UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO UFOP ESCOLA DE MINAS EM COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO UFOP ESCOLA DE MINAS EM COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU O USO DA INTERNET E DA COMUNICAÇÃO SEM FIO VIA ZIGBEE EM SISTEMAS EMBUTIDOS MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO LUCAS VAGO SANTANA Ouro Preto, 2008

2 LUCAS VAGO SANTANA O USO DA INTERNET E DA COMUNICAÇÃO SEM FIO VIA ZIGBEE EM SISTEMAS EMBUTIDOS Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: Prof. Dr. Ricardo de Oliveira Duarte Ouro Preto Escola de Minas UFOP Julho/2008

3 ii

4 A meus pais, por tornarem a educação de seus filhos sua prioridade na vida. iii

5 iv AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a meus pais e meus irmãos pelo apoio, amor e carinho. À minha namorada pela dedicação em tantos momentos difíceis. À república Favela pelos anos de convivência. Aos professores pela orientação e pelo apoio incondicional. E finalmente a UFOP pelas inúmeras oportunidades e a qualidade do ensino oferecida.

6 v Nós pegamos o que era luxúria e transformamos em necessidade (Henry Ford)

7 vi SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... ix LISTA DE TABELAS... xi LISTA DE SIGLAS... xii RESUMO... xiv ABSTRACT... xv I. INTRODUÇÃO Considerações Iniciais Origem do Trabalho Objetivos Objetivo Geral Objetivos Específicos Justificativa Metodologia Adotada Estrutura do Trabalho... 4 II. SISTEMAS EMBUTIDOS Definição Principais Elementos de um Sistema Embutido Unidade Central de Processamento Memória Dispositivos de Entrada/Saída Microcontroladores PIC Comunicação Serial com o PIC SPI USART Programando Microcontroladores PIC em Linguagem C... 14

8 vii III. A PILHA TCP/IP A Divisão em Camadas Camada Aplicação Camada de Transporte Camada de Internet ou Camada de Rede Camada de Enlace/Física Principais Protocolos da Pilha TCP/IP Protocolos da Camada de Aplicação Protocolos da Camada de Transporte Protocolos da Camada de Internet/Rede Protocolos da Camada Enlace/Física IV. ZIGBEE Introdução Topologias Estrela (Star) Árvore (Cluster Tree) Malha (Mesh) ZigBee e o Modelo OSI A Camada PHY A Camada de Enlace A Camada de Rede Características Técnicas do ZigBee Número de Canais e Freqüências Modulação Sensibilidade e Potência Interferência Segurança... 31

9 viii 4.5 Comparação com Outras Tecnologias Sem Fio V. A PILHA TCP/IP DA MICROCHIP E OS MÓDULOS XBEE-PRO Introdução A Pilha TCP/IP da Microchip Organização da Pilha TCP/IP da Microchip Utilização da Pilha TCP/IP da Microchip O Controlador de Rede ENC28J Os Transceptores XBee-PRO TM Os Microcontroladores Utilizados PIC18F PIC18F Vantagens da Combinação da Pilha TCP/IP da Microchip com os Módulos XBee- PRO TM VI. A APLICAÇÃO DESENVOLVIDA Hardware da Placa Mestre Hardware da Placa Escrava Softwares de Controle Sites de Controle do Sistema Acesso Pelo Computador Acesso Pelo Aparelho Celular Testes Realizados Problemas Apresentados VII. CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS VIII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO I Esquemas de Ligação Elétrica ANEXO II Códigos Fonte... 64

10 ix LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Elementos básicos de um sistema embutidos 7 Figura 2.2 Estrutura de um microcontrolador genérico 8 Figura 2.3 MPLAB ICD 2 10 Figura 2.4 Implementação SPI: um mestre um escravo 12 Figura 2.5 Implementação SPI: um mestre múltiplos escravos 12 Figura 2.6 Sinais elétricos RS Figura 2.7 Frame de codificação do caractere A via RS Figura 3.1 Modelo em camadas OSI e o modelo da Internet. 16 Figura 3.2 Sentido dos pacotes na rede. 18 Figura 3.3 Principais protocolos da pilha TCP/IP separados por camadas 18 Figura 4.1 Topologia em estrela 24 Figura 4.2 Topologia em cluster ou árvore 24 Figura 4.3 Topologia em malha 25 Figura 4.4 Relação da arquitetura protocolar do ZigBee com a do modelo OSI 25 Figura 4.5 Representação de uma rede beaconned 27 Figura 4.6 Representação de uma rede non-beaconned 28 Figura 4.7 Estrutura de canais IEEE Figura 4.8 Esquema de modulação BPSK 30 Figura 4.9 Esquema de modulação O-QPSK 30 Figura 5.1 Comparação entre a arquitetura do modelo de referência da pilha TCP/IP e a pilha da Mircrochip 35 Figura 5.2 Estrutura de arquivos da pilha TCP/IP da Microchip 36 Figura 5.3 Esquema do CI ENC28J60 38 Figura 5.4 Módulo XBee-PRO TM 39 Figura 5.5 Modos de operação dos transceptores XBee-PRO TM 41 Figura 5.6 Esquema de ligação de um microcontrolador a um transceptor XBee-PRO TM 41 Figura 5.7 Principais aplicações para o circuito integrado ENC28J60 43 Figura 5.8 Principais áreas de aplicação para os transceptores XBee-PRO TM 43 Figura 5.9 Residência inteligente ligada via ZigBee 44

11 x Figura 6.1 Foto da montagem da placa mestra no protoboard 46 Figura 6.2 Esquema eletrônico de ligação da placa mestra 46 Figura 6.3 Ligação dos sensores LDR e LM35 47 Figura 6.4 Foto da montagem da placa escrava no protoboard 48 Figura 6.5 Esquema eletrônico de ligação da placa escrava 48 Figura 6.6 Caracteres que compõem o protocolo criado 50 Figura 6.7 Página de apresentação do projeto 51 Figura 6.8 Página de controle dos canais de relés 52 Figura 6.9 Página de controle da velocidade do motor 52 Figura 6.10 Página de acompanhamento do valor dos sensores 53 Figura 6.11 Página de acompanhamento da data e da hora 53 Figura 6.12 Página de controle do sistema embutido via celular 54 Figura 6.13 Telas de comando via celular 55

12 xi LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Exemplos de sistemas embutidos e seu mercado 6 Tabela 4.1 Diferenças entre faixas de freqüência ZigBee 26 Tabela 4.2 Freqüência central dos canais 29 Tabela 4.3 Ângulo de deformação da fase na modulação O-QPSK 31 Tabela 4.4 Comparativo entre tecnologias sem fio 32 Tabela 5.1 Pré-projetos fornecidos junto com a pilha TCP/IP pela Microchip 36 Tabela 5.2 Descrição dos pinos do transceptores XBee-PRO TM 40

13 xii LISTA DE SIGLAS TCP/IP Transmission Control Protocol/ Internet Protocol SMS Short Message Service CPU Central Processing Unit ALU Arithmetic Logic Unit RAM Random Access Memory ROM Read Only Memory EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory LCD Liquid Crystal Display LED Light-Emitting Diode MSSP Master Synchronous Serial Port SPI Serial Peripheral Interface I 2 C Inter Integrated Circuit USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter RS232 Recommended Standard 232 OSI Open Systems Interconnection ISO International Standard Organization WWW World Wide Web HTTP HyperText Transfer Protocol DHCP Dynamic Host Configuration Protocol SMTP Simple Mail Transfer Protocol FTP File Transfer Protocol SNTP Simple Network Time Protocol UDP User Datagram Protocol ICMP Internet Control Message Protocol PPP Point-to-Point Protocol ARP Address Resolution Protocol IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers MAC Media Access Control CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection PAN Personal Area Network FFD Full Function Device

14 xiii RFD Reduced Function Device PHY Physical Layer CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance ISM Industrial, Scientific, Medical BPSK Binary Phase Shift Keying O-QPSK Offset Quadrature Phase Shift Keying AES Advanced Encryption Standard NIC Network Interface Controller HTML HyperText Markup Language MPFS Multiple & Powerful Microchip File System SOIC Small-Outline Integrated Circuit SPDIP Shrink Plastic Dual-In-Line Package SOP Small-Outline Package QFN Quad Flat No-Lead PWM Pulse-Width Modulation RSSI RX Signal Strenght Indicator UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter LDR Light Dependent Resistor LM35 Sensor de Temperatura RTC Real Time Clock WAP Wireless Application Protocol

15 xiv RESUMO O uso de sistemas embutidos no controle e automação de processos sempre foi alvo da atenção de especialistas e entusiastas da área. Porém, nos últimos, anos esse tipo de tecnologia ganhou mais destaque na vida dos consumidores comuns. Isso se comprova pelo aparecimento de diversos produtos no mercado com recursos que facilitam o dia-a-dia das pessoas oferecendo maior conforto e praticidade no desenvolvimento de suas atividades. Nesse contexto, os aparelhos celulares, as câmeras digitais, os leitores de impressão digital e muitos outros equipamentos baseados em sistemas embutidos tornaram-se praticamente indispensáveis na rotina da vida moderna. Para proporcionar tal crescimento a indústria de tecnologia também sofreu uma evolução, passando a oferecer equipamentos que facilitem o desenvolvimento de sistemas neste segmento com interfaces mais úteis e de fácil aplicação tanto na indústria como nas residências. Além disso, a popularização da Internet passou a unir as tendências do mundo da eletrônica com o da informática pela possibilidade de monitorar e controlar dispositivos remotamente. Nessa linha, a Microchip, empresa fabricante dos microcontroladores PIC, lançou no segundo semestre de 2005 o seu controlador de rede ethernet, conhecido como ENC28J60, capaz de proporcionar a conexão de microcontroladores a Internet. Aproximadamente na mesma época, a empresa Maxstream TM lançou seu módulo de rádio XBee-PRO TM baseado no padrão ZigBee, capaz de comunicar-se com módulos semelhantes a grandes distâncias com confiabilidade e segurança. Através da união destes dois equipamentos foi construído um sistema embutido capaz de armazenar páginas web, monitorar sensores e controlar dispositivos, a partir de uma placa mestre e uma placa escrava comunicável por radiofreqüência, tornando possível executar ações de controle remotamente por meio de computadores ou aparelhos de celular que possuam conexão com a Internet. Palavras - chave: Sistemas Embutidos, Microcontroladores, ZigBee, Internet, Controle e Automação.

