicas de Avaliação do Desempenho Inicialmente, foi realizada a medição experimental, em que foram coletados dados referentes às métricas analisadas nos cenários de plantação de uva e campo aberto. Em seguida, esses dados foram comparados com modelos matemáticos disponíveis na literatura Experimentação Cenários Na técnica de avaliação experimental, os cenários avaliados foram: cenários de campo aberto e plantação de uva. Primeiramente foi analisado o cenário de campo aberto, sem obstáculos entre os módulos, como forma de estabelecer parâmetros de configuração em um local com o mínimo possível de interferência, servindo como referência para a avaliação dos demais cenários. Os experimentos foram realizados na pista do antigo aeroporto da cidade de Ouricuri-PE, com comprimento máximo de m, no horário de 16:00 ás 18:00. Em seguida, os mesmos testes foram realizados em uma plantação de uva (Figura 14), com o objetivo de obter parâmetros de configuração que permitissem um melhor desempenho da RSSF, quando aplicada na agricultura irrigada. Os experimentos foram realizados na fazenda Izabella, localizada no projeto C3, município de Petrolina-PE, no horário de 08:00 ás 14:00 horas. Figura 14. Parreiral utilizado nos testes.

42 Métricas Avaliadas A análise consiste em verificar o comportamento do sistema de acordo com as métricas RSSI, Perda de Pacotes (PP) e Consumo de Energia (CE) pelos módulos. A métrica RSSI consiste em obter a intensidade do sinal entre os módulos em função da distância e, com isso, avaliar as características de propagação do sinal RF (radiofrequência), bem como o alcance da cobertura destes sinais (CARVALHO, 2012). A métrica PP consiste em obter o número de pacotes perdidos em função da distância entre os dois módulos. Com essa métrica, será possível verificar se há muita retransmissão de pacotes. Um grande número de retransmissão de pacotes diminui o desempenho da rede, pois, além do aumento do tempo de aquisição dos dados, aumenta o consumo de energia. Na métrica CE pretende-se obter a corrente de descarga da bateria utilizada pelo módulo XBee em diferentes modos de operação e prever o tempo de descarga das mesma. Como o consumo de bateria é um aspecto fundamental no desempenho de redes de sensores sem fio, essa métrica permitirá a definição de um modelo de análise para prover uma média de tempo de vida de baterias (CASILARI et al, 2010). Intensidade do Sinal e Perda de Pacotes A metodologia utilizada para a análise de RSSI e PP tem como referência o trabalho apresentado por Roccia (2011). Para coletar os dados dessas métricas, foi desenvolvido um programa em Java, utilizando a biblioteca JBee desenvolvida por SOARES e SILVA 1. Essa biblioteca foi desenvolvida utilizando a linguagem de programação Java e tem como objetivo automatizar a montagem dos pacotes API e facilitar a implementação de aplicações que utilizem XBee. Para a métrica RSSI, o pacote 0x17 (Remote Command Request Comando de Requisição Remoto) foi enviado pelo coordenador para o dispositivo final contendo o comando AT DB. Este comando solicita o RSSI entre os dois módulos e o coordenador recebe como resposta o pacote 0x97 (Remote Command 1 SOARES, Sergio Aurélio Ferreira. SILVA, Bruno Sampaio Pinho da (Curso de Engenharia da Computação da Universidade Federal do Vale do São Francisco, Juazeiro-BA). Comunicação Pessoal, 2012.

