DESENVOLVIMENTO DE UM MÓDULO EDUCACIONAL PARA APRENDIZADO DE REDES INDUSTRIAIS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA COLÉGIO TÉCNICO INDUSTRIAL DE SANTA MARIA CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM REDES DE COMPUTADORES DESENVOLVIMENTO DE UM MÓDULO EDUCACIONAL PARA APRENDIZADO DE REDES INDUSTRIAIS TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO Douglas Giacomini Santa Maria, RS, Brasil 2014

2 STRC/UFSM, RS GIACOMINI, Douglas Tecnólogo em Redes de Computadores 2014

3 DESENVOLVIMENTO DE UM MÓDULO EDUCACIONAL PARA APRENDIZADO DE REDES INDUSTRIAIS Douglas Giacomini Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) apresentado ao Curso Superior de Tecnologia em Redes de Computadores do Colégio Técnico Industrial de Santa Maria, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção de grau de Tecnólogo em Redes de Computadores Orientador: Prof. Dr. Claiton Pereira Colvero Santa Maria, RS, Brasil 2014

4 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA COLÉGIO TÉCNICO INDUSTRIAL DE SANTA MARIA CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM REDES DE COMPUTADORES A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova o Trabalho de Conclusão de Curso DESENVOLVIMENTO DE UM MÓDULO EDUCACIONAL PARA APRENDIZADO DE REDES INDUSTRIAIS elaborado por Douglas Giacomini Como requisito parcial para a obtenção de grau de Tecnólogo em Redes de Computadores COMISSÃO EXAMINADORA: Claiton Pereira Colvero, PhD. (Orientador) Alfredo Del Fabro Neto (UFSM) Miguel Augusto Bauermann Brasil, Msc. (UFSM) Santa Maria. 04 de julho de 2014

5 DEDICATÓRIA Primeiramente dedico a Deus, por me oferecer saúde, apoio, dedicação e forças necessárias para conseguir completar mais uma etapa importante de minha vida. Dedico a toda minha família, principalmente aos meus pais Lauri Antonio Giacomini e Izabel Marcuzzo Giacomini, por todo apoio e incentivo a mim oferecidos. Ao meu irmão Diego Antonio Giacomini, por ter sido para mim um exemplo de educação, empenho e perseverança para atingir meus objetivos. A minha namorada Stephanie Reis Ribeiro, por ter me acompanhado em todos os momentos, prestando apoiando e me dando forças para conseguir completar todas as etapas do meu trabalho. A todos meus colegas de aula, que me proporcionaram uma amizade e um companheirismo inigualável nestes anos de convivência, em especial ao colega Dalvane Wehrmeier, que não mediu esforços para me auxiliar a realizar este trabalho. Aos professores que muito contribuíram para minha formação profissional, especialmente o professor Dr. Claiton Pereira Colvero, por ter acreditado e confiado em mim, compartilhando todo seu conhecimento. Agradeço muito todo seu empenho, pela forma que me orientou neste projeto. Toda sua qualificação nos proporcionou um excelente trabalho. Aos meus amigos, demais familiares e muitos nomes não citados aqui que certamente me apoiaram e torceram por mim.

6 RESUMO Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) Colégio Técnico Industrial De Santa Maria Curso Superior de Tecnologia em Redes de Computadores Universidade Federal de Santa Maria DESENVOLVIMENTO DE UM MÓDULO EDUCACIONAL PARA APRENDIZADO DE REDES INDUSTRIAIS AUTOR: DOUGLAS GIACOMINI ORIENTADOR: CLAITON PEREIRA COLVERO Data e Local da Defesa: Santa Maria, 04 de julho de O processo de ensino e aprendizado em laboratório para diferentes disciplinas técnicas, principalmente quando estas demandam a utilização de recursos ou tecnologias mais restritas do que as normalmente comerciais, em geral é dificultado pelo alto investimento em equipamentos e dispositivos específicos, limitando o número de componentes e consequentemente o acesso de todos os alunos a estas tecnologias. Neste projeto é apresentada a implementação de uma interface de interconexão simplificada gerenciada por um software gráfico de programação e monitoramento para dispositivos de rede industrial com tecnologia sem fio. Este módulo didático universal de baixo custo será utilizado em sala de aula para auxiliar na disciplina de Redes Industriais do Curso de Tecnologia em Redes de Computadores da UFSM. Inicialmente ele será otimizado para operação em uma única tecnologia de rede WPAN, dentro das especificações dos padrões IEEE e ZigBee, sendo que sua modularidade na construção permite atualizações e novas configurações sempre que for necessário. Nas aulas práticas desta disciplina os alunos são incentivados a desenvolver habilidades em diferentes áreas de atuação, como automação, controle, eletrônica, óptica, empreendedorismo, entre outras. Com objetivo de proporcionar a maior fluidez das atividades em laboratório que envolvam estas áreas correlatas à disciplina, foi desenvolvida esta interface de conexão, programação e operação de redes industriais com sensores e atuadores de diferentes tecnologias. A utilização desta interface também diminui consideravelmente a necessidade de aquisição de dispositivos físicos para desenvolvimento do trabalho prático, reduzindo custos para os alunos, tanto de aquisição quanto de em eventuais manutenções destes equipamentos.

