PROTÓTIPO DE SOFTWARE PARA COMUNICAÇÃO DE DADOS SEM FIO UTILIZANDO UMA AGENDA ELETRÔNICA

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1 UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU Centro de Ciências Exatas e Naturais Bacharelado em Ciências da Computação Trabalho de Conclusão de Curso PROTÓTIPO DE SOFTWARE PARA COMUNICAÇÃO DE DADOS SEM FIO UTILIZANDO UMA AGENDA ELETRÔNICA Acadêmico Marlo Alexandre Back Orientador Prof. Miguel Alexandre Wisintainer Blumenau, dezembro de

2 INTRODUÇÃO ROTEIRO Origem, área, problema e objetivos; COMUNICAÇÃO DE DADOS Representação e transferências de dados; Meios de transmissão, modulação e interface RS-232c; COMUNICAÇÃO DE DADOS SEM FIO (WIRELESS( WIRELESS) Espectro eletromagnético tico; Tipos de comunicação wireless; PROTOCOLOS Classificação e tipos de protocolos; Detecção e correção de erros; DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO Componentes do protótipo tipo; Especificação e implementação CONCLUSÃO Considerações finais, dificuldades e limitações ões. 2

3 INTRODUÇÃO INTERAÇÃO ENTRE UMA AGENDA ELETRÔNICA E UM PC Utilização: Controle remoto; Coletor de dados; Terminal de entrada de dados e consulta. Estação remota Transmissão via RF Agenda eletrônica Módulos de transmissão/recepção 3

4 COMUNICAÇÃO DE DADOS ELEMENTOS DA COMUNICAÇÃO - Fonte da transmissão; - Informação a ser transmitida; - Meio de comunicação ão; - Destino da informação transmitida; REPRESENTAÇÃO DOS DADOS - Dígitos binários (BIT) por convenção 0 e 1; - BYTE = CARACTER = Conjunto de 8 bits; - Padronização dos códigos ASCII e EBCDIC. Nível 1 Nível 0 Bits

5 COMUNICAÇÃO DE DADOS TRANSFERÊNCIA DE DADOS Transferência de dados entre fonte e destino, é realizada de duas formas: Transmissão serial; Transmissão paralela. Transmissão serial bit bit bit bit bit bit bit bit bit RX sentido da transmissão TX Transmissão paralela bit bit bit bit bit bit bit bit RX sentido da transmissão TX 5

6 COMUNICAÇÃO DE DADOS CLASSIFICAÇÃO DA TRANSMISSÃO (conforme( sentido) Transmissão SIMPLEX (apenas um sentido em um meio físicof sico) Transmissor Receptor Transmissão HALF-DUPLEX (dois sentidos em um meio físicof sico) Transmissor Receptor Receptor Transmissor Transmissão FULL-DUPLEX (dois meios físicos com sentidos opostos) Transmissor Receptor Receptor Transmissor 6

7 COMUNICAÇÃO DE DADOS TRANSMISSÃO SERIAL ASSÍNCRONA É caracterizada pela possibilidade de ser iniciada a qualquer tempo, sem limitação de tamanho de mensagem; Recebe bits adicionais (start( bit e stop bit) ) para delimitar os caracteres; A transmissão pode ser iniciada a qualquer tempo. start bit bit 0 bit 1 bit 2 bit 3 bit 4 bit 5 bit 6 bit 7 stop bit RX sentido da transmissão TX TRANSMISSÃO SERIAL SÍNCRONAS Baseia-se no estabelecimento de uma cadência (clock) fixa; Transmite bloco de dados com controles no início e fim dos mesmo; Transmite caracteres especiais para manter o sincronismo quando não há dados para transmitir. IB dados RX sentido da transmissão TX IB = início do bloco FB = fim do bloco... FB IB dados FB 7

8 COMUNICAÇÃO DE DADOS MEIOS FÍSICOS F DE TRANSMISSÃO Par trançado ado não blindado (UTP) Par trançado ado blindado (STP) Cabo coaxial Fibra óptica Rádio-Freqüência Detalhes em COMUNICAÇÃO DE DADOS SEM FIO 8