43 43 Response Comando de Resposta Remoto) contendo os dados do RSSI (Figura 15). Na métrica PP, o pacote 0x10 (ZigBee Transmit Request Requisição de Transmissão) será enviado pelo coordenador, contendo o endereço do Dispositivo Final. Esse pacote faz um pedido de transmissão entre os módulos. Como resposta, o dispositivo final retorna ao coordenador o pacote 0x8B (ZigBee Transmit Status Status de Transmissão), indicando se a conexão foi bem sucedida. Nesse pacote, também está contido o número de tentativas de retransmissão. Mais detalhes sobre os tipos de pacotes podem ser encontrados em DIGI (2010). Figura 15. Trocas de pacotes. Em ambas as métricas, no início da coleta os dois módulos foram dispostos com distância de 1 m, menor número inteiro próximo de zero, pois no modelo log-normal essa distância inicial será d 0, não podendo ser zero. A rede foi iniciada e monitorada para coletar a quantidade de dados necessária. A partir disso, o dispositivo final foi afastado a cada 50 m em campo aberto e 25 m na plantação, em relação ao coordenador, que permanecerá fixo durante todo o experimento. Foram escolhidas distancias maiores às apresentadas em outros trabalhos devido a um maior alcance esperado na transmissão entre os módulos, proporcionado pelo ganho da antena. O dispositivo final permanecerá em cada nova posição por tempo necessário para o programa de monitoramento coletar a quantidade de dados de acordo com a Equação 5. Tal procedimento foi repetido até alcançar uma distância em que a comunicação seja interrompida (Roccia, 2011). A figura a seguir ilustra os passos acima descritos.

44 44 Figura 16. Experimentação para intensidade do sinal e perda de pacotes. Foram realizados cinco experimentos em cada cenário, campo aberto e plantação de uva, com 100 amostras por experimento, tanto para a métrica RSSI quanto para PP. Na plantação, foram testadas duas configurações: na primeira, os dois módulos foram posicionados em linha reta (LOS Line of Sight). Na segunda configuração, modificou-se o posicionamento dos sensores para que a transmissão ocorresse diagonalmente. Tal alteração refletirá em uma maior obsorção do sinal transmitido e em uma maior degradação do sinal em função da barreira natural. Estas duas configurações estão apresentadas na Figura 17 a seguir. Figura 17. Variação do ângulo entre os módulos dentro da plantação. Devemos também considerar que a altura dos módulos com relação ao solo depende da distância entre eles, pois de acordo com Anastasia (2004) e Rappaport (2009), a altura dos módulos influencia na qualidade do sinal. Desse

45 45 modo, podemos utilizar a, Equação 3 da zona de Fresnel para garantir que a região R1 fique livre de interferências. Para o cenário de plantação de uva, os módulos foram posicionados a uma altura média de 1 metro, tentando diminuir ao máximo o número de obstáculos entre os mesmos. A Tabela 2 apresenta a altura mínima (R1) dos módulos para cada distância assumida entre o coordenador e o dispositivo final no cenário de campo aberto. Na qual: λ = 0,125 m (para 2,4 GHz); R1 = 60%R. Tabela 2. Altura dos módulos para R e R1 da Zona de Fresnel para as distâncias de 1 a 400 m. Distância(m) R 1 R entre os módulos 1 0,1061 0, ,7500 1, ,0607 1, ,2990 2, ,5000 2, ,6771 2, ,8371 3, ,9843 3, ,1213 3,5355 Para distâncias entre os módulos acima de 400 m, a altura do dispositivo final foi fixada em 2,12 m. Consumo de energia A metodologia empregada para experimentação do consumo de energia tem como referência Casilari et al (2010).

46 46 A fim de determinar o tempo de vida da bateria dos dispositivos de uma rede ZigBee, deve-se caracterizar os ciclos de atividade dos nós, bem como a corrente que é drenada a partir da bateria durante as diferentes operações impostas pela dinâmica da comunicação deste padrão (CASILARI et al, 2010). Dessa forma foram analisadas as correntes de operação transmit, receive, idle e sleep, onde, segundo DIGI (2010), as correntes serão 170 ma, 45 ma, 15 ma e 3,5 µa, respectivamente. O modelo empregado para as medições está mostrado na Figura 18. A ideia geral é monitorar corrente de descarga requerida por um dispositivo final ao comunicar-se com um coordenador da rede. Figura 18. Configuração experimental para medição do consumo de energia. Fonte: Modificado de Casilari et al (2010). Um osciloscópio foi utilizado para realizar a mensuração da corrente drenada pelo dispositivo. Para mensurar a corrente de descarga (I) do Dispositivo Final, foi colocado um resistor (R) com um valor conhecido entre a bateria e o pino de alimentação do mesmo. Para que a queda da tensão na linha de fornecimento do XBee seja a menor possível, a resistência de derivação (R) é ajustada para um valor muito baixo (1 Ω). Como a corrente medida é muito pequena, da ordem de 100 ma, foi realizado um condicionamento do sinal para uma melhor medição. Para isso, foi utilizado um amplificador INA193, especialmente utilizado para o monitoramento de corrente shunt. O circuito de medição também inclui um filtro passa-baixa formado por um capacitor (C FILT = 910 nf) e duas resistências (R FILT = 47 Ω). O objetivo é