7 ABSTRACT Completion Of Course Work Colégio Técnico Industrial De Santa Maria Curso Superior de Tecnologia em Redes de Computadores Universidade Federal de Santa Maria DEVELOPMENT OF AN EDUCATIONAL MODULE FOR INDUSTRIAL NETWORKS LEARNING AUTHOR: DOUGLAS GIACOMINI SUPERVISOR: CLAITON PEREIRA COLVERO Date and Place of Defense: Santa Maria, July 04, The process of teaching and learning laboratory for different technical disciplines, especially when they require the use of resources or technologies stricter than those normally commercials, in general, is hampered by high investment in specific equipment and devices, limiting the number of components and consequently the access of all students to these technologies. In this project, the implementation of a simplified interconnection interface managed by a graphical programming software and network monitoring for industrial devices with wireless technology. That didactic module of low cost will be used in the classroom to assist in the discipline of Industrial Networking Course Technology in Computer Networks UFSM. Initially it will be optimized for operation on a single technology WPAN network within the specifications of IEEE and ZigBee standards, and its modular construction allows upgrades and new configurations whenever necessary. In the practical lessons of this course, students are encouraged to develop skills in different areas such as automation, control, electronics, optics, entrepreneurship, among others. In order to provide a greater fluidity of laboratory activities involving these related discipline areas, this interface connection, programming and operation of industrial networks with sensors and actuators of different technologies were developed. The use of this interface also greatly decreases the need for acquisition of physical devices for the development of practical work, reducing costs for students, both in the acquisition and eventual maintenance of these equipments.

8 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Canais de Operação do ZigBee Figura 2 - Camadas de Protocolos Figura 3 - Topologia ZigBee Figura 4 - Formato geral do quadro da camada de enlace Figura 5 - Estrutura do Superframe Figura 6 - Mensagem Broadcast Figura 7 - Mensagem Multicast Figura 8 - Mensagem Unicast Figura 9 - Comunicação da UART Figura 10 - Transmissão do pacote de dados UART Figura 11 Tela da extensão Schematic Editor Figura 12 Tela da extensão Layout Editor Figura 13 Tela da extensão Autorouter Figura 14 Exemplo da interface de configuração do software X-CTU Figura 15 Diferentes tipos de antenas nos módulos ZigBee Figura 16 Interface de configuração da UART do Software X-CTU Figura 17 Configuração dos parâmetros iniciais através do Software X-CTU Figura 18 Funcionalidade de Range Test do Software X-CTU Figura 19 Execução de um frame de dados API através do Software X-CTU Figura 20 Página de inicial de controle do software web Figura 21 Representação dos campos do software preenchidos Figura 22 Representação dos campos com mais de um frame para ser enviado Figura 23 Interligação do circuito e chaveamento de portas através de dip-switches Figura 24 Equipamento de fresagem de placas de circuito impresso Figura 25 Procedimento de soldagem dos componentes da placa do módulo Figura 26 Ensaios realizados com a interface de teste de conceito desenvolvida Figura 27 Placa de circuito impresso na versão final para uso em sala de aula Figura 28 Protótipo desenvolvido pelo autor na disciplina de Redes Industriais... 56

9 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS A/D Analógico/Digital ADC Analog to Digital Converter API Application Programming Interface CDMA Code Division Multiple Access CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance DH Destination Address High DL Destination Address Low FFD Full Function Device HTTP Hypertext Transfer Protocol m Metros ma MiliAmpére µa MicroAmpére MAC Media Access Control Mbps Megabits por segundo MHz MegaHertz ms Milisegundos PAN Personal Area Network PAN ID Personal Area Network Identificator PHY Camada Física RFD Reduced Function Device UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter USB Universal Serial Bus V Volts Vcc Tensão Contínua X_CTU Plataforma de Configuração para XBee WLAN Wireless Local Area Network WMAN Wireless Metropolitan Area Network WPAN Wireless Personal Network WWAN Wireless Wide Area Network

10 SUMÁRIO INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo geral Objetivos específicos METODOLOGIA REDES DE COMUNICAÇÃO SEM FIO Principais características do padrão ZigBee Classificação dos dispositivos quanto à função na rede: Camadas de protocolos do padrão ZigBee: Funções dos dispositivos ZigBee Segurança das informações no padrão ZigBee Topologia de rede do padrão ZigBee Montagem de uma rede no padrão ZigBee Estruturação do padrão ZigBee Camada de enlace: Tipos de mensagens nas redes ZigBee Mensagens em Broadcast: Mensagens Multicast: Mensagens Unicast: Endereçamento dos módulos no padrão ZigBee Modos de operação dos módulos ZigBee FERRAMENTAS UTILIZADAS NO PROJETO Ferramenta de projeto e desenho do layout do circuito Software de integração Linguagem PHP Servidor Apache Software comercial X-CTU Dispositivo ZigBee DESENVOLVIMENTO DO PROJETO Configuração dos módulos ZigBee com o X-CTU Desenvolvimento do software de integração Construção do módulo educacional Soldagem dos componentes na placa do circuito impresso Técnicas de soldagem: Ferramenta e fluxo para soldagem: Tipos de solda e seleção de acordo com a aplicação: Procedimentos para a soldagem: ENSAIOS EM LABORATÓRIO CONCLUSÕES Sugestões para trabalhos futuros REFERÊNCIAS... 58