9 MODULAÇÃO COMUNICAÇÃO DE DADOS Necessário para transportar os dados em diferentes meios O transporte dos sinais elétricos é feito por uma onda analógica chamada PORTADORA, em cima da qual viaja o sinal a ser transmitido freqüência (tempo) amplitude fase de 1 ciclo Classificada em: Modulação analógica; Modulação digital. 9

10 COMUNICAÇÃO DE DADOS MODULAÇÃO ANALÓGICA Modulação em amplitude (AM) Na modulação em amplitude, existe uma onda portadora de freqüência fixa que transporta o sinal a ser transmitido, representando-o o pela variação de sua amplitude Sinal de 2KHz a ser transmitido (modulador) Onda portadora não modulada de 1000KHz Onda portadora a ser transmitida com o sinal modulado 10

11 COMUNICAÇÃO DE DADOS MODULAÇÃO ANALÓGICA Modulação em freqüência (FM) A amplitude se mantém m constante e a freqüência sofre deslocamentos para mais e para menos, proporcionalmente à amplitude do sinal modulador Sinal a ser transmitido (modulador) Onda portadora Onda portadora modulada em variação da freqüência 11

12 COMUNICAÇÃO DE DADOS MODULAÇÃO DIGITAL Modulação em aplitude por chaveamento (ASK) Modulação em freqüência por chaveamento (FSK) Modulação em fase por chaveamento (PSK)

13 COMUNICAÇÃO DE DADOS INTERFACE PADRÃO RS-232C Estabelece um padrão de interfaceamento serial com o computador Conector DB-25 Conector DB-9 USART Responsável pela serialização dos bits a serem transmitidos 13

14 COMUNICAÇÃO DE DADOS SEM FIO ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO TICO Velocidade de propagação da onda é Km/s; Atualmente é possível gerar ou detectar radiação eletromagnética tica numa faixa de freqüência que se estende de 1 Hz a Hz; 14

15 COMUNICAÇÃO DE DADOS SEM FIO RÁDIO-FREQÜÊNCIA Sistema que utilizam sinais de rádio r como meio de transmissão Desenvolvida durante a Segunda Guerra Mundial para transmitir as informações seguras via ondas de rádio; r Na década d de 70, o primeiro sistema de computadores a empregar a técnica radiodifusão foi o ALOHA da Universidade do Havaí; Vantagens A comunicação via rádio r é simples de operar; Oferece total mobilidade ao usuário; Permite conexão de equipamentos distantes quilômetros entre si. Desvantagens Sujeita a interferências externas; Necessita autorização do governo para o uso; 15

16 COMUNICAÇÃO DE DADOS SEM FIO TRANSMISSÃO POR SPREAD SPECTRUM Sistema na qual a energia média m do sinal transmitido é espalhada sobre uma largura de faixa que é muito mais larga do que a largura da faixa que contém m a informação. Vantagens Consegue ultrapassar obstáculos com mais eficiência; Rejeição a interferências naturiais e intencionais (jamming( jamming); Baixa probabilidade de interceptação. 16

17 COMUNICAÇÃO DE DADOS SEM FIO TRANSMISSÃO POR INFRAVERMELHO Utiliza um raio infravermelho para transmitir as informações Características: Freqüência de operação em torno de 100THz; Utilizado em curtas distâncias (ambientes internos); Transmissões atingem em até 16Mbps; Não conseguem atravessar obstáculos; Sujeito a interferências como a luz do ambiente, chuva, neblina... Baixo custo. Raio infravermelho Periférico (impressora) Microcomputador se comunicando com um periférico através do infravermelho. Fonte: [FON1998] 17

18 COMUNICAÇÃO DE DADOS SEM FIO TRANSMISSÃO POR LASER Utiliza um raio laser para transmitir as informações Características: Semelhante ao raio infravermelho; Utilizado em distâncias maiores que o infravermelho (ambientes externos); Transmissões atingem em até 16Mbps; Não conseguem atravessar obstáculos; Sujeito a interferências como a luz do ambiente, chuva, neblina... Equipamento de comunicação de dados via raio laser interligando duas redes em prédios diferentes. Antenas transmissoras/receptoras de raio laser Fonte: [FON1998] 18