47 47 remover os componentes de alta frequência que não podem ser adequadamente medidos pelo osciloscópio. Para se beneficiar da baixa impedância de saída do amplificador, o filtro é colocado nos pinos de entrada do INA193 (CASILARI et al, 2010). Como a corrente de descarga do modo sleep é muito pequena, para sua aferição foi utilizado um multímetro no lugar do osciloscópio. Para isso, a resistência de derivação (R) foi aumentada para 15 Ω, provocando uma queda de tensão de 52,5 µv na tensão fornecida para uma corrente de sleep de 3,5 µa. Com os dados coletados das correntes de descarga, o próximo passo foi realizar a modelagem matemática do tempo de vida da bateria Análise dos Dados Após a coleta, os dados das três métricas foram analisados estatisticamente. Este tratamento teve como finalidade verificar a qualidade e integridade dos conjuntos de dados, em que foi realizado o teste de representatividade das amostras, de acordo com a Equação Modelagem Matemática Consumo de Energia Diante das correntes de descarga dos diferentes modos de operação obtidas no experimento, foi utilizada a ferramenta NetBeans (2013) para implementação em JAVA do modelo matemático para estimar o tempo de vida da bateria utilizada pela RSSF. O modelo escolhido foi o proposto por Rakhmatov- Vrudhula (2003). O fator principal para escolha desse modelo é que o mesmo considera características não-lineares que ocorrem durante a descarga da bateria, com isso, obtendo resultados mais precisos quando comparado com os outros modelos (SCHNEIDER, 2011). O modelo Rakhmatov-Vrudhula permite estimar o tempo de vida de baterias utilizando correntes de descarga constantes ou variáveis no tempo. Para

48 48 uma maior aproximação da realidade, neste trabalho foram utilizadas correntes de descarga variáveis. Para estimação do tempo de vida da bateria devemos especificar os parâmetros α e β de acordo com a metodologia adotada por Rakhmatov e Vrudhula (2003). Neste trabalho adotou-se α = e β = e capacidade de ma-ms, especificados por Schneider (2011) e estimados experimentalmente com base nos dados de duas bateria alcalina, frequentemente utilizada na alimentação de nós sensores de uma RSSF. Como o tempo de vida da bateria depende da aplicação e do tipo de bateria utilizada, nesta análise foi definida uma aplicação que consiste em obter uma amostra de um sensor a cada 1 segundo. Para definir o tempo de transmissão e recepção que foram utilizados nos perfis de descarga da bateria, foram utilizados pacotes de 80 bytes e taxa de transferência de 250 kbps RSSI Os resultados obtidos no experimento da métrica RSSI foram comparados com os modelos matemáticos de propagação clássicos: o Modelo de Propagação no Espaço Livre (Friis) e o Modelo de Propagação log-normal. O software MATLAB (MATHWORKS, 2013) foi utilizado para obter as curvas teóricas destes modelos. A tabela a seguir mostra os parâmetros que serão utilizados no modelo Friis. Parâmetro L = 1 Gt = Gr = 2.1 dbi λ = 0,125 m Tabela 3. Parâmetros utilizados no Modelo Friis. Comentário Desconsidera perdas no sistema. Ganho de transmissão e recepção da antena em dbi. Frequência de Operação do XBee-PRO é de 2,4 GHz. Fonte: Carvalho (2012) Assim, pode-se calcular a atenuação do sinal P (em db) em função da distância (d), utilizando a seguinte equação:

49 49 Equação 6 A Tabela 4 mostra os parâmetros que serão utilizados no Modelo log-normal de acordo com Rappaport (2009): Tabela 4. Parâmetros utilizados no Modelo log-normal. Parâmetro Campo aberto Plantação n 2 2,4 σ 3 db 3 db