11 INTRODUÇÃO Atualmente estamos cada vez mais dependentes de novas tecnologias e ferramentas que proporcionam um maior conforto e comodidade, sem a necessidade de promover esforços demasiados para conseguir o que se deseja, e desta forma, muitas vezes nos tornamos totalmente dependentes de tais benefícios. Por exemplo, é comum incentivar a utilização de diferentes tecnologias para desenvolver mecanismos automatizados com capacidade de executar tarefas simples sem a necessidade de sair do sofá ou da cama para poder realizá-las. Com a evolução das tecnologias e sistemas de comunicação, hoje em dia pode-se monitorar nossas residências de qualquer local em que estivermos. Pode-se verificar o que está faltando na geladeira, por exemplo, para que no caminho de casa possa parar em algum local para comprar o que está faltando. Isto tudo é reflexo da comodidade que se procura, pois com o advento dos aparelhos de comunicação portáteis, como celulares e tablets em crescente nível de desenvolvimento, estes oferecem a possibilidade de executar estas e muitas outras tarefas de forma remota. Como maior motivação para este projeto, foi o desenvolvimento de uma ferramenta totalmente didática capaz de suprir as necessidades por mim encontradas para a realização do trabalho prático na disciplina de Redes Industriais, onde a ferramenta visa uma maior integração, maior operacionalidade de componentes atuadores utilizados e diminuição do tempo gasto para confeccionar os projetos práticos de sala de aula. O projeto tem por finalidade o estudo, desenvolvimento e criação de um módulo físico educacional de baixo custo para utilização em sala de aula, com a finalidade de tornar as aulas práticas de desenvolvimento de projetos mais atraentes para os alunos. Com este módulo os mesmos poderão verificar um dispositivo atuador em pleno funcionamento, além de oferecer um sistema para que o processo de aprendizagem se torne mais simples durante o período de aula, oferecendo uma ferramenta completa de demonstração, simulação e operação de redes industriais, para que o professor possa ter um apoio maior ao ministrar suas aulas. Como ferramenta complementar do trabalho, foi desenvolvido um software de integração simplificado, para que a programação e o gerenciamento do hardware possa ser realizado via computador, utilizando a tecnologia de comunicação wireless. A interface opera somente através de comando enviados pelo usuário, podendo controlar todos os dispositivos sensores e atuadores presentes no módulo educacional.

12 1. OBJETIVOS 1.1. Objetivo geral Este projeto tem o objetivo de desenvolver um módulo com interfaces universais, adaptável e de baixo custo capaz de servir como ferramenta de ensino e aprendizagem, para ser utilizado em sala de aula e laboratórios, objetivando o aprimoramento e um maior conhecimento sobre redes industriais. O módulo terá capacidade de integrar componentes físicos e suportar a conexão de diversas interfaces, como sensores e atuadores comerciais com dispositivos das tecnologias IEEE e ZigBee Objetivos específicos Observando as dificuldades encontradas pelo autor para o desenvolvimento de seu trabalho prático para a disciplina de Redes Industriais, foi desenvolvido este módulo educacional, com objetivos específicos: - Realizar uma pesquisa sobre a tecnologia ZigBee, afim de aprimorar os conhecimentos obtidos em sala de aula e as interfaces de conexão, permitindo a escolha das melhores configurações do projeto final; - Priorizar o desenvolvimento com compatibilidade com a tecnologia ZigBee para a montagem do módulo didático, por ser utilizada na disciplina de Redes Industriais. - Desenvolver um fluxo de trabalho detalhado que supra as necessidades do projeto, observando os prazos máximos de execução e orçamento; - Desenvolver um software de interfaceamento universal entre os dispositivos sensores e atuadores que podem ser utilizados em redes industriais comerciais e os computadores de controle e execução dos projetos de sala de aula; - Desenvolver uma ferramenta independente dedicada, onde comandos e configurações do ZigBee possam ser realizados via interface web; - Possibilitar a utilização de sensores e atuadores nos projetos de redes industriais em sala de aula com total segurança, tanto para os alunos como para os dispositivos e módulos de interface utilizados;

13 2. METODOLOGIA Com o objetivo de garantir uma melhor otimização para o desenvolvimento do projeto e de suas atividades envolvidas, o trabalho foi realizado seguindo as seguintes etapas: A viabilidade teórica do sistema, projeto e montagem de um protótipo para realização dos experimentos, software de integração universal com o módulo educacional e ensaios realizados em laboratório. I. A viabilidade teórica do sistema: Para o devido embasamento teórico deste projeto, foi realizado um estudo sobre as diversas tecnologias utilizadas em redes indústrias, onde encontram-se presentes as principais para o desenvolvimento deste projeto final. Dentre diversos dispositivos, foram analisados o funcionamento e o comportamento de dispositivos atuadores e sensores e as características que os mesmos deverão apresentar durante a operação, para que atenda aos requisitos necessários para implementar o módulo educacional. Outro fator que foi levado em consideração na elaboração da metodologia deste projeto foi o quanto proveitoso este módulo será para o desenvolvimento das aulas teóricas e práticas da disciplina de Redes Industriais, e se a adaptabilidade do uso para os acadêmicos será de forma satisfatória em termos de praticidade e funcionalidades oferecidas, sendo que estarão contando com uma nova ferramenta de ensino adaptada para esta aplicação capaz de eliminar totalmente a dependência de qualquer outro software módulo comercial. II. Projeto e montagem de um protótipo para realização dos experimentos: Para este processo de elaboração do projeto, foi realizada uma pesquisa sobre o software para a criação do layout do circuito impresso que atendesse de forma eficaz os requisitos solicitados, nos quais são a integração do software com a ferramenta de impressão de circuitos, extensão para poder ser realizado o desenho de forma geral dos componentes e a extensão que permitisse a criação de forma automática das trilhas de contato de todo o circuito. Após análise e pesquisa, pode-se concluir que o equipamento de fresagem de circuitos impressos, que estava disponível para dar sequência na impressão da placa, opera com um software específico, denominado Eagle na versão 6.4.0, onde este possui total