16 xv ABSTRACT The use of embedded systems in processes of control and automation has aim of the attention of experts and enthusiasts in the area, but in recent years this type of technology has gained more prominence in the life of the common consumers. That can be proved by the appearance of various new products on the market, with features that facilitate the day-to-day of people, offering greater comfort and practicality in the development of their activities. In this context the cell phones, digital cameras, fingerprint readers, and many other equipment based on embedded systems have become indispensable in the routine of modern life. To provide such growth, the technology industry also suffered an evolution, providing equipment to facilitate the development of systems in this segment, with interfaces more useful and easy to implement. Furthermore, the popularization of the Internet started to unite the trends of the world of electronics with the possibility of the computer monitoring and devices control remotely through the worldwide web. For this way, the Microchip, manufacturer of microcontrollers PIC, launched in the second half of 2005 your ethernet network controller, the integrated circuit ENC28J60, allowing the connection of microcontrollers to the Internet. Around the same time the company launched its Maxstream TM radio transceiver XBee- PRO TM based on the ZigBee standard, able to communicate with similar modules to large distances with reliability and security. Through the union of these two equipments, it was built a embedded system capable of storing web pages, monitor sensors and control devices from a master board connected to the worldwide web and a slave board controlled by radio frequency, making possible to perform actions of remotly control through computers or cell phones devices, connected to the Internet. Key-words: Embedded Systems, Microcontrollers, ZigBee, Internet, Control and Automation.

17 1 I. INTRODUÇÃO 1.1 Considerações Iniciais Os sistemas embutidos são dispositivos dotados de certa inteligência computacional, capazes de processar informações ou aprender conhecimento por meio de técnicas especiais, porém dedicados ao desenvolvimento de uma única atividade ou um grupo limitado de atividades. Estes dispositivos freqüentemente são utilizados para tarefas de monitoramento e controle de equipamentos, tais como sensores, motores e chaves. Eles recebem o nome embutido, pelo fato do programa de controle estar gravado junto ao circuito que o executa (AXELSON, 2003). Ethernet é a tecnologia de rede mais difundida entre usuários domésticos. Ela funciona baseada na troca de pacotes de dados e no compartilhamento de recursos computacionais como impressoras e scanners. Em muitas ocasiões é usada em conjunto com um provedor de Internet, compartilhando-a entre seus usuários (KUROSE; ROSS, 2006) Por muitos anos os sistemas embutidos e a ethernet existiram em mundos separados. A ethernet era disponível apenas para redes de computadores, enquanto os sistemas embutidos comunicavam-se através de interfaces limitadas em velocidade e por cabos de transferência que os interligavam. Porém, com o desenvolvimento da tecnologia e com o surgimento de equipamentos mais modernos, tornou-se possível unir esses dois mundos fazendo com que dispositivos embarcados consigam comunicar-se com uma rede ethernet e conseqüentemente com a Internet. Dessa forma agora é possível armazenar páginas web dentro dos microcontroladores, enviar e receber s através deles, monitorar sensores e comandar dispositivos de qualquer lugar do planeta. Uma característica muito importante para um sistema embutido é possuir mobilidade. Essa propriedade possibilita mais dinâmica em sua aplicação, pois não fixa o equipamento somente em uma posição, sendo assim possível adaptá-lo mais facilmente a diversas situações. Para isso, o uso de tecnologias sem fio destaca-se como a opção mais recomendável e nesse meio o padrão ZigBee aparece como solução mais recente e promissora, possibilitando grande deslocamento e confiabilidade para as transmissões a serem executadas (MESSIAS, 2008).

18 2 Usando equipamentos relacionados às tecnologias descritas, deseja-se fazer uma aplicação de monitoramento e controle de dispositivos agregando os benefícios proporcionados por cada uma delas. 1.2 Origem do Trabalho O presente trabalho originou-se pelo interesse do autor em desenvolver os conhecimentos adquiridos na disciplina de Sistemas Embutidos e ampliar suas habilidades no projeto, pesquisa e desenvolvimento de sistemas envolvendo novas tecnologias. 1.3 Objetivos Objetivo Geral Desenvolver um sistema embutido capaz de comunicar-se com a Internet, comandar dispositivos e monitorar sensores em placas remotas via radiofreqüência, permitindo acesso para visualização e controle através de computadores ou aparelhos celulares Objetivos Específicos Para alcançar o objetivo proposto, contemplam-se as seguintes etapas: Fazer a revisão bibliográfica sobre a pilha TCP/IP da Microchip e sobre a aplicabilidade do padrão ZigBee aos sistemas embutidos; Analisar tecnicamente a disponibilidade no mercado dos materiais necessários para montagem do protótipo baseado neste estudo; Projetar e desenvolver um sistema embutido como servidor web utilizando microcontroladores PIC, baseado na pilha TCP/IP disponibilizada pela Microchip e no controlador de rede ENC28J60 ; Adaptar o sistema obtido para executar a comunicação sem fio com um módulo escravo utilizando os equipamentos de radiofreqüência XBee-PRO TM ; Programar a página de apresentação do protótipo, seu acesso via computador e celular; Adaptar o sistema para enviar mensagens de alerta dos sensores via SMS (Short Message Service); Realizar teste de funcionalidade e coletar dados da operação do sistema desenvolvido, analisando seu desempenho e suas limitações;

19 3 1.4 Justificativa Atualmente observa-se no mercado de sistemas embutidos uma expansão muito grande no poder de processamento dos equipamentos e na quantidade de tecnologias oferecidas para o desenvolvimento das mais diversas aplicações. Como destaque dessa fase pode-se citar as formas de comunicação entre dispositivos, que por ser um dos pilares de sustento a robustez dos processos automatizados, também é um dos ramos mais estudados e desenvolvidos pelas empresas da área. Como conseqüência da explosão de novas tecnologias aparece a dificuldade de integrar os novos aparatos aos sistemas em desenvolvimento. Porém, é importante estudar essa possibilidade e introduzí-la como opção às técnicas tradicionais. O uso da radiofreqüência é um exemplo interessante na substituição dos cabos presentes nas aplicações onde há comunicação entre computadores e microcontroladores. Nessa linha, a tecnologia ZigBee tem destaque, pois opera em uma faixa de freqüência gratuita, oferece excelente imunidade a interferências, pode hospedar milhares de dispositivos em uma mesma rede e possui módulos comerciais acessíveis com funções de entrada/saída muito interessantes para uso em sistemas embutidos (MESSIAS, 2008). A possibilidade de conectar os sistemas embarcados à Internet, pelo uso da pilha TCP/IP adequada, tem um destaque maior ainda, pois isso aliado a popularização rede mundial de computadores criou uma nova perspectiva para o monitoramento e controle de processos. Levando esses argumentos em consideração, pensou-se em integrar a um único projeto a comunicação sem fio via ZigBee junto à pilha TCP/IP para sistemas embutidos com o objetivo de mostrar como associá-las e as melhorias proporcionadas por essa união na aplicação gerada com base nelas. 1.5 Metodologia Adotada A aplicação de sistemas embutidos em controle e automação compreende uma área muito ampla do conhecimento. Isso porque, para construir qualquer sistema desse tipo é preciso reunir em um mesmo projeto conceitos de informática e eletrônica. Os microcontroladores PIC são equipamentos digitais, usados nesse projeto como parte principal do sistema embutido. Eles possuem muitas funções que vão desde a capacidade de comunicação em redes até interfaces para controle de velocidade de motores. Porém, quando

20 4 comparados a sistemas mais complexos como os computadores pessoais, nota-se neles uma série de limitações de hardware ligadas principalmente ao poder de processamento e quantidade de memória disponível para os programas desenvolvidos que precisam ser contornados para que uma aplicação consiga ser concretizada. A primeira etapa para resolver essas limitações, é escolher o microcontrolador a ser usado corretamente comparando sua capacidade às exigências da atividade proposta. Depois disso, é necessário ter cautela na programação das funções do programa, a fim de evitar o uso desnecessário dos recursos do microcontrolador. Por esses motivos tornou-se um desafio agregar em um mesmo sistema embutido a comunicação sem fio via ZigBee e a pilha TCP/IP. Após um estudo sobre as possibilidades de solução para o problema das limitações de hardware, chegou-se ao momento de definir em que tipo de aplicação seria interessante agregar as tecnologias propostas para o trabalho e assim definiu-se que seria montado um protótipo, dividido em duas placas que explorasse aplicações das funções mais comuns dos microcontroladores PIC, sendo elas: Conversão A/D para determinar a leitura de sensores de luminosidade e temperatura; Controle de entradas e saídas digitais para comando de dois canais de relés; Comunicação via RS232 para troca de informações entre as placas; Interface PWM para controle de velocidade de um motor; Para a programação das funções descritas foi usada a linguagem C para microcontroladores, junto ao compilador Microchip C18 e o ambiente integrado de desenvolvimento MPLAB. O microcontrolador usado como servidor web, foi programado com base na pilha TCP/IP da Microchip, disponibilizada gratuitamente na página da empresa. A comunicação sem fio via ZigBee é executada pelos transceptores de rádio XBee-PRO TM. 1.6 Estrutura do Trabalho No capítulo 1 é feita uma breve introdução aos conceitos utilizados no desenvolvimento do protótipo, explicitando a origem do trabalho, os objetivos a serem cumpridos e a importância da presente monografia. O capítulo 2 faz uma abordagem sobre sistemas embutidos, suas aplicações, suas limitações, recursos de hardware, tecnologias disponíveis para comunicação e interface com outros dispositivos eletrônicos.

