Viabilidade da plataforma Arduino e do protocolo ZigBee na elaboração de redes de sensores sem fio (RSSF)

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1 Viabilidade da plataforma Arduino e do protocolo ZigBee na elaboração de redes de sensores sem fio (RSSF) Helton Xavier Hernandez (1), Fahad Kalil (2) (1) Núcleo de Estudo e Pesquisa em Computação Aplicada - NEPCA, IMED, Brasil. (2) Núcleo de Estudo e Pesquisa em Computação Aplicada - NEPCA, IMED, Brasil.

2 Viabilidade da plataforma Arduino e do protocolo ZigBee na elaboração de redes de sensores sem fio (RSSF) Resumo: Redes de sensores sem fio são sistemas que tem por intuito interligar sensores em ambientes diversos, através de dispositivos e tecnologias que facilitem no desenvolvimento dessas redes. Bluetooth, Wi-Fi e ZigBee são exemplos de protocolos utilizados em redes sem fio. Raspberry Pi, LPC e Arduino, por sua vez são exemplos de microcontroladores ou dispositivos embutidos com um microcontrolador. ZigBee e Arduino são mais aconselháveis para utilização em redes de sensores sem fio, pois além das duas tecnologias serem mais acessíveis, o Arduino é mais recomendado para prototipação e testes, e o ZigBee é um protocolo bastante flexível e mais adaptável às redes de sensores sem fio (RSSF).O objetivo deste trabalho foi analisar a viabilidade da plataforma Arduino e do protocolo ZigBee no desenvolvimento de redes de sensores. Constatou-se que estas duas tecnologias estão entre as melhores em suas categorias, por diversos aspectos, dentre os quais preço acessível e simplicidade. Palavras-chave: Redes; Sensores; RSSF; Arduino; ZigBee. Abstract: Wireless sensor networks are systems whose purpose interconnect sensors in different environments, across devices and technologies that facilitate the development of these networks. Bluetooth, Wi-Fi and ZigBee are examples of protocols used in wireless networks. Raspberry Pi, LPC and Arduino in turn are examples of devices with embedded microcontrollers or a microcontroller. ZigBee and Arduino are more desirable for use in wireless sensor networks, because besides the two technologies are more affordable, the Arduino is more suitable for prototyping and testing, and the ZigBee protocol is a very flexible and adaptable to wireless sensor networks (WSN). The aim of this study was to analyze the feasibility of the Arduino platform and ZigBee protocol in sensor network development. It was found that these two technologies are among the best in their categories, by several aspects, among which affordability and simplicity. Keywords: Networks; Sensors; WSN; Arduino; ZigBee. 1. INTRODUÇÃO Redes de sensores sem fio (RSSF) são sistemas integrados geralmente compostos por centenas de dispositivos, de forma que estes podem monitorar o ambiente por meio de sensores, como nos campos da agricultura, saúde, esportes e segurança, por exemplo. Cada sensor no sistema é um nó na rede e pode realizar esta coleta de dados ambientais que são transmitidos sem a necessidade de cabos para um nó integrador que irá processá-los. A plataforma Arduino provê diversos recursos e várias possibilidades de aplicação. Em um cenário com redes de sensores, um dispositivo Arduino pode atuar como um roteador ou gateway para conexão com uma base de dados ou um sistema de usuário, isto porque possui conectividade Ethernet, Wifi, Bluetooth ou ainda ZigBee. Existem diversos tipos de sensores, com aplicabilidades ilimitadas, tais como medidores de temperatura, luminosidade, presença, umidade entre outros. Todo sensor precisa estar acoplado a um circuito, que através de uma rede sem fio vai enviar os sinais captados às bases de dados e aos servidores do sistema. Para o estabelecimento de uma rede sem fio, é preciso uma determinada gama de equipamentos, como sensores, microcontroladores e interfaces de rede compatíveis. Para tanto, especificações de protocolos sem fio são apresentadas como: protocolo Bluetooth, que embora seja simples é eficiente em curtas distâncias (até 10m) e Wi-Fi, que está presente em inúmeros equipamentos, entretanto, torna-se cara para ser utilizada em uma rede de sensores. Para suprir esta demanda por um protocolo eficiente em redes de sensores, existe o protocolo ZigBee, que é compatível com Arduino e possui uma arquitetura bastante robusta com capacidade de gerencia de outros nós e alcance de cerca de 100m. Portanto, a proposta desse trabalho é verificar, através de levantamento bibliográfico, experimentos e comparação de trabalhos já realizados, se a plataforma