50 Intensidade do sinal (dbm) RESULTADOS E DISCUSSÕES Neste capitulo são apresentados e discutidos os resultados referentes às métricas avaliadas em cada cenário onde a RSSF foi estuda. Nas seções 4.1 e 4.2 são mostrados os resultados referentes aos experimentos de RSSI realizados, respectivamente, em campo aberto e plantação de uva. Os resultados obtidos nos experimentos da métrica Consumo de Energia são apresentados na seção 4.3. E finalmente, na seção 4.4 encontramos a descrição dos principais materiais desenvolvidos para realizar a análise do desempenho da rede Avaliação da RSSF em Campo Aberto Para o cenário de campo aberto, a temperatura média no dia do experimento foi de 33,3 ºC e umidade relativa do ar de 38% (INMET, 2013). A Figura 19 mostra o decaimento do sinal de RF em função do aumento da distância entre os módulos. A maior distância observada foi de m. A comunicação entre os módulos não foi perdida, pois esse é o comprimento máximo da pista utilizada. A curva é determinada de acordo com a Equação 7. Em Digi (2012c) é especificado uma distância máxima de m para campo aberto. -40 Intensidade do sinal x distância em campo aberto Distância (m) Figura 19. RSSI em função da variação da distância entre os módulos em campo aberto.

51 Intensidade do sinal (dbm) 51, R 2 = 0,99 Equação 7 A Figura 20 apresenta as curvas da métrica RSSI da técnica de experimentação e dos modelos matemáticos Friis e log_normal para o cenário de campo aberto. Podemos observar que a curva experimental se aproxima dos resultados obtidos com os modelos teóricos utilizados Intensidade do sinal x distância em campo aberto Friis Log-normal Experimento Distância (m) Figura 20. Comparação entre os resultados de RSSI obtidos experimentalmente e com os modelos matemáticos Avaliação da RSSF na Plantação No cenário de plantação, a temperatura máxima registrada na cidade foi de 35,8 ºC e umidade relativa do ar de 31% (INMET, 2013). A Figura 21 Figura 19mostra o comportamento da intensidade do sinal em dbm, a medida que varia a distância entre os módulos, tanto em linha reta como em diagonal. As curvas são definidas de acordo com as equações 8 e 9.

52 Intensidade do sinal (dbm) Intensidade do sinal x distância no parreiral Linha reta Diagonal Campo Aberto Distância (m) Figura 21. RSSI em função da variação da distância entre os módulos em linha reta e em diagonal. Diagonal R 2 =0,98 Equação 8 Linha Reta R 2 =0,98 Equação 9 O gráfico da Figura 21 mostra que a atenuação do sinal é mais intensa na transmissão em diagonal do que em linha reta, devido à presença de obstáculos. A transmissão na diagonal pode alcançar uma distância máxima de 195 m. À distância de 200 m a comunicação entre os módulos foi perdida. Em linha reta, a maior distância observada foi de 550 m, sem perda na comunicação, pois esse era o comprimento máximo da plantação. Os resultados obtidos em linha reta são mais próximos dos obtidos em campo aberto devido à presença de linha visada, como mostra a Figura 14. A Figura 22 apresenta as curvas da métrica RSSI e dos modelos matemático Friis e log_normal para plantação. Podemos observar que o RSSI em diagonal não apresenta uma curva exponencial, e isso é devido a fatores que afetam a transmissão, como umidade e uma maior densidade de vegetação entre a transmissão. De acordo com estudos realizados por Roccia (2011), a atenuação do sinal tem relação linear com o volume da vegetação. Para o experimento em linha reta, a curva obtida é exponencial, semelhante ao resultado apresentado pelo modelo Friis.