21 5 No capítulo 3 faz-se uma descrição da pilha de protocolos TCP/IP, passando por um breve um histórico, seguido da descrição do modelo em camadas e as funções de cada uma delas. Por fim, é feito um detalhamento das aplicações dos protocolos utilizados no desenvolvimento do protótipo. No capítulo 4 é apresentado o padrão ZigBee, seu histórico, suas aplicações, topologias, terminologia, arquitetura de protocolos e um comparativo com outras tecnologias de transmissão sem fio. O capítulo 5 traz uma descrição do software e do hardware utilizados no desenvolvimento do protótipo. Uma apresentação da pilha TCP/IP da Microchip associada ao controlador de rede ENC28J60, uma descrição dos módulos de radiofreqüência XBee-PRO TM e suas funcionalidades. No capítulo 6 é descrito o protótipo desenvolvido, fazendo alguns comentários sobre a montagem e as dificuldades associadas a sua conclusão, assim como o resultado de alguns testes realizados. No capítulo 7 são apresentadas as conclusões do trabalho e as sugestões para trabalhos futuros.

22 6 II. SISTEMAS EMBUTIDOS 2.1 Definição [...] Se nós pegarmos qualquer produto de engenharia que necessite de controle, caso esse controle seja executado por métodos computacionais e traduzido em ações por meio de dispositivos de E/S, então se tem aí um sistema embutido [...] (WILMSHURST, 2007, p. 3). Dessa forma, considerando qualquer atividade que deva ser executada de maneira automática por dispositivos eletromecânicos de qualquer natureza, teremos nela um sistema embutido. Normalmente o termo sistema embutido relaciona-se a atividades muito especializadas. Em muitos segmentos da indústria faz-se uso de tecnologias embarcadas para as mais diversas atividades. Na tabela 2.1, por exemplo, são listadas algumas das aplicações mais comuns desses sistemas. Os sistemas embutidos são encontrados na maioria dos dispositivos mais modernos como os computadores de mão e os aparelhos celulares. Esses dispositivos comumente fazem uso de tecnologias embarcadas para se comunicarem com outros equipamentos eletrônicos trocando informações ou controlando suas funções (NOERGAARD, 2005). Tabela 2.1 Exemplos de sistemas embutidos e seu mercado MERCADO SISTEMA EMBUTIDO Sistema de ignição Automotivo Controle do motor Sistema de freios (ABS) Televisões Computadores de mão Videogames Eletrônicos Telefones/Celulares/Pagers Câmeras GPS Sistemas de controle da Controle Industrial manufatura Robôs Monitores cardíacos Médico Máquinas de hemodiálise Roteadores Redes Hubs Gateways Aparelho de FAX Automação de Escritórios Impressoras Scanners Fonte: Adaptado de NOERGAARD, 2005.

23 7 2.2 Principais Elementos de um Sistema Embutido Um sistema embutido possui os mesmos elementos essenciais que qualquer sistema de computação, que são uma CPU (Central Processing Unit), memória e dispositivos de entra/saída. Na figura 2.1, apresenta-se um esquema contendo esses elementos. Figura 2.1 Elementos básicos de um sistema embutido Fonte: NOERGAARD, Unidade Central de Processamento A CPU é responsável por executar o conjunto de instruções chamado programa, que fica armazenado na memória do sistema embutido. Muitas destas instruções são operações matemáticas e para resolvê-las é usada uma parte da CPU denominada ALU (Arithmetic Logic Unit), dotada de circuitos lógicos capazes de realizar tais operações (BATES, 2006). Para desempenhar as atividades de uma CPU dentro de um sistema embutido, existem basicamente duas opções, os microprocessadores e os microcontroladores. Os microprocessadores são dispositivos comercializados em formato de circuito integrado, dotados de alta capacidade de processamento, baixo custo de operação e que ocupam pouco espaço físico em termos de microeletrônica. Porém, os outros recursos que compõem a estrutura básica de um sistema embutido - memória e interfaces de entrada/saída - não são integrados ao mesmo circuito da unidade de processamento numérico, restringindo sua aplicação em eletrônica embarcada (WILMSHURST, 2007).

24 8 Microcontrolador foi um termo originado a partir da diversificação das atividades de controle executadas antigamente por microprocessadores. Ao usá-los em tarefas não-computacionais, como no controle de refrigeradores domésticos, os projetistas perceberam que nelas não havia necessidade de grande processamento, nem de muita memória, ao invés disso algumas interfaces de comunicação com sensores e atuadores seriam mais úteis. Desde então este tipo de microprocessador ficou conhecido como microcontrolador (WILMSHURST, 2007). Escolher qual tipo de CPU utilizar no sistema embutido faz parte do projeto. Neste trabalho faz-se necessário o uso de microcontroladores PIC por possuírem o conjunto essencial de recursos utilizados na construção do protótipo, que serão abordados com maiores detalhes na seção 2.3 deste capítulo. A figura 2.2 mostra uma visão genérica de um microcontrolador Memória Figura 2.2 Estrutura de um microcontrolador genérico Fonte: WILMSHURST, Memória é o elemento de um sistema computacional onde ficam armazenados os programas e as variáveis que controlam o fluxo das informações dentro do projeto. Tradicionalmente as tecnologias de memória classificam-se em duas categorias: Voláteis Funcionam somente quando o sistema está energizado e perdem seu conteúdo quando a alimentação é cortada. Geralmente este tipo de memória é feita de material semicondutor de fácil escrita do ponto de vista elétrico. Por razões históricas é comumente chamada de memória RAM (Random Access Memory) e em sistemas embutidos é conhecida como memória de dados.

25 9 Não-voláteis Memórias deste tipo não perdem seu conteúdo quando a alimentação do sistema é retirada. Do ponto de vista elétrico, são mais difíceis de serem modificadas, por isso historicamente recebem o nome de ROM (Read Only Memory). Em sistemas embutidos é conhecida como memória de programa. Normalmente em sistemas embutidos são usadas memórias do tipo Flash. Estas memórias são classificadas como EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), operam em grande velocidade, consomem pouca energia e permitem muitas regravações por meio de sinais elétricos (WILMSHURST, 2007) Dispositivos de Entrada/Saída Os dispositivos de entrada/saída (E/S) conectados a uma placa são responsáveis por trocar informações entre o mundo e o sistema embutido [...] (NOERGAARD, 2005, p. 253). Sem esses componentes não é possível automatizar nenhum tipo de processo utilizando sistemas embutidos. Os dispositivos de entrada são utilizados para permitir a interação dos usuários com o sistema embutido, permitindo controle sobre as variáveis ou sobre algum dispositivo de saída específico. Como exemplos mais comuns têm-se teclados, botões e sensores. Já os dispositivos de saída normalmente associam-se a interação dos usuários com o funcionamento do sistema embutido, exibem de uma forma compreensível as soluções geradas pelo programa segundo os estímulos recebidos através dos dispositivos de entrada. Dentre os mais comuns têm-se os LCDs, os displays de sete segmentos, LEDs, monitores e impressoras (NOERGAARD, 2005). Existem também dispositivos capazes de realizar as duas tarefas ao mesmo tempo, por exemplo, controladores de rede e módulos de rádio. Por gerenciarem a comunicação entre dois ou mais elementos há a necessidade de integrá-los de maneira bidirecional, tornando-os assim tanto dispositivos de entrada como de saída. Há dois tipos básicos de formas de comunicação para os dispositivos de E/S, serial e paralela. Na comunicação paralela, os dados são transmitidos a 8 bits por vez, enquanto na serial é transmitido 1 bit por vez em fila. Potencialmente a forma paralela é mais rápida que a serial, porém demanda mais pinos para executá-la, o que requer maior uso dos recursos do

26 10 microcontrolador. Esse foi um dos motivos para a popularização de protocolos de comunicação serial entre sistemas embutidos (BATES, 2006). 2.3 Microcontroladores PIC PIC é uma família de microcontroladores fabricada atualmente pela empresa Microchip. Surgiu na década de 70 baseado no processador CP1600 da General Instruments. Na época, os microcontroladores ofereciam poucos recursos de E/S, porém isso mudou nas décadas seguintes devido ao desenvolvimento tecnológico e a necessidade cada vez maior de executar tarefas envolvendo esses recursos. Assim, os microcontroladores passaram a ser projetados com CPUs mais otimizadas, maior quantidade de memória e melhores interfaces de comunicação originando uma diversidade de equipamentos aplicáveis em vários ramos da eletrônica (SANCHEZ; CANTON, 2007). Esses microcontroladores são os de maior popularidade atualmente devido à política de suporte ao usuário oferecido por sua fabricante, a empresa Microchip.. Isso inclui uma solução completa para criação de programas que é o ambiente de desenvolvimento integrado MPLAB e uma ferramenta enta de baixo custo para depuração e gravação dos microcontroladores que é a gravadora MPLAB ICD 2 (Figura 2.3). Essas ferramentas em conjunto com o compilador C18, tornaram possível a programação dos microcontroladores em linguagem C de alto nível e a análise do fluxo do programa quando um problema de execução é encontrado, fazendo com que sejam solucionados de maneira mais eficaz (SANCHEZ; CANTON, 2007). Figura 2.3 MPLAB ICD 2 Fonte: GREEN, Comunicação Serial com o PIC Para interagir com o meio em que estão inseridos, muitas vezes os sistemas embutidos precisam associar-se se com dispositivos mais complexos do que botões e displays. Um exemplo dessa situação são as redes de dispositivos microcontrolados. Imaginem uma malha de