19 COMUNICAÇÃO DE DADOS SEM FIO TRANSMISSÃO POR MICROONDAS São sistemas de transmissão via rádio r que operam na faixa de 900Mhz a 30Ghz no espectro de freqüência. Características: Ondas se comportam como a luz; Largamente utilizado nas comunicações sem fio; Utilizado para comunicações de longa distância. 19

20 PROTOCOLOS PROTOCOLOS O protocolo é um conjunto de regras preestabelecidas, cuja função é fazer com que a comunicação de dados entre equipamentos seja realizada com segurança a e de forma ordenada. Em geral, é formado por: Cabeçalho; alho; Mensagem; Consistência; cabeçalho mensagem consistência RX sentido da transmissão TX Classificados em: Assíncronos (utilizam bits de start e stop para delimitar cada caracter) Síncronos (baseiam-se num clock para transmitir a informação, evitando assim, a necessidade de bits de start e stop. 20

21 PROTOCOLOS PROTOCOLOS ORIENTADOS A BYTE (CARACTER) Utilizam caracteres especiais para controle de operação de suas mensagens. PAD 0 SYN SYN SOH cabeçalho STX dados ETX ou ETB SYN RX sentido da transmissão TX BCC PAD = caracter para delimitar o início e o fim da mensagem SYN = caracter de sincronismo SOH = caracter indicativo de início do cabeçalho STX = caracter indicativo de início do texto ETX = caracter indicativo de fim do texto ETB = caracter indicativo de fim de bloco BCC = caracter de consistência PROTOCOLOS ORIENTADOS A BIT Todos controle é feito a nível n de bit,, sem a necessidade de utilizar caracteres especiais para delimitar os blocos de mensagens. FLAG endereço controle dados FCS FLAG RX sentido da transmissão TX FLAG = seqüência de bits que indida o início ou fim do bloco (8 bits) endereço = bits que identificam quem deve receber o frame (8 bits) controle = bits que identificam a finalidade do frame (8 bits) dados = mensagem propriamente dita (múltiplos de 8 bits) FCS = controle de erros (16 bits) 21

22 DETECÇÃO DE ERROS PROTOCOLOS A presença a de interferências no canal de comunição pode provocar uma leitura errônea. Para detectar a ocorrência de erro foram desenvolvidos vários v métodos, baseados na utilização de informações redundantes na comunicação DETECÇÃO DE ERROS A NÍVEL N DE CARACTER VRC (Paridade) DETECÇÃO DE ERROS A NíVEL DE BLOCO LRC (Paridade no bloco) CRC (Operações aritméticas) ticas) 22

23 CORREÇÃO DE ERROS CORREÇÃO MANUAL PROTOCOLOS CORREÇÃO POR SOLICITAÇÃO CORREÇÃO AUTOMÁTICA TICA 23

24 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO COMPONENTES DO PROTÓTIPO TIPO - Agenda eletrônica; - Módulos de rádior dio-freqüência; - Circuito auxiliar; - Recurso computacional: software para comunicação (Monitor( Industrial) 24

25 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO COMPONENTES DO PROTÓTIPO TIPO Agenda eletrônica CASIO SF-5790SY (256Kb memória) Características: Armazena registros telefônicos (nomes, números n e endereços); Armazena textos simples digitados manualmente; Possui conector serial para transmissão dos dados ao computador. 25

26 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO COMPONENTES DO PROTÓTIPO TIPO Protocolo da agenda (proprietário rio - sem documentação oficial) Caracteres de controle: INI: REG: DAT: FIM: ERR: Início do pacote; Tipo da informação; Data de criação/modifica ão/modificação do registro; Fim do pacote; Controle de erro; 26

27 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO COMPONENTES DO PROTÓTIPO TIPO Detecção de erros na transmissão INI REG DAT dados FIM ERR 6 RX sentido da transmissão TX 8A FF 98 estes caracteres entram no somatório (valores em hexadecimal) 03h + 01h + 01h + 62h + 65h + 66h + 67h + FFh = 298h do resultado (298h), aproveita-se apenas a dezena (9h) e a unidade (8h) e é justamente estes dois valores que irão compor o código hexadecimal do caracter ERR, que neste exemplo é 98h. 27