14 16 integração com a interface da fresa. Para este processo foi necessário um aprofundado estudo sobre eletrônica, pois foi preciso conectar os dispositivos físicos presentes no circuito da placa impressa através de trilhas de dados, sinais e energias diferentes. Para montagem do protótipo, foi realizada a aquisição de diversos componentes atuadores e sensores necessários para a confecção física da placa, sendo também adquirido um dispositivo ZigBee, que é um componente fundamental do projeto. III. Software de integração universal com o módulo educacional: Nesta etapa do projeto, foram realizadas diversas pesquisas no intuito de promover um conhecimento sobre as linguagens de programação disponíveis na literatura, para que o software desenvolvido possa atender os pré-requisitos necessários para a integração com todos, ou pelo menos, com a grande maioria dos Sistemas Operacionais comerciais existentes no mercado. Após a análise de diversos fatores positivos e negativos de cada linguagem neste estudo sobre a eficiência e universalização do software e analisando o conhecimento em programação pelo desenvolvedor do trabalho, pode-se concluir que a linguagem de programação denominada PHP teve a melhor capacidade de suprir as necessidades de acesso via Web pelos tablets, celulares, laptops e desktops que o projeto apresenta. O software de integração foi desenvolvido utilizando esta linguagem de programação de alto nível, capaz de enviar comandos e ação e controle para o dispositivo ZigBee presente no módulo educacional. IV. Ensaios realizados em laboratório: Concluindo as atividades deste projeto, foi desenvolvida uma série de ensaios em laboratório, a fim de ajustar todos os componentes, verificar o funcionamento de todos os dispositivos do circuito. O módulo será adaptado para poder ser operado em ambiente de ensino pelo professor e pelos seus alunos correntes.

15 3. REDES DE COMUNICAÇÃO SEM FIO Podemos observar que o uso das redes sem fio (wireless) está presente diariamente em nosso cotidiano. Estamos nos tornando cada vez mais dependentes desta tecnologia, pois as mesmas nos oferecem uma maior comodidade ao operar dispositivos que suportam esse tipo de conexão. As recomendações do IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Engineers), mais precisamente do padrão IEEE , são os exemplos mais presentes da utilização em larga escala em nosso cotidiano. Segundo Carissimi (2009-p49-53) as redes sem fio são classificadas levando em conta a área de cobertura da rede (distancias envolvida). A área de cobertura influencia diretamente nas técnicas de transmissão sendo que é considerada a existência de quatro grandes grupos WPAN, WLAN, WMAN e WWAN: I) WPAN (Wireless Personal Area Network) Onde estão as tecnologias wireless de pequeno alcance (entre 10 e 100 metros). É um padrão para redes locais, definido pelo IEEE , para o endereçamento de redes sem fio que utilizam dispositivos portáteis ou móveis tais como PC s, PDA s, periféricos, celulares, pager s, etc; II) WLAN (Wireless Local Area Network): Onde estão as tecnologias sem fio destinadas à interligação de redes locais com alcance entre 100 e 300 metros. Trata-se de padrão implementado como extensão ou alternativa para as redes com cabeamento convencional (par metálico ou fibra óptica); III) WMAN (Wireless Metropolitan Area Network): Neste grupo tem-se as tecnologias que tratam dos acessos de banda larga para última milha para redes em áreas metropolitanas, com alcance em torno de 6 km; IV) WWAN (Wireless Wide Area Network): Neste grupo estão as tecnologias voltadas para redes de longa distância em telecomunicações, atendendo aos serviços de voz e alguns serviços de dados. Essa expansão das redes sem fio aconteceu com o avanço da tecnologia. As redes sem fio continuam com um preço muito elevado, pois geralmente são usadas para transferência muito grande de dados e arquivos, não sendo viáveis para redes industriais simples de sensoriamento (SANTOS, 2014). As redes de sensores sem fio são baseadas em uma tecnologia que surgiu recentemente com o intuito de monitorar e controlar remotamente máquinas, equipamentos e atuadores em

16 18 ambientes industriais. Consistem de um grande número de sensores distribuídos numa região de interesse, e são tipicamente alimentados por baterias chegando a operar por períodos longos de tempo. Dentre as tecnologias de comunicação sem fio para sensoriamento destaca - se atualmente o ZigBee (STUHLER, 2012). Segundo (CARISSIMI, 2009) uma rede sem fio é um sistema de comunicação pontoa-ponto também chamado radio-enlace que utiliza uma portadora eletromagnética que se propaga pela atmosfera como meio de comunicação entre dois pontos. A tecnologia ZigBee é um padrão de comunicação wireless que tem por objetivo prover uma rede de monitoramento e controle com baixas taxas de dados, baixas taxas de processamento e com grande autonomia de operação. Foi desenvolvido especificamente para aplicações de baixo custo alimentado por baterias, nesta categoria se aplicam sensores de diversos tipos para uso em automação industrial e comercial (ZIGBEE ALLIANCE, 2007). O desenvolvimento serviu para ser uma alternativa de comunicação simples, usado onde não necessitem de soluções complexas, com isso torna-se viável para aplicações de baixo custo como sensoriamento. O protocolo ZigBee utiliza o padrão , cuja a camada física foi desenvolvida em um elevado nível de integração permitindo simplicidade nos equipamentos (SANTOS, 2014). A camada física, que é baseada o padrão , pode operar em duas faixas de frequências livres. Essas frequências operam na banda ISM (Industrial, Scientific and Medical), não requerendo licença para funcionamento, desde que atendam satisfatoriamente as restrições de emissão de radiação não ionizante, conforme demonstrado na Figura 1. Figura 1 - Canais de Operação do ZigBee. Fonte:

17 Principais características do padrão ZigBee O padrão ZigBee, que possui as camadas física e de acesso baseadas no padrão IEEE , foi projetado objetivando apresentar as seguintes características: Baixo consumo de potência, implementação simples, com interfaces de baixo custo, dois estados principais de funcionamento: "active" para transmissão e recepção e "sleep", quando não está transmitindo, simplicidade de configuração e redundância de dispositivos (operação segura), densidade elevada dos nós pôr a rede. As camadas PHY e MAC permitem que as redes funcionem com grande número de dispositivos ativos. Este atributo é crítico para aplicações com sensores e redes de controle, protocolo simples que permite a transferência confiável de dados com níveis apropriados de segurança (SANTOS, 2014). De acordo com o tipo de recursos utilizados, pode-se classificar em: - FFD (Full Function Device): São dispositivos de funções completas, este permite desempenhar qualquer função dentro da rede, de coordenador a dispositivo final. Eles podem se comunicar com qualquer dispositivo ao alcance na rede, mas para isso necessitam de um hardware mais completo com no mínimo 32 kb para memória de programa, bem como memória RAM para o armazenamento de tabelas de rotas e configurações. Esses requisitos demandam mais energia, o que torna esse tipo de equipamento pouco adequado para a operação somente com bateria (ROGERCOM, 2010). - RFD (Reduced Function Device): Dispositivo de funções limitadas, este permite desempenhar apenas a função de dispositivo final dentro da rede. Esses se comunicam somente com roteadores ou coordenadores, por sua vez requerem um hardware mais modesto, algo em torno de 6 kb para programa e um controlador de 8 bits, desta forma consomem pouca energia e são ideais para sensoriamento isolado que necessita do uso de baterias, podendo manter-se em atividade por anos com a carga destas. Com o desenvolvimento da tecnologia e redução das dimensões dos componentes, os módulos RFD tem incorporado funções adicionais e, é bem possível que em pouco tempo sejam substituídos por FFDs Classificação dos dispositivos quanto à função na rede: Segundo (ZUCATO, 2009), os dispositivos ZigBee podem ser configurados para operarem em três diferentes formas, dependendo das especificações que lhe forem impostas em uma rede:

18 20 - Coordenador (Coordinator): Responsável por inicializar, manter o controle dos nós das redes, distribuir os endereçamentos dos dispositivos e manter o controle da rede entre outras funções. Obviamente só pode ser implementado a partir de um dispositivo FFD. - Roteador (Router): Tem a função de gerenciar um nó da rede, mas também pode assumir o papel de intermediário entre duas redes (mesmo sem a gerência do roteador), dando possibilidade de expansão da rede. Também requer um dispositivo FFD. - Dispositivo Final (End Device): Tem como principal objetivo o controle de sensores (monitoramento), utiliza a sua principal característica de baixíssimo consumo como diferencial e pode ser implementado com dispositivos RFD (não obrigatório) Camadas de protocolos do padrão ZigBee: A publicação do padrão IEEE definiu interfaces com baixas taxas de transmissão (menores que 250 kbps) e estabeleceu uma estrutura de rede que incorpora os conceitos de redes adhoc, características de conexão em malha e em multi-hop (múltiplos saltos). Adicionalmente, novos algoritmos de segurança e perfis de aplicação foram definidos objetivando garantir a segurança e a perfeita interação entre os diversos equipamentos, na Figura 2 observam-se as camadas de Protocolos usadas na tecnologia ZigBee (SANTOS, 2014). Figura 2 - Camadas de Protocolos Fonte:

19 21 a) Camada Física (PHY): A camada física (PHY) foi projetada para acomodar as necessidades de interfaces de baixo custo, permitindo níveis elevados de integração. O uso da técnica de transmissão de Sequência Direta (DSS) permite que os equipamentos sejam muito simples, possibilitando implementações mais baratas. A camada PHY oferece a interface com o meio físico onde as comunicações realmente ocorrem. A camada PHY é a menor camada do modelo ISO / OSI (GUTIÉRREZ, 2007). A camada PHY é responsável pela ativação e desativação do transmissor/receptor de rádio (transceiver), detecção de energia (Energy Detection - ED) dentro do canal atual, indicação de qualidade do link (Link Quality Indication - LQI) para os pacotes recebidos, avaliação de canal livre (Clear Channel Assessment - CCA) para o (CSMACA) e a seleção da frequência do canal. A norma IEEE tem duas camadas PHY que operam em duas faixas de frequências separadas: 868/915 MHz e 2,4 GHz. A camada PHY de menor frequência abrange tanto a banda de 868 MHz, utilizada na Europa, quanto à de 915 MHz, utilizada em países como os Estados Unidos e Austrália. A camada PHY de maior frequência é usada em todo o mundo. Para cada frequência um número de canais é disponibilizado: 2,4 GHz (16 canais) / 915 MHz (10 canais) / 868 MHz (1 canal) (ZIGBEE ALLIANCE, 2007). b) Camada Media Access Control (MAC): Desenvolvida com intuito de aceitar topologias múltiplas de forma pouco complexa. O MAC permite que um dispositivo com funcionalidade reduzida (RFD) opere na rede sem a necessidade de grandes quantidades de memória disponíveis, podendo controlar também um grande número de dispositivos sem a necessidade de colocá-los "em espera", como ocorre em algumas tecnologias sem fio (SANTOS, 2014). c) Camada de Rede (NWK): (ANDRIGUETTO, 2008) afirma que O coordenador da camada NWK é responsável por iniciar uma nova rede sempre que apropriado, e assinalar endereços para os novos dispositivos associados. A camada de rede foi projetada para possibilitar o crescimento da rede sem a necessidade de equipamentos de transmissão de potência mais elevada. A camada de rede também pode operar quantidades grandes de nós de rede com latências relativamente baixas (SANTOS, 2014).