27 11 sensores conectados entre si por meio microcontroladores, para que as informações viagem corretamente de um dispositivo até o controlador do sistema é necessário um protocolo para gerenciar essa troca de dados, sendo um protocolo a definição do formato e da ordem das mensagens trocadas entre duas ou mais entidades comunicantes, bem como as ações realizadas na transmissão e/ou no recebimento de uma mensagem ou outro evento (KUROSE; ROSS, 2006, p. 7). Nos microcontroladores PIC, a comunicação serial é controlada por dois módulos: o MSSP (Master Synchronous Serial Port), que oferece recursos para o protocolo SPI (Serial Peripheral Interface) e o barramento I 2 C (Inter Integrated Circuit); e o USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) que disponibiliza a comunicação serial via RS232 (Recommended Standard 232) (BATES, 2006). Neste trabalho são apresentados os protocolos SPI e RS232, devido sua utilidade junto aos componentes eletrônicos utilizados na construção do protótipo proposto. 2.5 SPI O protocolo SPI (Serial Peripheral Interface) é uma forma de comunicação serial, criada pela Motorola e suportada por diversos microcontroladores. Trata-se de um link serial para troca de dados de forma síncrona que opera em modo full-duplex, onde os dados trafegam em ambas as direções simultaneamente (KALINSKY; KALINSKY, 2002). Os dispositivos comunicam-se usando uma relação mestre-escravo, na qual pode existir somente um escravo (Figura 2.4) ou múltiplos escravos (Figura 2.5). O mestre inicia a troca de dados gerando um sinal de clock e selecionando o dispositivo escravo, a partir disso as informações trafegam para ambas as direções sincronizadas pelo clock. O protocolo SPI especifica quatro sinais: Sinal de clock (SCLK); Saída de dados do mestre - Entrada de dados do escravo (MOSI); Entrada de dados do mestre - Saída de dados do escravo (MISO); Seletor de escravos (SS); MOSI envia dados do mestre para o escravo. MISO envia dados do escravo de volta para o mestre. Um escravo é selecionado para comunicação quando o mestre seta seu sinal SS, no

28 12 caso de múltiplos escravos este sinal deve ser gerado separadamente para cada um dos dispositivos conforme a figura 2.5 (KALINSKY; KALINSKY, 2002). Figura 2.4 Implementação SPI: um mestre um escravo Fonte: KALINSKY; KALINSKY, Figura 2.5 Implementação SPI: um mestre múltiplos escravos Fonte: KALINSKY; KALINSKY, Apesar de muito útil e de fácil aplicação, o protocolo SPI possui algumas limitações de operação como: não funcionar bem em situações onde mais de um mestre é exigido; não possibilitar o endereçamento de dispositivos em um único canal; não ser inteligente o transmissor não sabe se a mensagem enviada foi recebida; não ser flexível não é fácil adicionar nós extras a uma aplicação (WILMSHURST, 2007). O controlador de rede ENC28J60 utilizado neste projeto para gerenciar a comunicação entre o microcontrolador e a Internet utiliza este protocolo de comunicação para troca de dados conseguindo uma taxa de transferência da ordem de 10Mb/s. 2.6 USART Sigla para Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter, a USART é um módulo de comunicação serial que acompanha os microcontroladores PIC possibilitando a comunicação com outros microcontroladores e com computadores pessoais. Quando

29 13 convertido a níveis de tensão compatíveis, os sinais gerados pela USART assumem o padrão RS232, possibilitando que o programa desenvolvido para o microcontrolador interaja com computadores pessoais através das portas COM (BATES, 2006). A comunicação realiza-se por meio de uma seqüência de bits enviados segundo o especificado pela convenção RS232. Essa norma regulariza que em relação a terra, qualquer sinal de voltagem negativa menor que -3V é interpretado como bit 1, e qualquer sinal de voltagem positiva maior que +3V é interpretado como bit 0 e a região entre -3V e +3V é definida como indefinida (Figura 2.6). Figura 2.6 Sinais elétricos RS232 Fonte: MESSIAS, 2005 Nos microcontroladores PIC, os sinais funcionam em nível TTL (Transistor-Transitor Logic), onde o bit 1 corresponde a níveis de tensão de 5V e o bit 0 corresponde a níveis de tensão de 0V (MESSIAS, 2005). Para entender a troca de dados entre as entidades comunicantes via RS232, é preciso conhecer a terminologia associada ao protocolo, onde se tem: Baud Rate: Taxa de transmissão medida em bits por segundo. Em transmissões seriais tanto o transmissor como o receptor devem estar configurados com o mesmo baud rate; Estado Inativo: Período de tempo onde nenhum dado é transmitido, durante este período o transmissor segura a linha em nível lógico 1; Start Bit: Indica o início da transmissão;

30 14 Bits de Caractere: Oito bits que codificam um caractere segundo a tabela ASCII (American Standard Code for Information Interchange); Bit Paridade: É um bit opcional, utilizado para conferir se houve uma transmissão válida; Stop Bit: Indica o final da transmissão; Através destes sinais é gerado um frame (Figura 2.7), que codifica e envia caracteres segundo o padrão ASCII, possibilitando a criação de sistemas de comunicação completos para aplicação em sistemas embutidos (MESSIAS, 2005). Figura 2.7 Frame de codificação do caractere A via RS232 Fonte: MESSIAS, Programando Microcontroladores PIC em Linguagem C A programação de microcontroladores pode ser feita usando rotinas de baixo nível em Assembler ou em linguagem de alto nível C. Programas em Assembler são de difícil compreensão, pois seus comandos aproximam-se da lógica que o hardware do dispositivo a ser programado compreende, enquanto programas em linguagem C são mais fáceis entender por seus comandos aproximarem-se da maneira humana de se comunicar. Entretanto, para poder utilizar uma linguagem de alto nível para programar equipamentos eletrônicos é necessário fazer uso de um programa intermediário para converter o código em alto nível para um código que a máquina entenda, tal programa recebe o nome de compilador (WILMSHURST, 2007). Uma grande vantagem de se trabalhar com uma linguagem de alto nível é sua portabilidade, dessa maneira é possível adaptar facilmente um programa feito para um determinado modelo

31 15 de microcontrolador para outro alterando apenas algumas linhas do código. Além das facilidades geradas por uma linguagem de alto nível, C herdou de seus primórdios a capacidade de trabalhar bem em nível de hardware, oferecendo ao programador a opção de distinguir os níveis de abstração de seu programa de acordo com a aplicação (WILMSHURST, 2007). Para programar microcontroladores PIC em linguagem C, a Microchip disponibiliza em seu site na Internet o compilador MPLAB C18. Este compilador foi criado para trabalhar em conjunto com PICs da série 18 e inferiores e possui uma coletânea de bibliotecas para controlar as funções mais comuns dos microcontroladores. O C18 é distribuído em duas versões, uma comercial com licença ilimitada e paga ou em versão para estudantes com licença gratuita, mas com prazo válido de 60 dias. Para poder utilizá-lo é necessário instalar também o ambiente de desenvolvimento integrado MPLAB, também disponibilizado na Internet, onde são oferecidos recursos para criação de projetos de programação e outras funções para depuração dos programas criados (WILMSHURST, 2007).

32 16 III. A PILHA TCP/IP O TCP e o IP são dois protocolos que servem de base para o funcionamento da Internet. Recebem juntos os nomes de pilha de protocolos TCP/IP, ou pilha TCP/IP devido à maneira como são implementados. O conjunto de protocolos surgiu na década de 60 sob o financiamento do governo norte-americano para interligar uma rede fechada de computadores entre bases militares, porém com a evolução de seu estudo acabou dando origem à conhecida rede mundial de computadores, tornando-se tão comum que já se seleciona aplicações por oferecerem suporte a pilha TCP/IP (NAUGHE, 1998). 3.1 A Divisão em Camadas Os protocolos presentes na pilha TCP/IP são organizados em camadas, onde cada camada é responsável por parte da comunicação. Essa divisão originalmente foi baseada no modelo OSI (Open Systems Interconnection) que foi um projeto desenvolvido pela ISO (International Standard Organization) para criação de padrões de protocolos de comunicação. O modelo OSI previa a utilização de sete camadas denominadas como: aplicação; apresentação; sessão; transporte; rede; enlace e física. Entretanto, apesar do sucesso desse modelo na literatura acerca de redes de computadores o mesmo não aconteceu comercialmente e por isso surgiram outros modelos baseados no OSI dentre os quais o de maior sucesso foi o TCP/IP que define a arquitetura da Internet. Esse modelo na verdade é uma simplificação das camadas OSI e é usado na maioria das aplicações que envolvem a pilha TCP/IP, conforme mostrado na figura 3.1 (CANTÚ, 2003). Figura 3.1 Modelo em camadas OSI e o modelo da Internet.

33 17 Para esclarecer melhor como é feito o encapsulamento dos dados e o funcionamento das camadas será feito um detalhamento de cada uma delas. 3.2 Camada Aplicação A camada de aplicação estabelece as regras para troca de mensagens entre as aplicações de uma rede (CANTÚ, 2003, p. 17). Nesta camada é onde são desenvolvidos os aplicativos que gerenciam as atividades de uma rede e as aplicações para Internet. Nela que estão os protocolos que gerenciam serviços de troca de s, de data e hora internacional e muitos outros dentre os quais o mais famoso é o WWW (World Wide Web) que utiliza o protocolo HTTP (HyperText Transfer Protocol) para coordenar a troca de informações entre servidores web e navegadores como o Internet Explorer e o Mozilla Firefox (CANTÚ, 2003). 3.3 Camada de Transporte A camada de transporte estabelece um canal de comunicação lógico para a transferência de mensagens porta a porta entre os processos de aplicação rodando em dois computadores remotos (CANTÚ, 2003, p. 17). Em outras palavras, é a camada responsável por garantir o envio/recepção dos dados entre o servidor e o cliente ligados pela rede e sua entrega a camada superior, a de aplicação. 3.4 Camada de Internet ou Camada de Rede Dentro da Internet, as mensagens e os dados são fragmentados em pacotes que recebem o nome de datagramas. Os datagramas viajam pela rede mundial de computadores por meio de roteadores (servidores responsáveis por conectar redes remotas) de forma a interligar o servidor da Internet ao cliente que requisitou seu serviço. A camada de Internet é a responsável por definir a rota a ser seguida pelos datagramas para que esta tarefa possa ser realizada (CANTÚ, 2003). 3.5 Camada de Enlace/Física Essa camada é a responsável pela ligação física entre um nó da rede até um nó adjacente dentro de uma determinada rota. Tal ligação consiste do meio físico e do protocolo de interligação das redes. Os meios físicos podem ser cabo coaxial, fios de cobre, fibra óptica ou ar pelo uso de radiofreqüência. O enlace está relacionado ao endereçamento das interfaces de rede, detecção e correção de eventuais erros provenientes do meio físico (CANTÚ, 2003).