28 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO COMPONENTES DO PROTÓTIPO TIPO Módulos de rádio-freqüência (RT4 e RR3 da Telecontrolli) Operam na faixa de 433,92Mhz e 315Mhz (UHF) Circuito Auxiliar Módulo TX Mhz Módulo RX 315Mhz Mhz 315Mhz Módulo RX Mhz Módulo TX 315Mhz Circuito Auxiliar cabo serial cabo serial Estação remota Agenda eletrônica 28

29 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO COMPONENTES DO PROTÓTIPO TIPO Circuito auxiliar é composto pelo MAX232 e o microcontrolador 89C2051. Porta Serial RS V 1 Circuito Integrado MAX232 +5V 0V 2-12V Microcontrolador 89C2051 Modulação FSK Modulação PWM Módulo RF 4 (este é o sinal transmitido) 3 29

30 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO SOFTWARE PARA COMUNICAÇÃO Para demonstrar a funcionalidade do protótipo, tipo, foi necessário desenvolver um programa, cuja função é tratar a comunicação entre a agenda e o PC. Esse software é responsável pelo processo de comunicação, controle do protocolo e interfaceamento com entidades externas (equipamentos). O software para comunicação, denominado Monitor Industrial, apresenta uma simulação de controle de equipamentos industriais. O papel da agenda eletrônica é de um terminal de controle, que opera e monitora as funções das máquinas m à distância. 30

31 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO ESPECIFICAÇÃO Divisões do Monitor Industrial Camada de comunicação; Camada de interface. Inicio * Leitura e escrita dos dados na porta serial; * Tratamento do pacote; * Cálculo do controle de erro; Camada de comunicação Agenda eletrônica Dados recebidos da agenda Dados a transmitir para agenda * Interpretação das informações recebidas; * Interface com equipamentos externos (simulado); Camada de interface Interface externa (maquinário industrial) 31

32 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO ESPECIFICAÇÃO Camada de comunicação Inicialização dos parâmetros de comunicação Leitura da porta serial Escreve na porta serial Não Caracter lido é o INI? Mensagem de erro Envia caracter ACK Não Sim Leitura da porta serial Armazena caracter lido Cálculo do controle de erro confere? Cálculo do controle de erro Sim Envia dados lidos para camada de interface Não Caracter lido é o ERR? Sim Camada de interface Não Necessita enviar informações? Sim Prepara informações para enviar 32

33 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO ESPECIFICAÇÃO Camada de Interface Camada de comunicação Interpretação dado recebido Mensagem de erro Prepara informações para enviar Comando é válido? Não Sim Execução do comando Necessita enviar informações (retorno)? Sim Interface externa (maquinário industrial) Não 33

34 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO IMPLEMENTAÇÃO Interface do Monitor Industrial 34

35 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO IMPLEMENTAÇÃO Lista de comandos interpretados do Monitor Industrial SET POWER ON/OFF SET Z1 ON/OFF SET Z2 ON/OFF SET Z3 ON/OFF SET Z4 ON/OFF SET PRESSURE ON/OFF SET HEATER ON/OFF GET POWER STATUS GET PRESSURE STATUS GET TEMP STATUS GET GAS STATUS 35

36 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO IMPLEMENTAÇÃO Digitação dos comandos na agenda eletrônica CASIO set power on 256KB Business Organizer Scheduling System SF-5790SY PC sync Envio das informações para o PC CASIO [1] New record [2] Edit record [3] Delete record [4] Send record [5] Receive data [6] Search data 256KB Business Organizer Scheduling System SF-5790SY PC sync 36

37 RESULTADO CONCLUSÃO Através s da utilização de recursos computacionais com componentes eletrônicos, é possível encontrar uma solução simples, prática e econômica para resolver vários v problemas; DIFICULDADES Documentação do protocolo nativo; Modulação alternativa (PWM). LIMITAÇÕES Curto alcançe e (max. 50 metros); Baixa taxa de transmissão (devido utilização do PWM); Alta sensibilidade à interferências; EXTENSÕES Utilizar a agenda para enviar/receber s e através s da adaptação de um modem; Adaptar o sistema para operar como terminal de entrada de dados e consulta 37