3 Arduino e o protocolo Zigbee são aplicáveis em testes, se atendem aos requisitos de projeto e se são viáveis do ponto de vista financeiro para o desenvolvimento de redes de sensores. Segundo (DOS SANTOS, 2007), devido às inovações de microprocessamento e sensoriamento que estão surgindo, sistemas eletrônicos e digitais de comunicação sem fio estão sendo feitos com o uso de sensores inteligentes em diversos campos do conhecimento. As redes de sensores sem fio (RSSF), também conhecidas como Wireless Sensor Networks (WSN) não se enquadram nas categorias tradicionais de redes de computadores. São caracterizadas por possuírem geralmente vários nós espalhados pela sua área de abrangência, consumo de energia limitado, são autoconfiguráveis e possuem tolerância a falhas, como problemas de comunicação e perda de nós. Uma RSSF tem autonomia e depende da cooperação de todos os ativos da rede. Não existem muitos padrões definidos para esse tipo de rede, no entanto é consenso que os principais requisitos de uma RSSF são baixa latência, limitações de energia, baixo custo, grande número de dispositivos e baixa complexidade dos nós componentes. As principais tecnologias disponíveis no mercado são o ZigBee, Wi-Fi, Bluetooth e UWB. Dentre estas, o padrão mais adequado atualmente para uma RSSF é o ZigBee, pelos fatores de custo e consumo. A alta taxa de dados do UWB não é necessária. A alta potência do Wi-Fi apresenta um consumo de energia maior, e o Bluetooth, mesmo apresentando baixo custo, demora nas respostas das requisições, o que não é adequado na elaboração de uma RSSF. 2. PRINCIPAIS TECNOLOGIAS PARA REDES DE SENSORES SEM FIO 2.1. Arduino Define-se como microcontrolador um componente dotado de microprocessador, memória e outros elementos que variam conforme o objetivo de sua elaboração, tais como memórias secundárias e portas de entrada e saída. A maioria dos equipamentos eletrônicos modernos é dotada de ao menos um microcontrolador em seu interior. Temos como exemplo os eletrodomésticos, que necessitam desse componente para execução de suas tarefas básicas. É vantajoso o uso de um microcontrolador como Arduino pelo preço acessível e pelo baixo consumo de energia. Além de microcontrolador, o Arduino é uma plataforma de prototipagem idealizada para que a partir dela sejam desenvolvidos diversos projetos tecnológicos, científicos e artísticos. Pode ser utilizado de várias maneiras, tanto por amadores quanto por profissionais; sua aplicabilidade é ilimitada, só possuindo como limite a imaginação e a restrição de hardware, bastando um pouco ou mesmo nenhum conhecimento técnico por parte do usuário. Tecnicamente falando, trata-se de uma plataforma livre, em hardware e software, que possui como atributo marcante a sua flexibilidade de uso, podendo auxiliar na educação ou para a criação de projetos que envolvam tecnologia em algum aspecto. Por ser uma ferramenta simples, é recomendado o seu uso em atividades escolares práticas, e para outros propósitos mais básicos. É possível também projetar estruturas mais complexas com mais microcontroladores, e dispositivos mais robustos, nos quais o Arduino atuaria como uma ferramenta auxiliar no processo. No entanto, para protótipos que não necessitam de muitos componentes, basta um Arduino, já que provê boa capacidade de simulação e teste de circuitos. Para estudos ligados à agricultura e pecuária, o Arduino também possibilita experimentos em menores proporções. Já existem projetos onde é possível regar a terra conforme a umidade do solo, automaticamente, evitando a desidratação das plantas, com o Arduino no controle do processo. Muitas ideias podem ser realizadas, tais como supervisionar temperatura, luminosidade e umidade do solo, para controlar as plantações, regulando as ações de dispositivos agentes, conforme estímulos naturais e/ou parâmetros definidos pelo desenvolvedor. Além da agricultura, existem muitas outras atividades que podem ser facilitadas se utilizarmos o Arduino. No entanto, o Arduino por si só não tem capacidade para agregar sistemas mais complexos. Sozinho ele pode efetuar atividades simples e locais, porém, se houver a necessidade de construir um sistema que envolva diversos componentes distantes uns dos outros a uma determinada distância, como uma RSSF, é necessário acrescentar ao Arduino algum tipo de equipamento que esteja capacitado para efetuar tarefas em rede. Por exemplo, no sistema já citado da Agricultura precisaríamos agregar mais algum tipo de