34 18 As informações seguem de uma entidade a outra da rede segundo a hierarquia das camadas, por isso cada uma delas precisa garantir a passagem das informações ao próximo nível. Essa tarefa é feita pelos protocolos escolhidos para compor a pilha e sua seleção deve ser feita de acordo com as funções que a rede terá que desempenhar. Na figura 3.2, o fluxograma exibe a sucessão de camadas que os dados são submetidos para trafegar entre entidades de uma rede. Meio Físico Figura 3.2 Sentido dos pacotes na rede. 3.6 Principais Protocolos da Pilha TCP/IP Anteriormente definiram-se as camadas pertencentes modelo de arquitetura da Internet, suas definições e aplicações em uma rede computadores. Porém, para que tais funções sejam desempenhadas ficou determinada a necessidade da existência de protocolos para coordenar a troca de informações de um equipamento da rede com outro. Na figura 3.3 tem-se uma representação das siglas dos principais protocolos de cada camada, seguido por uma descrição de suas funcionalidades. Figura 3.3 Principais protocolos da pilha TCP/IP separados por camadas.

35 Protocolos da Camada de Aplicação Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP): Protocolo que permite a alocação dinâmica de números IP. O servidor DHCP recebe uma requisição de um cliente e a responde enviando o número IP e todas as demais configurações necessárias para sua inclusão na rede (KUROSE; ROSS, 2006); Simple Mail Transfer Protocol (SMTP): Protocolo utilizado para formatação e gerenciamento de troca de mensagens eletrônicas entre servidores e clientes (KUROSE; ROSS, 2006); File Transfer Protocol (FTP): Protocolo utilizado para transferência de arquivos em uma rede de comunicação de dados. Utiliza o protocolo TCP como base (KUROSE; ROSS, 2006); Simple Network Time Protocol (SNTP): Protocolo utilizado para comunicar um cliente a um servidor de data e hora, permitindo a atualização desses dados via rede (KUROSE; ROSS, 2006); HyperText Transfer Protocol (HTTP): Este protocolo é o coração da Internet, através dele se determina como os clientes requisitam páginas aos servidores web e como eles respondem a estas requisições. Para melhor compreensão vamos definir a função de um servidor web e de um cliente. Servidor web é onde ficam armazenadas as páginas, as imagens, os bancos de dados e as ações gravadas nos hiperlinks das páginas, sua função é responder às requisições de clientes enviando-lhes esses dados. Cliente é um navegador que faz requisições de conteúdo ao servidor web e exibe as informações recebidas de maneira compreensível ao usuário (KUROSE; ROSS, 2006); 3.8 Protocolos da Camada de Transporte User Datagram Protocol (UDP): O UDP é um protocolo não orientado a conexão e não-confiável que transmite seus dados através de datagramas IP. É utilizado normalmente em aplicações que necessitam de transporte rápido e contínuo de um equipamento a outro na rede. Este protocolo não faz a verificação da chegada nem da integridade dos dados no nó receptor, isso garante sua velocidade, mas não oferece confiabilidade (KUROSE; ROSS, 2006); Transmission Control Protocol (TCP): O TCP é o protocolo mais complexo do conjunto da pilha TCP/IP. Transmitindo dados encapsulados em datagramas IP, ele oferece total confiabilidade na entrega dos dados e controle de fluxo, além de ser

36 20 orientada a conexão, i.e., a aplicação envia um pedido de conexão para o destino e usa este ligação para transferir dados (KUROSE; ROSS, 2006); 3.9 Protocolos da Camada de Internet/Rede Internet Protocol (IP): É o protocolo responsável pelo controle de transporte dos datagramas dentro de uma rede para outra dentro da Internet. Cada equipamento de rede que possui conexão com a Internet possui um único número IP através do qual é feito seu endereçamento na rede. O protocolo IP é não-confiável, o que significa que não há garantias na entrega dos pacotes que podem ser transmitidos incompletos, duplicados ou perdidos por inteiro (KUROSE; ROSS, 2006); Internet Control Message Protocol (ICMP): O ICMP é o protocolo responsável por comunicar mensagens de erro ou de situações inesperadas entre entidades da rede através dos datagramas IP (KUROSE; ROSS, 2006); 3.10 Protocolos da Camada Enlace/Física Point-to-Point Protocol (PPP): O PPP é um protocolo implementado em nível de software para interligar uma entidade emissora a uma entidade receptora dentro de uma rede de maneira simples e confiável. É tipicamente escolhido para conectar computadores pessoais a um provedor de Internet, por possibilitar conexão através de linhas telefônicas e possuir de uma série de outros protocolos de inicialização da conexão que vão desde reconhecimento de senhas até esquemas de compressão de dados (KUROSE; ROSS, 2006); Address Resolution Protocol (ARP): No nível mais baixo da pilha TCP/IP, os datagramas IP são manipulados por interfaces físicas de rede como, por exemplo, na ethernet as placas de rede dos computadores. Essas interfaces possuem um esquema próprio para endereçamento, diferente do IP. O ARP é o protocolo que traduz os endereços IP para endereços compatíveis com os das interfaces físicas. Comumente o ARP é utilizado para mapear endereços IP em endereços ethernet, mas também é capaz de trabalhar com outros padrões (KUROSE; ROSS, 2006); Ethernet (IEEE 802.3): É a tecnologia de rede mais difundida hoje em redes locais, pode-se dizer que a ethernet está para redes locais como a Internet está para redes geográficas. Este padrão define cabeamento e sinais elétricos para a camada física, o formato de pacotes e protocolos para a camada de controle de enlace MAC (Media

37 21 Access Control), que é um número que representa o endereço físico de uma interface de rede. Ethernet usa o protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection) como meio de acesso as interfaces, isso permite que o mesmo canal (fio) possa ser utilizado por várias interfaces de rede (KUROSE; ROSS, 2006); Neste trabalho o padrão ethernet foi implementado utilizando a tecnologia 10BaseT, capaz de alcançar velocidades de até 10Mbps, usam cabos par trançado de cobre e conector RJ-45 (KUROSE; ROSS, 2006).

38 22 IV. ZIGBEE 4.1 Introdução O padrão ZigBee foi desenvolvido para servir de alternativa de comunicação sem fio em sistemas não muito complexos, do ponto de vista de implementação da rede de comunicação, que exijam soluções de baixo custo e baixo consumo de energia. Trata-se de uma tecnologia de aplicação simples, que opera através de protocolos de transferência de pacotes de dados com características específicas, oferecendo assim flexibilidade quanto ao tipo de dispositivo que pode ser controlado (IEEE, apud TEIXEIRA, 2006, p. 42). Criado por uma aliança entre empresas do ramo de tecnologia chamada ZigBee Alliance, o ZigBee surgiu da falta no mercado de uma norma que regulamentasse aplicações de redes sem fio para controle e monitoramento de dispositivos, que oferecesse ao mesmo tempo autonomia, segurança e confiabilidade na troca de informações. Dessa necessidade foi criado o padrão baseado na norma IEEE , homologada em maio de 2003, onde foi proposta a regulamentação para conexão de dispositivos de rádio com baixa taxa de transferência em PANs (Personal Area Network) e sua operação em faixas livres de freqüência. (SANTOS, 2007). Dentre as principais características do ZigBee, as que lhe concederam destaque na automação de processos e conseqüentemente levaram a sua introdução no mercado foram: Reduzido consumo de energia (low power); Pilha de protocolos de fácil implementação, conduzindo a interfaces de baixo custo (low cost); Capacidade de sustentar uma grande quantidade de nós por rede (65535 para cada ZigBee Coordinator); Admite diferentes topologias de rede: estrela; malha ou cluster árvore; Tempo pequeno de ligação a rede, rapidez na passagem do modo de espera para o modo ativo e baixa latência (low latency); Dois modos de operação da rede: beaconing e non-beaconing; Elevada segurança e confiabilidade, com recursos de encriptação de 128 bits; Suporte a duas classes de dispositivos em uma mesma rede definidos pela norma IEEE , que são:

39 23 Full Function Device (FFD) pode funcionar em qualquer que seja a topologia da rede, desempenhando a função de coordenador da rede e conseqüentemente ter acesso a todos os outros dispositivos. São dispositivos de construção mais complexa; Reduced Function Device (RFD) é limitado a uma configuração com topologia em estrela, não podendo atuar como coordenador da rede, podendo apenas comunicar-se com ela. São dispositivos de construção mais simples; Suporte a três tipos de dispositivos lógicos: Coodenador (Coordinator) Associado aos dispositivos do tipo FFD. Suas funções são formar a rede e atribuir endereços aos endpoints. Existe apenas um por rede; Roteador (Router) Associado aos dispositivos do tipo FFD. Permite que mais nós se juntem à rede, aumentando o seu alcance físico. Pode também efetuar funções de controle e monitoramento. A sua existência é opcional; Dispositivo Final (Endpoint) Associado aos dispositivos do tipo RFD ou FFD, efetua ação de controle e monitoramento através de equipamentos acoplados a ele tais como sensores, controladores, atuadores e outros. 4.2 Topologias As especificações da norma IEEE , permitem três tipos de topologias a serem implementadas de acordo com a aplicação (IEEE, apud TEIXEIRA, 2006, p. 50). Todas três serão descritas com maiores detalhes nesta seção Estrela (Star) Na topologia estrela (Figura 4.1), a comunicação é estabelecida entre os dispositivos e um único coordenador na rede. O coordenador obrigatoriamente deve estar em modo de recepção quando não estiver transmitindo para poder gerenciar todos os dispositivos finais. Ele pode ser programado em conjunto com microcontroladores de baixo custo e ser alimentado por uma fonte continuamente. Os demais dispositivos da rede podem ser ligados através de baterias usando ou não microcontroladores (IEEE, apud TEIXEIRA, 2006, p. 51).