20 22 Possui presente em sua aplicação, um algoritmo que permite implementações das pilhas de protocolos, assim podendo otimizar os gastos das unidades que estão em aplicação específicas, o consumo de baterias, assim produzindo soluções com o perfil específico de custo-desempenho para as aplicações (SANTOS, 2014). As responsabilidades da camada NWK ZigBee incluem em iniciar uma rede, aderir e abandonar uma rede, configurar um novo dispositivo, endereçamento, sincronização dentro de uma rede, segurança e roteamento (OLIVEIRA FILHO, 2010) Funções dos dispositivos ZigBee Segundo (ZIGBEE ALLIANCE), o dispositivo ZigBee, em sua totalidade poderá exercer diferentes funções dependendo de suas configurações e suas necessidades de aplicação: Dispositivo de função completa: Está apto a funcionar como coordenador, roteador ou dispositivo final, com maior complexidade e poder computacional, pode se comunicar tanto com os FFDs quanto com os RFDs. Dispositivos de função reduzida: São equipamentos de função reduzida, são mais simples eletronicamente e atuam apenas como dispositivo final (end-pointings) comunicando somente com os FFDs, sua simplicidade tem como vantagem um consumo de energia e custo menor. Deve-se observar que em topologias com configuração estrela, uma rede ZigBee requer pelo menos um dispositivo FFD atuando como coordenador da rede e os demais dispositivos podem ser do tipo RFD para reduzir o custo do sistema. Para topologias ponto-a-ponto (Peer-to- Peer) e em árvore, todos os dispositivos devem ser FFD (SANTOS, 2014) Segurança das informações no padrão ZigBee A rede ZigBee passou a adotar um novo método de segurança de seus dados transmitidos e enviados, assim passaram a usar um novo algoritmo de segurança, na qual foi desenvolvido baseando se de forma simplificada no algoritmo de roteamento AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector). Este método passou a ser adotado pelas especificações da IEEE A camada MAC utiliza o padrão AES (Advanced Encryption Standard) como seu algoritmo de criptografia, descrevendo uma variedade de rotinas de segurança. Estas rotinas têm como objetivo prover a confidencialidade, a integridade e a autenticidade dos frames da camada MAC. O padrão suporta diferentes tipos de tráfego de dados que exigem atributos diferentes da camada MAC. O MAC IEEE é flexível o bastante para assegurar o transporte de cada um dos tipos de tráfego como, dados periódicos, provenientes de sensores, dados

21 23 intermitentes, provenientes de interruptores e chaves e dados provenientes de dispositivos repetitivos de baixa latência como, por exemplo, um mouse (SANTOS, 2014) Topologia de rede do padrão ZigBee A camada de rede do ZigBee pode possuir três topologias, segundo Dantas (2010 p- 395) as topologias que usualmente são empregados na formação das redes ZigBee são: arvore estrela e malha. Essas características determinarão se a rede pode ser mais robusta, mais econômica, centralizadora ou distribuída, as topologias empregadas serão descritas a seguir: a) Estrela (star): nesta topologia existe apenas um único coordenador central, tem como vantagem a simplicidade e proporciona uma vida mais longa da bateria em tempos de operação, como desvantagem tem o menor alcance e a dependência da rede sobre um único coordenador. b) Malha (mesh): nesta topologia existe maior flexibilidade, segurança e escalabilidade, pois tem como vantagem a possibilidade de mais de um caminho de acesso entre os nodos desde que estejam dentro do alcance, mas continua existindo apenas um coordenador. c) Árvore (arvore agregada ou cluster tree): nesta topologia tem-se como vantagem mais de um coordenador, é uma configuração hibrida que combina o melhor das topologias estrela e malha. Com a presença de mais de um coordenador e vários roteadores há um aumento da segurança do alcance da rede. Na Figura 3 pode-se observar alguns exemplos destas topologias. Figura 3 - Topologia ZigBee Fonte: ZigBee Wireless Technology 2.4

22 Montagem de uma rede no padrão ZigBee A montagem de uma rede ZigBee é determinada e iniciada pelo dispositivo coordenador da rede, no qual este não pertence a nenhuma rede no momento. O coordenador faz uma busca com o objetivo específico de encontrar conjuntos de canais afim de montar sua rede, assim após encontrar um canal com maior nível de energia, o coordenador do processo na criação de sua rede. Baseado neste resultado, o coordenador escolhe o melhor canal para criar uma nova rede, dando preferência para canais nos quais não foram encontradas outras redes. Então o coordenador escolhe um identificador de rede lógico (um número) que será atribuído a todo dispositivo que ingressar na rede. Finalmente o coordenador permite outros dispositivos ingressarem na rede (AZEVEDO, 2006). Para das buscas dos canais, o coordenador envia um beacon em broadcast para cada canal, se o canal já estiver sendo utilizado, o coordenador recebe uma resposta com Personal Area Network Identificator (PAN ID) do canal este escaneamento e denominado PAN Scan. O tempo decorrente da entrada de um nó na rede é de um intervalo de 30 ms Estruturação do padrão ZigBee Camada de enlace: A camada de enlace produz uma função muito importante na arquitetura do ZigBee, assim realizando a devida função de fazer o empacotamento dos dados providos das camadas superiores, para assim serem transmitidos pela camada física. É neste ponto que o desenvolvimento obteve uma das maiores vantagens: o baixo consumo (FLORIDO, 2008). A Figura 4 expressa de forma geral o formato de um quadro da camada de enlace. Figura 4 - Formato geral do quadro da camada de enlace Fonte: Vasques, B.L.R.P; Coutinho, I.B.A; Lima, M.F.; Carneval, V.P.O

23 25 Esta funcionalidade pode ser melhor entendida através do conhecimento dos modos de operação. As operações em modo beaconing e non-beaconing podem oferecer vantagens conforme descrito por Teixeira (TEIXEIRA, 2006). a) Modo Non-Beaconing: Nesse modo a quase a totalidade dos nós da rede está sempre com seus receptores em operação, elevando o consumo de energia. Para esse modo, os dispositivos devem estar alimentados com baterias mais potentes ou com fonte de energias estáveis, devido ao seu maior consumo. Quando o dispositivo opera nesta configuração, os receptores dos módulos operam sempre ligados, o que demanda um consumo maior de energia. Apesar de não ser uma grande vantagem em relação ao consumo, este modo permite respostas mais rápidas quando isso se fizer necessário (COLVERO, 2012). b) Modo Beaconing: Dispositivos com funções de roteador, transmitem de tempos em tempos, sinalização (beaconing) para tentar confirmar sua presença aos outros roteadores da mesma rede. Já os outros nós da rede só precisam estar ativos no momento da sinalização, mas esses dispositivos devem ser configurados para perceber o período em que ocorrerá esta sinalização, pois no modo beaconing a maioria dos dispositivos permanecem dormindo (Sleep). Nesse modo, o consumo de energia é o mínimo possível (ROGÉRIO, 2008). A Figura 5 demonstra a estruturas de um frame API. Figura 5 - Estrutura do Superframe Fonte: Manual XBee