4 equipamento ao Arduino, que seja capaz de trabalhar em rede, então todos os componentes passariam por um filtro que agregaria todas as informações coletadas, assim se obteria uma rede que tenha a capacidade de integrar todos os componentes da fazenda, com o intuito de entregar um relatório final ao fazendeiro. O Arduino é compatível com os diversos tipos de tecnologias disponíveis para o desenvolvimento de uma RSSF: ZigBee, Wi-Fi e Bluetooth Bluetooth Bluetooth é uma tecnologia criada pela Ericsson em 1994, sendo caracterizada como pessoal e de curta distância (WPAN). Opera na frequência 2,4 GHz ISM. Dentre outros aspectos foi destinada para substituir cabos de ligação, porém com altos níveis de segurança. Suas principais características são robustez, baixo consumo e custo acessível, além de ser compatível com várias tecnologias. Dispositivos podem se conectar formando redes limitadas a 8 nós, conhecidas como piconets, que podem se juntar a estruturas maiores, chamadas scattemets. É atrativa para RSSF pelo fato de facilitar a formação de redes ad-hoc, pois possui um protocolo MAC específico Wi-Fi Wi-Fi significa Wireless Fidelity e é um termo genérico utilizado para se referir a padrões de rede IEEE (802.11a, b, etc.). Seu suporte a uma largura de banda maior consome energia e preço superiores, o que prejudica seu uso em RSSF. Wi-Fi pode ser tranquilamente utilizado para redes de sensores sem fio. Porém, se formos compará-lo com outros protocolos, não é o mais recomendado, pelo alto preço, consumo de banda e energia. Wi-Fi é indicado às aplicações que necessitem de transmissões de áudio e vídeo IEEE O padrão da IEEE é definido como um protocolo para interconexão entre dispositivos de comunicação de dados utilizando mínima taxa de dados, uso pouco elevado de potência, baixa complexidade e transmissões de rádio frequência de pequeno alcance em uma rede WPAN, que é uma rede sem fio utilizada para transportar dados em pequenas distâncias. Ao contrário das redes WLAN, as conexões WPAN têm pouca infraestrutura, permitindo soluções de baixo custo e com alta eficiência energética. O padrão IEEE é padronizado para as camadas físicas e de acesso ao meio, e para redes WPAN com baixas taxas (LR-WPAN), que são redes de comunicação simples e de baixo custo que toleram conexões em aplicações com potência baixa e que precisam de desempenho sem muita rigidez. Redes LR-WPAN são fáceis de instalar, confiáveis em transferência de dados, tem suporte à operação de curto alcance, baixo custo e alta vida útil, com um protocolo flexível e simples ZigBee Em 2004 foi definido o padrão ZigBee por uma aliança empresarial chamada "ZigBee Alliance". Este padrão foi criado para permitir comunicação wireless com baixo consumo de energia, e, para aplicações de monitoramento, baixa taxa de transmissão. Para estruturar as camadas de acesso ao meio e física, o ZigBee utiliza a definição que trabalha em bandas de frequências livres. Os rádios com o padrão trabalham nas faixas 868 MHz na Europa, 915 MHz nos EUA e 2.4 GHz no resto do planeta. Dependendo do cenário de aplicação, (DOS SANTOS, 2007) afirma que as interferências internas dos nós podem diminuir o desempenho geral da rede, prejudicando o uso em casos como automação e controle. O estudo da vazão em vários níveis de taxa e frequência comprova o que a velocidade e a quantidade de nós influenciam na qualidade do serviço dessas redes. A Figura 1 compara o padrão ZigBee com as demais tecnologias de redes sem fio. Recomendam-se os recursos e especificações do padrão ZigBee para tipos específicos de aplicações como automações predial, residencial e industrial, etc., que não necessitam de alta taxa de dados, mas de pouca demora nas requisições e confiabilidade. As taxas medidas são menores que as expostas e dependem de vários fatores: topologia, taxa de envio de dados, escalabilidade, etc. Apesar dessas aplicações não precisarem de elevadas taxa de dados, cada aplicação tem de trabalhar com uma taxa mínima, sendo