40 24 Este tipo de topologia comumente aplica-se em atividades de automação residencial, periféricos de computador pessoal, jogos e aplicações médicas (GOLMIE; CYPHER; REBALA, apud SILVA, 2007, p.7) Figura 4.1 Topologia em estrela Árvore (Cluster Tree) Essa topologia em (Figura 4.2) é obtida através da modificação da topologia em estrela, pela inclusão de novos dispositivos FFD que desempenharão a função de roteadores. Isso torna possível estender geograficamente a rede (TEIXEIRA, 2006). A distribuição dos dados e das mensagens de controle é feita de maneira hierárquica onde o coordenador atinge todos os endpoints de forma indireta pelo uso dos roteadores (SANTOS, 2007). Figura 4.2 Topologia em cluster ou árvore Malha (Mesh) Em uma topologia em malha (Figura 4.3), todos os dispositivos do tipo FFD comunicam-se de forma direta, isso permite além da expansão geográfica, obtida também pela topologia em árvore, a possibilidade de redundância na rede. Isso é útil, pois caso um roteador perca

41 25 conexão com o coordenador ainda é possível controlá-lo pelo uso de outra rota (TEIXEIRA, 2006). Figura 4.3 Topologia em malha 4.3 ZigBee e o Modelo OSI A arquitetura das redes ZigBee é baseada no modelo em camadas OSI (Figura 4.4). Cada camada é responsável por parte do padrão, oferecendo serviços as camadas superiores. As camadas MAC e PHY são definidas pela norma IEEE e as superiores são definidas pela ZigBee Alliance (IEEE, apud SILVA, 2007, p. 10). Figura 4.4 Relação da arquitetura protocolar do ZigBee com a do modelo OSI Fonte: ZIGBEE, 2008

42 26 A camada PHY é a mais baixa na hierarquia e tem a função de permitir a transmissão e a recepção de dados. É nela que se enquadram os circuitos eletrônicos que fazem as trocas de informações, que no caso das redes ZigBee são os módulos transceptores de radiofreqüência (SANTOS, 2007). A camada MAC é responsável por controlar o acesso aos canais de radiofreqüência, utilizando mecanismos de prevenção de colisão CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance). Além disso, especifica os tipos de dispositivos permitidos na rede, garantindo a segurança de operação (SANTOS, 2007). A camada NWK é a primeira camada que é definida pela ZigBee Alliance. Foi projetada para controlar o início e o fim da atividade dos dispositivos da rede, além de detectar a inclusão de novos equipamentos na vizinhança armazenando suas informações e posição dentro dos nós. Ainda nesta camada, estão presentes os mecanismos de descoberta de rotas e encaminhamento de informação, seria analogamente a camada de rede do modelo OSI (SANTOS, 2007). As demais camadas de aplicação encarregam-se de assegurar uma correta gestão e suporte para as diversas aplicações do ZigBee A Camada PHY Esta camada define como os dispositivos ZigBee devem se comunicar através de um canal sem fio. Opera em bandas de freqüência ISM (Industrial, Scientific, Medical) que não requerem licenciamento para serem utilizadas, sendo uma de 2.4GHz utilizada em todo o mundo, uma de 868MHz utilizada na Europa e uma 915MHz utilizada na América do Norte (IEEE, apud SILVA, 2007, p. 12). Essas faixas de freqüência diferem umas das outras devido as características apresentadas na tabela 4.1. BANDA CONVERGÊNCIA Tabela 4.1 Diferenças entre faixas de freqüência ZigBee TAXA DE TRANSFERÊNCIA CANAIS SUPORTADOS 2.4GHz Mundial 250 kbps MHz Europa 20 kbps 1 915MHz Américas 40 kbps 10 Fonte: IEEE, apud TEIXEIRA, 2006, p. 46. APLICAÇÃO RECOMENDÁVEL Ambientes internos, menor distância Ambientes externos, maior distância Ambientes externos, maior distância

43 A Camada de Enlace A subcamada MAC trata todo acesso ao canal físico de rádio e é responsável pelas seguintes tarefas: geração e sincronização de beacons (pacotes de controle que delimitam quadros utilizados pelo coordenador para sincronizar-se com os demais dispositivos da rede); suporte de associação/desassociação de dispositivos na rede; suporte à segurança do dispositivo; gerenciamento de acesso ao canal via CSMA/CA e prover validação e reconhecimento de mensagem recebida pela rede (KOUBÂA; ALVES; TOVAR, apud SILVA, 2007, p. 14). Uma rede ZigBee pode utilizar dois mecanismos de acesso aos canais conhecidos por beaconned e non-beaconned. Beaconned: Neste modo, uma portadora fragmenta a transmissão/recepção de dados em intervalos de tempo denominados superframes delimitados por beacons. Enquanto nenhum superframe está ativado a rede permanece inativa (standby). Nesse período, qualquer dispositivo que deseje transmitir informações tem necessariamente que aguardar o seu fim. Em situações onde haja mais de um dispositivo transmitindo ao mesmo tempo, novas tentativas devem ser realizadas por ambos até o sucesso, caso contrário é gerada uma mensagem de erro de conexão (TEIXEIRA, 2006). Na figura 4.5 apresenta-se o esquema de uma transmissão beaconned com três rádios, um coordenador e dois dispositivos finais. O sinal azul é o beacon, a partir dele limitase o período de beacon, que é a união do período do superframe com o período em que a rede permanece em contenção. Durante o superframe o coordenador permanece em estado de recepção (cor amarela) todo o tempo, com exceção do período em que está transmitindo (cor vermelha). Já os dispositivos finais ficam em estado de dormência quando não estão transmitindo nem recebendo dados. Figura 4.5 Representação de uma rede beaconned Fonte: Adaptado de TEIXEIRA, 2006.

44 28 Non-beaconned: Este modo funciona da mesma maneira que o anterior, exceto pelo fato da transmissão ser contínua, não havendo tempo de contenção (TEIXEIRA, 2006). A figura 4.6 mostra um esquema deste tipo de transmissão. É enviado apenas um beacon para iniciar a rede e as transmissões, em seguida os dispositivos se comportam da mesma maneira que o exemplo da figura 4.5. Figura 4.6 Representação de uma rede non-beaconned Fonte: Adaptado de TEIXEIRA, A Camada de Rede Esta camada compreende além do transporte de informações em redes ZigBee, também o suporte as aplicações desses dispositivos. Para desempenhar esse papel, lhe foram concedidas algumas funcionalidades descritas como: Network Scan: Capacidade de um dispositivo de detectar um ou mais canais ativos em sua faixa de comunicação (TEIXEIRA, 2006); Creating/Joining a PAN: Criar uma rede local e ingressar em uma já existente (TEIXEIRA, 2006); Device Discovery: Capacidade de encontrar dispositivos sobre o canal ativo na PAN (TEIXEIRA, 2006); Service Discovery: Descoberta de um serviço e a capacidade de determinar quais serviços são suportados pelos dispositivos dentro de uma rede (TEIXEIRA, 2006); Binding: Capacidade de se comunicar no nível da aplicação com outro dispositivo da rede (TEIXEIRA, 2006).

45 Características Técnicas do ZigBee Número de Canais e Freqüências A norma IEEE regulamenta 27 canais de freqüência livres para operação do ZigBee, tais canais são divididos de acordo com a onda portadora gerada pelo módulo transceptor e se dividem em três faixas de freqüência. A primeira vai de 868MHz até 868,6MHz, suporta somente um canal e é utilizada somente na Europa (Figura A). A segunda faixa começa em 902MHz e termina em 928MHz, oferece 10 canais e é utilizada comumente na América do Norte (Figura B). Por fim, a última faixa vai de 2,4GHz até 2,4845GHz, oferece 16 canais e é utilizada em todo o mundo (Figura C). A tabela 4.2 mostra como calcular a faixa de freqüência central de cada canal (IEEE, apud TEIXEIRA, 2006, p. 57). Figura 4.7 Estrutura de canais IEEE Fonte: Adaptado de TEIXEIRA, Modulação Tabela 4.2 Freqüência central dos canais NÚMERO DO FREQÜÊNCIA CENTRAL DO CANAL CANAL (MHz) K = 0 868,3 K = 1, 2,, (K-1) K = 11, 12,, (K-11) Fonte: TEIXEIRA, A modulação dos sinais em redes ZigBee acontece de duas formas distintas, dependendo do tipo de camada física utilizada. Para as camadas físicas de 868/915MHz a modulação é do tipo BPSK (Binary Phase Shift Keying) já para as de 2,4GHz a modulação utilizada é a O- QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) (TEIXEIRA, 2006).

46 30 A modulação BPSK funciona conforme a figura 4.8, onde são mostrados três sinais diferentes. O primeiro deles é chamado sinal modulante, ele é a informação propriamente dita que deve ser enviada de um dispositivo a outro na rede, trata-se de uma seqüência de bits que traduzem os dados de sensores ou outros dispositivos conectados aos transceptores ZigBee. O segundo sinal é a onda portadora analógica, no caso do ZigBee trata-se de um sinal senoidal nas freqüências de 868/915MHz ou 2,4GHz, é através de sua deformação que será gerado o sinal modulado. O terceiro sinal é chamado de portadora modulada, é ele que efetivamente se transmite de um transceptor a outro da rede. Toda vez que o sinal modulante alterna o estado de um bit (de 0 para 1 ou de 1 para 0) a portadora analógica sofre uma inversão em fase de 180º, originando assim a portadora modulada. Dessa forma é possível reconstruir os dados que estavam no transmissor de rádio no receptor pelas técnicas de demodulação em fase (CARLETI, 2003). Na figura 4.9 expõe-se graficamente a modulação O-QPSK que funciona de maneira parecida com a BPSK. O sinal modulante é agrupado em conjuntos de dois bits (a e b), nomeados DBITS, a cada evento onde um desses pares é identificado o sinal modulado sofre uma deformação pré-definida, segundo a tabela 4.3. (CARLETI, 2003). Figura 4.8 Esquema de modulação BPSK Fonte: CARLETI, 2003 Figura 4.9 Esquema de modulação O-QPSK Fonte: CARLETI, 2003