53 Intensidade do sinal (dbm) Intensidade do sinal x distância no parreiral Friis Log-norm Linha reta Diagonal Campo Aberto Distância (m) Figura 22. Comparação entre os resultados de RSSI obtidos na técnica de experimentação e modelos matemáticos. Carvalho (2012), em seu trabalho, verificou que o alcance máximo dos módulos XBee, com antena tipo wire, é de 225 m em linha reta, 200 m na diagonal e 450 m em campo aberto. Os testes realizados em linha reta não apresentaram perda na comunicação dos módulos devido à limitação da área. No trabalho apresentado por Roccia (2011) verificou-se que utilizando os motes XM2110, a distância máxima entre os nós é de 16 m para o cultivo de milho, 25 m para o cultivo de pinhão, 46 m para o cultivo de eucalipto e 90 m em campo aberto. Na Figura 23 é mostrado o comportamento da quantidade de pacotes retransmitidos à medida que varia a distância entre os módulos. De acordo com o gráfico, para a transmissão em linha reta, a perda de pacotes acontece apenas a uma distância de 550 m com 1,7%. Em diagonal, as retransmissões de pacotes começam a uma distância de 125 m, com 8%, 5,3% a uma distância de 175 m e na distância de 195 m, atinge 28% de pacotes transmitidos.

54 %Pacotes Retransmissão de Pacotes diagonal linha reta distância (m) Figura 23. Percentual de pacotes retransmitidos em linha visada e diagonal. Na transmissão em diagonal, podemos adotar distâncias até 175 m, pois as distâncias acima desse alcance apresentam uma quantidade considerável de retransmissões. Em linha reta, podemos utilizar distâncias até 550 m, por apresentarem pouca retransmissão de pacotes. Roccia (2011), em seu trabalho, mostra que a quantidade de pacotes retransmitidos é de 75% em campo aberto a uma distância de 90 m, 75% no cultivo de milho a uma distância de 16 m, 78% em cultivo de pinhão a uma distância de 35 m e 77% no cultivo de eucalipto a uma distância de 46 m Avaliação do Consumo de Energia Definição dos Parâmetros Como foi definido anteriormente, devemos determinar um perfil de descarga da bateria utilizando os parâmetros obtidos experimentalmente e especificados pelo fabricante dos módulos XBee-PRO. Inicialmente foram determinadas as correntes de operação para os modos de operação Idle, Sleep, Transmit e Receive. O gráfico da Figura 24 mostra os resultados obtidos experimentalmente para as correntes de operação.

55 55 Figura 24. Correntes de operação obtidas experimentalmente. A Tabela 5 mostra o valor médio ( ) e o desvio padrão (s) para cada corrente de operação. A tabela também mostra o número de amostras utilizadas (n u ) e calculadas teoricamente (n t ) através da Equação 5. Para todas as correntes de operação n u > n t, dessa forma, todas as amostras utilizadas representam o sistema estudado. O valor obtido da corrente de sleep foi de 7,31 µa, aproximadamente 209% da especificada pelo fabricante, especificado na Tabela 1. Algumas especificações dos Módulos XBee/XBee-PRO ZB. A Tabela 6 mostra os tempos de cada modo de operação. Tabela 5. Correntes de operação dos módulos XBee-PRO S2. Correntes de Operação XBee Idle (ma) Reveive (ma) Transmit (ma) s n t n u s n t n u s n t n u 20,93 0, ,99 1, ,28 1,

56 56 Tabela 6. Tempo (em ms) dos modos de operação. Modo de Operação Tempo (ms) Sleep Idle 10 Receive 2,56 Transmit 2,56 Os vetores P t e P i mostram, respectivamente, o tempo médio, medido em ms, de execução de cada operação e suas respectivas correntes, medidas em ma Implementação do modelo Rakhmatov-Vrudhula O modelo Rakhmatov-Vrudhula foi implementado em linguagem de programação JAVA, utilizando a IDE NetBeans. Para validação do programa foi simulada a aplicação utilizada por Schneider (2011). A Figura 24. Correntes de operação obtidas experimentalmente. mostra uma comparação entre os resultados obtidos pelo programa desenvolvido e por Schneider (2011), utilizando os parâmetros mostrados na Tabela 7. Tabela 7. Parâmetros da simulação apresentado por Schneider (2011). Parâmetro Valor α β Tempo de simulação 157 s P t (ms) [ ] P i (ma) [ ]