5 assim importante termos como referencial diferentes cenários e seus limites, baseados nos valores de velocidade e na taxa de transferência. Figura 1 Comparação entre os principais padrões de redes sem fio. Fonte: Hearst Electronic Products (2013) Xbee Shields são dispositivos que permitem que novas características sejam anexadas ao Arduino. São acessórios expansíveis, por assim dizer, integram fisicamente as mais diversas tecnologias à plataforma, como Ethernet, Bluetooth e Wi-Fi. Shields são placas com posicionamento específico de pinos, podendo assim serem conectados em cima do Arduino estendendo as suas capacidades. Os shields seguem a mesma filosofia do Arduino: são fáceis de montar e baratos de produzir. Inclusive o Xbee pode ser anexado ao Arduino através de uma shield. Um exemplo de tecnologia Zigbee é o módulo Xbee, que utiliza o protocolo Zigbee embutido no seu microcontrolador e possibilita a utilização do protocolo nas mais variadas aplicações e projetos, sendo utilizado como transmissor e receptor de dados. O Xbee é fabricado pela Digi, que fabrica componentes de comunicação sem fio, sendo um módulo que possibilita aos desenvolvedores que façam as modificações que entenderem como necessárias para a comunicação entre os diversos dispositivos da rede, desde que usem o padrão disponibilizado pelo fabricante do componente, para que não hajam problemas de incompatibilidade durante a elaboração do projeto. A única diferença entre os módulo existentes é a potência de transmissão, que variam conforme o objetivo da utilização, principalmente em aspectos como necessidade de baixa latência, para aplicações que exigem alta velocidade nas respostas das requisições. O trabalho de (FARIAS, 2013) descreve os módulos Xbee como possuidores de vários pinos de entrada e saída que podem atuar tanto como leitores quanto como acionadores (input/output), que efetuam a conexão do módulo com o ambiente externo, como o intuído da efetuar o trabalho para o qual foram anexados ao projeto em que estiverem sendo utilizados. Em redes Zigbee, são estruturadas em frames todas as mensagens que transitam no sistema. O formato dos dados que são enviados na comunicação entre os dispositivos Xbee é definido por uma API própria que gerencia os módulos através por outros programas e dispositivos utilizados no desenvolvimento do cenário, como por exemplo, com o Arduino. 3. TRABALHOS REALIZADOS COM AS TECNOLOGIAS Com o intuito de realizar verificações frequentes em um ambiente de refrigeração de remédios, (AVELINO, 2013) implementou um sistema de monitoramento de ativos de hospitais, através de dispositivos baratos e que poderiam trafegar através de uma rede que suportasse e atendesse vários aspectos e métricas como baixa latência, suporte a altas temperaturas e baixo consumo de energia. O motivo do trabalho e de métricas como temperatura é pelo fato da necessidade de controlar a temperatura

6 a que estavam sendo submetidos os estoques de remédios do hospital (localizados dentro de uma geladeira). Se os remédios estivessem sendo armazenados em temperaturas muito altas ou mesmo muito baixas, dependendo pelo tolerável para sua conservação, corria-se o risco dos remédios estragaram muito antes do prazo de vencimento, o que poderia por em risco o funcionamento do hospital por diversos motivos. O método tradicional para controle dos remédios era um funcionário que ia diariamente ao estoque para realizar a medição manualmente. No entanto esse método possui várias limitações, dentre as quais que não é possível fazer uma medição em tempo real, pois bastaria o funcionário terminar de fazer a medição para que a temperatura alterasse. O autor desse trabalho menciona que existem soluções que utilizam padrões RFID e Wi-Fi, mas sugere que não seriam soluções viáveis. Além disso, a implantação da tecnologia Wi-Fi tem preço elevado, sendo pouco atraente para hospitais de pequeno e médio porte. Então o autor propôs uma solução de monitoramento de ativos relacionados à temperatura em que estavam sendo submetidos os remédios, através de uma RSSF, que utilizava dispositivos Xbee e o microcontrolador Raspberry Pi. Os resultados comprovam que a