47 31 Tabela 4.3 Ângulo de deformação da fase na modulação O-QPSK Bit a Bit b Defasagem (º) Sensibilidade e Potência A especificação para sensibilidade do padrão ZigBee regulamenta -85dBm para a camada física de 2,4GHz e -92dBm para as camadas de 868/915MHz. A potência também varia de acordo com a camada física utilizada, porém a norma regulamenta o mínimo de 1mW por dispositivo capaz de cobrir uma área em ambientes internos de 10m a 20m ou uma área externa de até 100m (IEEE, apud TEIXEIRA, 2006, p. 59). Os dispositivos XBee-PRO TM são modificados para alcançar um melhor desempenho e possuem uma sensibilidade de -100dBm e potência de 100mW que lhes garante um alcance teórico em ambientes internos de 100m a 200m e ambientes externos de até 1,6Km (MAXSTREAM, 2006) Interferência Os transceptores que operam a 2,4GHz sofrem com interferências geradas por outros dispositivos que operam em faixas próximas, como telefones e redes Wi-Fi de computadores. Porém a norma IEEE prevê este tipo de falha quando permite a baixa qualidade de serviço e não requer comunicação síncrona entre equipamentos (TEIXEIRA, 2006) Segurança Em redes ZigBee, a camada MAC utiliza o padrão AES (Advanced Encryption Standard) fornecendo um algoritmo de 128 bits para criptografia dos dados. Apesar do processamento desse algoritmo ser feito pela camada MAC, são as camadas superiores a de enlace que controlam em que nível ele deve ser utilizado, podendo ser: sem segurança; controle de acesso aos dados e com chave simétrica de 128 bits AES (TEIXEIRA, 2006).

48 Comparação com Outras Tecnologias Sem Fio Em computação, existem duas tecnologias sem fio que merecem destaque ao se comparar com o ZigBee, são elas o Bluetooth (IEEE ) e o Wi-Fi (IEEE ). O Wi-Fi pelo fato de ser vastamente utilizado em redes residenciais e inclusive em algumas aplicações embutidas e o Bluetooth por também pertencer a mesma categoria que o ZigBee de dispositivos PAN. Em termos de aplicação o Bluetooth destaca-se em funções que exigem média taxa de transferência de dados, ao contrário do ZigBee que foi criado para atividades de baixa taxa de transferência e pouco consumo de energia. O Bluetooth é usado basicamente para interconectar dispositivos eletrônicos sem a necessidade de usar fios. Tal atividade requer conexão constante entre os dispositivos aumentando dessa forma o consumo de energia necessário para criar e manter uma rede. Por outro lado, o ZigBee oferece a opção de manter os equipamentos em estado de dormência reduzindo momentaneamente a quase zero o consumo de energia de uma rede baseada nele (TEIXEIRA, 2006). O Wi-Fi é um padrão utilizado para transferência massiva de dados em redes locais. Foi desenvolvido para substituir os convencionais cabos em aplicações residenciais e industriais. Além da alta taxa de transferência, o elevado consumo de energia e o alto custo financeiro são algumas das características que o distinguem do ZigBee (SILVA, 2007). A tabela 4.4 faz um comparativo mais detalhado entre as tecnologias descritas. Tabela 4.4 Comparativo entre tecnologias sem fio CARACTERÍSTICAS WI-FI (WLAN) BLUETOOTH (WLAN/WPAN) ZIGBEE (WPAN) Padrão Corrente de Transmissão 400 ma 40 ma 35 ma Consumo em Standby 20 mah 200 µah 3 µah Complexidade Complexo Muito Complexo Simples Nós por Mestre Alcance 100m 10m 100m Extensível Possibilidade de Roaming Não Sim Taxa de Transferência 11 a 54 Mbps 1 Mbps 250 Kbps Segurança Serviço de Autenticação 128bits AES e Nível de 64bits, 128bist de Identificação (SSID) Aplicação do Usuário Aplicação Internet, Vídeo, Monitoramento e Substituição de Cabos Controle Atributos Confiabilidade Conveniência de Custo Velocidade e Flexibilidade Fonte: Adaptado de TEIXEIRA, 2006.

49 33 V. A PILHA TCP/IP DA MICROCHIP E OS MÓDULOS XBEE-PRO 5.1 Introdução O mercado para produtos e serviços relacionados à Internet está em constante crescimento desde a popularização dessa tecnologia no início da década de 90. Talvez esse seja o argumento mais poderoso para se defender uma aplicação na área. Desse ponto de vista, podese facilmente explicar a expansão de dispositivos eletrônicos capazes de comunicar-se em rede e realizar tarefas sob ordens passadas remotamente pela Internet. Hoje é possível encontrar equipamentos de segurança, instrumentos industriais, controladores lógicos programáveis e muitos outros dispositivos com suporte a pilha TCP/IP, permitindo assim seu acesso e controle pela rede mundial de computadores. Para proporcionar ao PIC a possibilidade de conexão com a Internet, a Microchip disponibiliza gratuitamente uma pilha TCP/IP apropriada para esses microcontroladores trabalharem em conjunto com o controlador de rede ethernet da empresa, o circuito integrado ENC28J60. As tecnologias de comunicação sem fio também estão em constante desenvolvimento e com grande aceitabilidade no mercado de dispositivos eletrônicos. Com base no potencial que o ZigBee oferece a suas aplicações, a empresa MaxStream TM começou a comercializar o módulo transceptor de rádio XBee-PRO TM, baseado no padrão e dotado de uma série de funções que favorecem sua utilização em sistemas embutidos. Para um melhor entendimento de como associar todos esses dispositivos em um único projeto, serão detalhados os circuitos e os programas criados para controlá-los, bem como algumas das vantagens e desvantagens em utilizá-los para comunicar microcontroladores. Além disso, serão expostas algumas das limitações impostas pela escassez de recursos de hardware nos dispositivos utilizados no projeto. 5.2 A Pilha TCP/IP da Microchip No capítulo 3 foi feita uma revisão acerca da pilha de protocolos TCP/IP baseada no modelo OSI em camadas. Sob as mesmas regras, a pilha TCP/IP da Microchip disponibiliza um conjunto de programas que possibilita o uso dos protocolos em diversas aplicações, com destaque para servidores web (RAJBHARTI, 2002).

50 Organização da Pilha TCP/IP da Microchip O modelo de referência OSI, propõe uma pilha dividida em camadas com funções diferentes organizadas de forma hierárquica, dessa maneira, cada camada só consegue acessar serviços de outra diretamente abaixo de seu nível (RAJBHARTI, 2002). Por normalização, a maioria das camadas só reage a um serviço quando é requisitada por eventos, tais como um estouro de tempo ou chegada de pacotes. Com base nisso, um sistema multitarefa com muita memória de programa e de dados pode facilmente incorporar tais atividades. Porém, o mesmo não acontece quando se fala de realizá-las empregando apenas um microcontrolador de 8 bits com algumas centenas de bytes de memória RAM e memória de programa limitada (RAJBHARTI, 2002). A pilha TCP/IP da Microchip é especializada em contornar as dificuldades de desenvolvimento em ambientes embarcados, por isso necessita de algumas alterações feitas a partir do modelo de referência, que a auxiliem a funcionar em situações onde há escassez de recursos de hardware. Isso é possível através do uso de duas novas camadas incorporadas a pilha, sendo uma delas denominada StackTask e a outra ARPTask. A StackTask gerencia todas as camadas da pilha e as operações que as compõem, permitindo acesso a níveis diferentes da pilha dependendo da aplicação. O ARPTask coordena o acesso e auxilia os serviços da camada ARP. Esses módulos operam em conjunto sob uma técnica conhecida como cooperative multitasking (multitarefa cooperativa). Nela, todas as tarefas devem ser executadas compartilhando os recursos do sistema. Assim, as duas camadas operam em conjunto da seguinte maneira, quando uma cumpre seus trabalhos ela gera um sinal de controle para que a outra possa executar os dela. Essa característica permite a pilha trabalhar de forma mais rápida e manter certa independência do programa principal, tornando possível sua utilização em dispositivos com poucos recursos. Na figura 5.1 é mostrada graficamente uma comparação entre a arquitetura e o acesso as camadas do modelo de referência da pilha TCP/IP e da pilha TCP/IP da Microchip (RAJBHARTI, 2002).

51 35 Figura 5.1 Comparação entre a arquitetura do modelo de referência da pilha TCP/IP e a pilha da Mircrochip. Fonte: RAJBHARTI, Utilização da Pilha TCP/IP da Microchip Por tratar-se de um grande conjunto de arquivos, a pilha TCP/IP da Microchip necessita de uma breve explicação a respeito de sua configuração e do seu funcionamento. Para começar a trabalhar, primeiro é preciso fazer o seu download do site da Microchip. Existem várias versões disponíveis, mas neste trabalho foi utilizada a Ao descompactar os arquivos o usuário depara-se com uma série de projetos pré-configurados segundo a tabela 5.1. Basicamente o que o pré-projeto determina são quais protocolos e qual compilador serão usados na aplicação. Para este projeto a escolha apropriada foi o MPNICPG.PJT, por trabalhar com o compilador C18, com controladores de rede NIC (Network Interface Controller), classificação onde se encaixa o ENC28J60, e por utilizar a memória interna do PIC para armazenar a pilha e as páginas de controle (RAJBHARTI, 2002). A programação dos protocolos encontra-se em forma de diretivas #define, própria de compiladores C. Essas diretivas permitem uma configuração mais fácil de tudo que é necessário para o funcionamento do microcontrolador e da pilha juntos, como por exemplo: o clock de operação do sistema; o uso de memórias EEPROM externas; o uso da USART do PIC; quais camadas devem ser usadas no projeto; entre outras configurações importantes para o funcionamento da pilha (RAJBHARTI, 2002).