57 Capacidade da Bateria (ma-ms) 57 Figura 25. Comparação entre os resultados obtidos pelo programa (esquerda) e por Schneider (2011) (direita). A variação da capacidade da bateria (C v ) calculada pelo programa desenvolvido foi de ma-ms, bem próximo ao apresentado por Schineider (2011), que foi de aproximadamente ma-ms Tempo de Vida das Baterias O gráfico da Figura 26 mostra a capacidade remanescente da bateria para um tempo de simulação de uma hora para o XBee. Podemos observar a nãolinearidade, pois o modelo considera os efeitos não-lineares que ocorrem durante a descarga da bateria x 106 Modelo Rakhmatov-Vrudhula Tempo (s)

58 Figura 26. Capacidade remanescente da bateria para tempo de simulação de 1 hora. 58 O tempo de descarga completa da bateria foi de 144,71 dias. Esse resultado está relacionado com a capacidade da bateria, porém, devemos levar em consideração que os módulos XBee-PRO operam em uma faixa de tensão de 3,0 a 3,4 V. Logo, uma análise mais detalhada deve ser feita para prever com maior exatidão o tempo de vida das baterias Material Desenvolvido Programas Foram desenvolvidos dois programas em linguagem JAVA, utilizando a IDE NetBeans (2013). O primeiro foi utilizado para coletar os dados das métricas RSSI e PP. O segundo, para prever o tempo de vida da bateria de acordo com o modelo Rakhmatov-Vrudhula, e não possui interface gráfica. O banco de dados utilizado pelo programa para armazenar os dados das métricas RSSI e PP foi o mysql. Foram utilizadas também as bibliotecas JfreeChart, para plotar gráficos; JExcelAPI, para gravar os dados no formato.xls e a biblioteca RXTXcomm, para comunicação serial com os módulos XBEE. Figura 27. Programa para coleta dos dados de RSSI e PP.

59 Preparação dos Módulos Para facilitar a utilização dos módulos XBee e protegê-los de impactos, foram confeccionadas caixas protetoras. A Figura 28 mostra o coordenador (à esquerda) e o dispositivo final (à direita). O coordenador foi conectado ao notebook através da porta serial, já o dispositivo final utiliza uma bateria e trabalha de forma autônoma. Figura 28. Caixas de proteção dos Módulos XBee Dificuldades Encontradas Durante o desenvolvimento do trabalho uma das grandes dificuldades foi conseguir autorização por parte dos produtores para realizar os experimentos nos parreirais, pois esses experimentos demandavam muito tempo. Outra grande dificuldade foi encontrar plantações cujas dimensões pudessem permitir a perda da comunicação entre os módulos em linha reta, a fazenda utilizada permitiu uma distância de no máximo 550 metros.

60 60 5. CONCLUSÕES Diante do desempenho apresentado pela RSSF nas várias configurações testadas, podemos concluir que a tecnologia de RSSF é viável para prover o monitoramento de plantações irrigadas. Porém, verificamos também que a distância entre os módulos e a densidade da vegetação afeta diretamente a qualidade do sinal transmitido. Com isso deve-se respeitar a distância máxima entre os nós da rede para que a atenuação do sinal e perda de pacotes não inviabilize a qualidade da comunicação. Ao utilizar a rede em uma plantação de uva, devemos levar em conta que o alcance máximo da comunicação em diagonal se mantém entre os dispositivos até uma distância de 195 m, com 28% de retransmissão de pacotes. Os resultados também mostram que a uma distância de 175 m a transmissão apresenta apenas 5,3% de pacotes retransmitidos. Não foi possível medir o alcance máximo em linha reta dentro da plantação de uva, pois na área plantada não foi possível medir distância maior devido limitações do espaço. Nesta condição, o alcance obtido foi igual a 550 m, com 1,7% de pacotes retransmitidos. Combinando alcance e consumo de energia devido à retransmissão de pacotes, os resultados obtidos mostram que, dentro de uma plantação de uva, a melhor distância entre os módulos da rede é de 175 m e 550 m, linha reta e em diagonal, respectivamente. Para a métrica de consumo de energia, os resultados obtidos mostram uma boa autonomia das RSSF no uso de baterias, devido ao baixo consumo de energia. Utilizando o modo de operação sleep, o tempo de descarga completa de duas baterias alcalinas é de 144,71 dias para aplicação proposta neste trabalho.

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