solução é viável, além de ser possível implementar um mecanismo de controle de energia. No entanto, o Raspberry Pi não é necessário, visto que o Arduino o substituiria com a mesma eficiência, além de ter preço mais acessível e ser mais adequado para redes de sensores. Foi desenvolvida por (DA CONCEIÇÃO JÚNIOR, 2012) uma pesquisa que buscou comparar o desempenho dos protocolos ZigBee e Bluetooth na automação industrial. A investigação foi baseada na analise de aspectos físicos e tecnológicos desses dois padrões, resultando que na comparação entre os dois protocolos, o ZigBee provou ser mais aplicável na automação industrial do que o Bluetooth. As taxas transferência do ZigBee são menores do que as do Bluetooth, mas o consumo energético do ZigBee é menor, o que em ambientes industriais é fundamental. Apesar de (KLEINSCHMIDT; PELLENZ; LIMA, 2004) defenderem o uso do Bluetooth em RSSF, o trabalho concluiu que mesmo sendo superior do que o ZigBee em taxas de transmissão de dados, sua aplicação em automação industrial não compensa, sendo mais recomendável neste caso o ZigBee. O trabalho de (SILVA; FRUETT, 2010) implementou uma rede de sensores para monitoramento das características do meio ambiente como análise de temperatura, movimento de massas de ar, possibilidade de chuvas, focos de incêndio e queimadas. Utilizou ZigBee como protocolo de comunicação, Xbee como módulo físico e LPC 1114 como microcontrolador. Os resultados foram satisfatórios, no entanto vale ressaltar que a utilização de um microcontrolador LPC é recomendada para usuários avançados, sendo mais adequado para iniciantes o Arduino, quando o objetivo for a implementação de uma rede de sensores. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Efetuando levantamento bibliográfico sobre o tema a fim de avaliar as tecnologias mais viáveis no desenvolvimento de redes de sensores sem fio (RSSF), este trabalho buscou determinar qual o melhor protocolo de comunicação sem fio para essas redes, bem como verificar qual seria o melhor microcontrolador para implementar em sistemas como estes. Buscou-se base em artigos científicos que realizaram experiências e comparações para determinação das vantagens e desvantagens em relação às tecnologias envolvidas no tema estudado. Ponderando-se os fatos apresentados, constatou-se que mesmo que Wi-Fi e Bluetooth sejam tecnologias que também tem pontos positivos na utilização em redes de sensores, o protocolo ZigBee (principalmente através do módulo Xbee) acaba sendo mais vantajoso e mais viável pelo fato de pouco consumo de energia e por ter um protocolo específico para utilização em redes RSSF. Em relação ao microcontrolador, o Arduino é o mais aconselhável para iniciantes, além de se mais prático na prototipação do projeto, pelo fato de possuir em si os elementos básicos para conexão com diversas outras tecnologias. Em trabalhos futuros pretende-se implementar na prática uma pequena rede RSSF, com o intuído de avaliar o desempenho real das tecnologias ZigBee e Arduino.

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DOS SANTOS, Sergio Torres. Redes de sensores sem fio em monitoramento e controle Tese de Doutorado. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO. UFRJ, FARIAS, Tales. Utilização da plataforma Arduino e protocolo Zigbee para implementação de telemetria tolerante a falhas. Passo Fundo: IMED, D AVILA, Márcio Rosa. Implementação de aspectos sustentáveis em habitações de interesse social. In: Congresso Internacional de Sustentabilidade e Habitação de Interesse Social. Porto Alegre, de 04 a 07 de maio, KLEINSCHMIDT, João Henrique; PELLENZ, Marcelo E.; LIMA JR, L. A. P. Uma aplicação de redes de sensores usando Bluetooth. In: XXI Brazilian Telecommunications Symposium, Belém, Brasil AVELINO, Alvaro Medeiros et al. MONITORAMENTO DE ATIVOS HOSPITALARES ATRAVÉS DE UMA REDE DE SENSORES SEM FIO. Revista Brasileira de Inovação Tecnológica em Saúde ISSN: , v. 1, n. 4, DA CONCEIÇÃO JÚNIOR, André Lisboa. Rede sem Fio: Estudo Comparativo dos Protocolos Bluetooth e ZigBee aplicados em Ambientes Industriais. SILVA, MARCEL S.; FRUETT, FABIANO. Rede de sensores sem fio de baixo custo para monitoramento ambiental. In: Anais: XVIII Congresso Brasileiro de Automática. Bonito

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