52 36 Tabela 5.1 Pré-projetos fornecidos junto com a pilha TCP/IP pela Microchip PROJETO CARACTERÍSTICAS Pilha Microchip TCP/IP usando uma interface controladora de rede HTNICEE.PJT (NIC), memória externa EEPROM, Hi-Tech C Compiler, IP DHCP, FTP, ICMP e HTTP. Pilha Microchip TCP/IP usando uma interface controladora de rede HTNICPG.PJT (NIC), memória interna de programa, Hi-Tech C Compiler, IP DHCP, FTP, ICMP e HTTP. Pilha Microchip TCP/IP usando uma interface SLIP, memória externa HTSIEE.PJT EEPROM, Hi-Tech C Compiler, IP DHCP, FTP, ICMP e HTTP. Pilha Microchip TCP/IP usando uma interface SLIP, memória interna HTSIPG.PJT de programa, Hi-Tech C Compiler, IP DHCP, FTP, ICMP e HTTP. Pilha Microchip TCP/IP usando uma interface controladora de rede MPNICEE.PJT (NIC), memória externa EEPROM, Microchip C18 Compiler, IP DHCP, FTP, ICMP e HTTP. Pilha Microchip TCP/IP usando uma interface controladora de rede MPNICPG.PJT (NIC), memória interna de programa, Microchip C18 Compiler, IP DHCP, FTP, ICMP e HTTP. Pilha Microchip TCP/IP usando uma interface SLIP, memória externa MPSIEE.PJT EEPROM, Microchip C18 Compiler, IP DHCP, FTP, ICMP e HTTP. Pilha Microchip TCP/IP usando uma interface SLIP, memória interna MPSIPG.PJT de programa, Microchip C18 Compiler, IP DHCP, FTP, ICMP e HTTP. Fonte: Adaptado de RAJBHARTI, A partir da escolha de um do pré-projeto adequada, inicia-se o ambiente de desenvolvimento MPLAB onde estarão dispostos todos os arquivos que formam a pilha, conforme a figura 5.2. Figura 5.2 Estrutura de arquivos da pilha TCP/IP da Microchip.

53 37 Os arquivos que compõem o projeto ficam separados em duas pastas diferentes: Source Files e Header Files. A pasta Source Files contém os arquivos de extensão C, que são os programas propriamente ditos e a pasta Header Files contém os arquivos de cabeçalho H, que são arquivos de configuração utilizados em conjunto com os arquivos C. Dentre estes arquivos quatro devem ser comentados em destaque: MainDemo.C: Este é o arquivo que contém o programa principal, nele fica a programação das entradas/saídas digitais, da conversão A/D dos sensores, dos caracteres a serem transmitidos via USART e as demais funções que devem ser executadas pelo microcontrolador; MPFSimg.C: Este arquivo é a tradução do site feito em linguagem HTML (HyperText Markup Language) para a linguagem C na forma MPFS (Multiple & Powerful Microchip File System), tal processo é executado pelo aplicativo MPFS.EXE que acompanha a pilha TCP/IP da Microchip (MICROCHIP, 2007); HTTP.C: Este é o arquivo onde está programado o servidor web da pilha, nele estão configurados os tipos de arquivo suportados e é onde são feitas as alterações de programação que permitem o uso de páginas para aparelhos celulares. O servidor web responde requisições da Internet através do programa principal pelo uso de duas funções HTTPGetVar e HTTPExecCmd, onde: HTTPGetVar: função utilizada para enviar valores de variáveis dinâmicas do programa do PIC para o site (RAJBHARTI, 2002); HTTPExecCmd: função utilizada para capturar para dentro do programa do PIC, variáveis enviadas através de formulários no site (RAJBHARTI, 2002); Compiler.H: Arquivo de configuração da pilha e do microcontrolador usado no projeto. Nesse arquivo configura-se o que é entrada ou saída no PIC, o clock de operação do sistema, a taxa de transferência da USART, e outras configurações importantes; 5.3 O Controlador de Rede ENC28J60 Trata-se de um circuito integrado com 28 pinos que fornece as camadas MAC e PHY segundo a norma IEEE 802.3, documento que padroniza a tecnologia ethernet. Este circuito integrado

54 38 possui uma série de característica que favorecem sua aplicação em sistemas embutidos, dentre as principais pode-se citar: Saída para dois LEDs indicativos, sendo um indicador de transmissão acionando quando são enviados pacotes e outro indicador de conexão com a rede acionado quando o controlador detecta conexão física com um host (MICROCHIP, 2007); Tensão de trabalho de 3,1V a 3,6V, corrente de operação entre 160mA e 180mA e faixa de temperatura tolerável de -40ºC a +85ºC (MICROCHIP, 2007); Módulo de comunicação serial via SPI com microcontroladores, permitindo uma taxa de transferência da ordem de 10Mb/s (MICROCHIP, 2007); Tipo de encapsulamento SOIC, SPDIP, SOP e QFN, permitindo miniaturização de acordo com a aplicação (MICROCHIP, 2007); Detecção e correção automática de polaridade e retransmissão automática de pacotes no caso de colisões, úteis para evitar problemas com o cabeamento e conflito com outros dispositivos na rede (MICROCHIP, 2007); Figura 5.3 Esquema do CI ENC28J60 Fonte: MICROCHIP, Os Transceptores XBee-PRO TM A comunicação sem fio neste trabalho é executada através dos módulos transceptores XBee- PRO TM da MaxStream (Figura 5.4). Eles foram escolhidos primeiramente por trabalharem sob a norma ZigBee, depois por serem dispositivos de fácil utilização do ponto de vista de programação e de hardware.

55 39 Figura 5.4 Módulo XBee-PRO TM Fonte: MAXSTREAM, Esses módulos são circuitos que assumem funções diversas separadas em 20 pinos, classificadas como: Entradas Analógicas: usadas para fazer a captura de um sinal analógico, servem para ligar sensores diretamente aos módulos sem a necessidade de microcontroladores (MAXSTREAM, 2006); Saídas PWM (Pulse-Width Modulation): usadas para gerar uma saída proporcional a conversão A/D de uma das entradas analógicas ou para indicar a potência do sinal de radiofreqüência através da configuração RSSI (RX Signal Strenght Indicator). O sinal RSSI é gerado pela atualização constante da sua largura de pulso pela integridade e quantidade dos pacotes recebidos pelo módulo através da rede ZigBee (MAXSTREAM, 2006); Entradas/Saídas Digitais: Usadas para comunicar diretamente um módulo com o outro de forma digital. Por exemplo, ao se colocar uma entrada digital em nível baixo no módulo coordinator, os módulos endpoints ao receberem esta informação colocam sua saída digital correspondente também em nível baixo (MAXSTREAM, 2006); Entrada/Saída Serial UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): Os transceptores XBee-PRO TM são dotados de um módulo UART que funciona de maneira idêntica ao módulo USART dos microcontroladores PIC, exceto pelo fato de só aceitar conexões assíncronas entre dispositivos. É por meio desse módulo que o transceptor comunica-se com os microcontroladores permitindo sua configuração e envio de dados para a rede via RS232 (MAXSTREAM, 2006);

56 40 Tabela 5.2 Descrição dos pinos do transceptores XBee-PRO TM PINO NOME DIREÇÃO DESCRIÇÃO 1 VCC - Alimentação (3,3V) 2 DOUT Saída Saída serial USART 3 DIN Entrada Entrada serial USART 4 DO8 Saída Saída Digital 8 5 RESET Entrada Reset do módulo 6 PWM0/RSSI Saída Saída PWM0 ou indicador de força do sinal RSSI 7 PWM1 Saída Saída PWM1 8 RESERVADO - Não conectado 9 SLEEP/DI8 Entrada Pino de controle do modo Sleep ou Entrada Digital 8 10 GND - Terra 11 AD4/DIO4 Ambos Entrada analógica 4 ou E/S Digital 4 12 CTS/DIO Ambos Sinal de controle CTS ou E/S Digital 7 13 ON Saída Indicador de estado do módulo 14 VREF Entrada Voltagem de referência para as entradas A/D 15 AD5/DIO5 Ambos Entrada analógica 5 ou E/S Digital 5 16 RTS/AD6/DIO6 Ambos Sinal de Controle RTS ou Entrada analógica 6 ou E/S Digital 6 17 AD3/DIO3 Ambos Entrada analógica 3 ou E/S Digital 3 18 AD2/DIO2 Ambos Entrada analógica 2 ou E/S Digital 2 19 AD1/DIO1 Ambos Entrada analógica 1 ou E/S Digital 1 20 AD0/DIO0 Ambos Entrada analógica 0 ou E/S Digital 0 Fonte: Adaptado de MAXTREAM, Os módulos XBee-PRO TM permitem cinco modos de operação: idle, receive, transmit, sleep e command. O modo idle fica ativo quando o transceptor não está enviando nem recebendo dados da rede. No modo sleep, o transceptor encontra-se em estado de economia de energia, mantendo um mínimo de corrente em seus circuitos somente para possibilitar sua reativação caso seja requisitada. Os modos receive/transmit são ativados quando as informações estão sendo recebidas/transmitidas pela antena do transceptor. O modo command é usado quando o transceptor encontra-se em programação, neste modo é necessário o uso de um computador ou de um microcontrolador para enviar através da UART os comandos que configurarão os pinos como digitais ou analógicos, as saídas PWM, a taxa de transferência para a comunicação serial, configurações de rede e de segurança dos XBee-PRO TM.

57 41 Figura 5.5 Modos de operação dos transceptores XBee-PRO TM Fonte: MAXSTREAM, A transmissão de dados entre os dispositivos é feita da seguinte maneira, as informações são colocadas no canal de transmissão da UART e o transceptor muda para o modo transmit, em seguida eles são enviados pela antena e podem ser capturados por qualquer módulo de rádio pertencente à rede, dessa forma é possível enviar dados sob o padrão RS232 dentro do alcance desses equipamentos. Na figura 5.6 mostra-se um esquema de como fazer a ligação dos módulos de radiofreqüência aos microcontroladores (MAXSTREAM, 2006). Figura 5.6 Esquema de ligação de um microcontrolador a um transceptor XBee-PRO TM Fonte: MAXSTREAM, Os Microcontroladores Utilizados PIC18F2620 O PIC18F2620, foi o microcontrolador escolhido para ser programado como servidor web em conjunto com a pilha TCP/IP da Microchip. Essa opção foi feita baseada principalmente na quantidade de memória que este dispositivo apresenta. Este microcontrolador apresenta uma