24 Tipos de mensagens nas redes ZigBee Mensagens em Broadcast: É a comunicação na qual um quadro é enviado de um endereço para todos os outros endereços. Nesse caso, há apenas um remetente, mas as informações são enviadas para todos os receptores. A transmissão de broadcast é essencial durante o envio da mesma mensagem para todos os dispositivos na rede local. Um exemplo de transmissão de broadcast é a consulta de resolução de endereço que o protocolo de resolução de endereços (ARP, Address Resolution Protocol) envia para todos os computadores em uma rede local. Um exemplo de mensagem em broadcast está demonstrado na Figura 6. Figura 6 - Mensagem Broadcast Fonte: Mensagens Multicast: Comunicação na qual um quadro é enviado para um grupo específico de dispositivos ou clientes. Os clientes da transmissão multicast devem ser membros de um grupo multicast lógico para receber as informações. Um exemplo de transmissão multicast é a transmissão de vídeo e de voz associada a uma reunião de negócios colaborativa, com base em rede, como demostrado na Figura 7. Figura 7 - Mensagem Multicast Fonte: Mensagens Unicast: Comunicação na qual um quadro é enviado de um host e endereçado a um destino específico. Na transmissão unicast, há apenas um remetente e um receptor. A transmissão unicast é a forma predominante de transmissão em redes locais e na Internet. Entre os

25 27 exemplos de protocolos que usam transmissões unicast estão HTTP, SMTP, FTP e Telnet (ROGÉRIO, 2008). A Figura 8 demonstra a transmissão de uma mensagem em unicast. Figura 8 - Mensagem Unicast Fonte: Endereçamento dos módulos no padrão ZigBee O protocolo do qual o ZigBee faz parte especifica possui dois tipos de endereçamento: a) O endereço de rede de 16 bits é atribuído a um nó quando se integra a rede distribuído pelo coordenador, por isso, também pode ser chamado de endereço de rede ou endereço curto, e é único para cada nó da rede. b) O endereço de 64 bits é definido na fabricação do dispositivo, por isto ele é único para cada equipamento, é também chamado de endereço estendido. Desta forma é um endereço permanente. Os módulos no padrão ZigBee possuem registro livre em sua tabela de rota ou um registro correspondente ao endereço destino na tabela de rotas; Modos de operação dos módulos ZigBee A tecnologia ZigBee tem por sua característica a potencialidade de operar em dois modos distintos, ou seja, modo AT ou modo Transparente, o mais básico: os dados e comandos podem ser enviados diretamente via terminal de modo serial (enfileirados) através da UART do dispositivo, ou o modo de operação API (Application Programming Interface) que é uma alternativa ao modo de operação transparente. A API é baseada em quadros (frames), onde estende o nível no qual a aplicação pode interagir com os recursos de rede do módulo. Nesse modo de operação, todos os dados enviados e recebidos pelo módulo XBee são organizados em pacotes (com formato especificado pelo fabricante) que definem as operações ou eventos dentro do módulo.

26 28 De acordo com a Digi, pode ser notado o comportamento de uma transmissão serial na Figura 9, contendo os controles de interface RTS (Request To Send) e CTS (Clear To Send), bem como o DIN (Data In) e o DOUT (Data Out), que são respectivamente os dois controles de transmissão e as duas vias de dados de entrada e saída, assim se equivalem a forma de operação de certos equipamentos seriais como mouses e modems mais antigos. Figura 9 - Comunicação da UART Fonte: A Figura 10 demonstra o modo de transmissão serial com o controle de início e fim de transmissão baseado em um bit de Start e outro de Stop, no caso trata-se da transmissão do número decimal 31, percebe-se que o sentido da fila inicial pelo bit menos significativo. Figura 10 - Transmissão do pacote de dados UART Fonte:

27 4. FERRAMENTAS UTILIZADAS NO PROJETO Neste projeto foram desenvolvidas atividades relacionadas com a especificação, o projeto, a montagem e o funcionamento de um módulo educacional sem fio, capaz de interligar dispositivos físicos, tais como sensores, atuadores, dispositivos de entrada e saída (I/O), dentre outros, capazes de receber comando através de frames enviados por um software de integração universal Ferramenta de projeto e desenho do layout do circuito O CAD Eagle se tornou uma das mais importantes ferramentas deste projeto, pois com ela foi possível desenvolver e desenhar o circuito que posteriormente foi impresso. O Eagle é um software especialmente desenvolvido para simular e criar layout de placas de circuito impresso. O software possui em suas extensões, três módulos, que permitem a montagem e edição de esquemas lógicos (Schematic editor), nas quais é possível desenhar os primeiros passos de um circuito, editar layouts (Layout editor), onde é possível desenhar os circuitos de forma manual, assim fazendo todas trilhas de manualmente ou realizar um autorouter, onde é possível através do Schematic realizar a montagem do circuito de forma automática, integrando todos dispositivos. Figura 11 Tela da extensão Schematic Editor Fonte:

28 30 - Extensão Schematic editor: Esta ferramenta do software Eagle fornece recursos para a montagem do diagrama elétrico do circuito que está sendo desenvolvido através de uma simulação da operação do futuro projeto, onde pode-se projetar como são realizadas as ligações entre os dispositivos, quais deles podem ser utilizados (modelos em uma vasta biblioteca integrada com fabricantes, dimensões dos mesmos, pinagens, funções específicas, entre outros). Estas informações sobre os componentes que podem ser utilizados no projeto representam uma ferramenta de essencial importância na implementação, pois através dela é possível gerar o modelo inicial do layout da placa de circuito impresso pretendida, conforme pode ser visualizado na Figura Extensão Layout editor: Esta é uma ferramenta disponível no software que exige certo conhecimento técnico do projetista, pois a operação é realizada de forma totalmente manual, onde são desenhadas as trilhas de interligação dos componentes do circuito. Caso seja realizada uma sobreposição de algum caminho sem ser previamente observado, o circuito estará comprometido ao ser realizada a confecção da placa para a montagem final. Esta ferramenta manual pode ser utilizada para edição do circuito gerado pelo processo autorouter. Uma impressão da tela de interface do layout editor pode ser visualizado na Figura 12. Figura 12 Tela da extensão Layout Editor Fonte: Extensão Autorouter: Esta ferramenta pode ser utilizada para que o software trace as trilhas de interligação dos componentes dos circuitos de forma automática dentro de um

29 31 padrão definido. Ela é um recurso muito importante para evitar que nenhuma interligação esteja sobreposta com outra, embora seja necessária a correção e adaptação final de forma manual no final do processo de criação do layout da placa. Na Figura 13 pode-se observar um exemplo de uma placa gerada através dos recursos da extensão autorouter. Figura 13 Tela da extensão Autorouter Fonte: É importante observar que para ser executada a devida confecção da placa, o projeto deve ser gerado em módulo layout editor ou autorouter do software Eagle, para que desta forma a fresa de usinagem possa interpretar devidamente o circuito e assim possa desenhar a placa final de forma correta, com especial atenção à resolução máxima de desbaste das ferramentas de corte para a execução da mesma Software de integração Para este projeto foi desenvolvido um software de integração entre os dispositivos que operam como controladores, ou seja, dispositivo que irá enviar informações até o dispositivo atuante. Estas informações são denominadas frames, que são pequenos quadros de dados que divididos no seu total carregam a informação desejada. O software foi desenvolvido de maneira simplificada e funcional, capaz de atender totalmente as necessidades que foram impostas para o desenvolvimento do modulo educacional, nos quais estão descritas abaixo.

30 32 O software deve possuir a capacidade de encaminhar os quadros de informações relevantes da página web para o dispositivo conectado em uma das portas seriais do computador. O programa deve ser capaz de ler a porta conectada pelo dispositivo ZigBee no momento que o mesmo for conectado ao computador e manter o valor desta leitura armazenado em uma variável para que no momento de ser enviado o comando, a variável que contém a informação da porta que está conectada o dispositivo seja executada. Deste modo o comando é enviado para a porta correta que o ZigBee está conectado, abrindo-a no momento, para que a instrução chegue até o coordenador, onde o mesmo tratará de encaminhar para sua rede. O botão enviar da página será o responsável por executar esse comando. A página web desenvolvida deve conter mais dois campos de informação. O campo frame é o campo mais importante, pois os códigos ali inseridos em hexadecimal são os comandos que devem ser enviados, portanto o preenchimento deve ser totalmente livre de erro para que o mesmo possa operar. O campo descrito como ação frame é um índice contendo a descrição do frame. Esta informação não será encaminhada para a porta serial, sendo apenas um campo de texto livre Linguagem PHP A linguagem PHP é uma das mais utilizadas na web. Milhões de sites no mundo inteiro utilizam PHP. A principal diferença em relação às outras linguagens é a capacidade que o PHP tem de interagir com o mundo web, transformando totalmente os websites que possuem páginas estáticas (NIEDRAUER, 2011). Um dos pontos mais fortes das páginas em PHP é a possibilidade de usar bases de dados mediante funções de destacada simplicidade e potência. Estas bases de dados podem servir ao site desenvolvido para armazenar conteúdo de uma forma sistemática que permita classificá-los, procurá-los e editá-los rápida e facilmente. Uma base de dados é um conjunto de tabelas nas quais são armazenados diferentes registros. Estes registos são catalogados em função de diferentes parâmetros que os caracterizam e que tem uma utilidade específica na hora de classificá-los. O PHP é uma linguagem de programação extremamente funcional, com recursos voltados para web e em constante evolução. Por ser uma das tecnologias mais utilizadas em aplicações de internet, diversas bibliotecas e módulos são criados e disponibilizados. Além disso, há outro fator importante: é gratuito (LOBO, 2012).

31 Servidor Apache Para este trabalho foi fundamental a utilização de um servidor Apache, e como foi implementada uma aplicação web desenvolvida na linguagem PHP, sua instalação é essencial para o funcionamento. Apache é o servidor mais utilizado no mundo, pelo devido fato de ser um software livre com plataforma aberta para qualquer pessoa ajustar seu código fonte. É capaz de traduzir códigos escritos em PHP e pode ter sua aplicação usada como servidor FTP e HTTP. A exigência de hardware do Apache depende da aplicação, mas um PC Pentium com 64 MB de memória RAM é capaz de executá-lo tranquilamente em um ambiente corporativo pequeno. No entanto, quando se trata de um site na internet, é interessante ter máquinas tão poderosas quanto o que exige o nível de acesso (ALECRIM, 2004) Software comercial X-CTU É um software comercial multiplataforma, compatível com Windows, Mac OS ou Linux, fornecido gratuitamente pela Digi. Esta ferramenta foi desenvolvida para programar e controlar os arquivos de firmware encontrados em produtos de RF da Digi, e também serve para fornecer uma interface gráfica simples de ser usada por eles. O X-CTU foi inicialmente projetado para operar exclusivamente com todos os computadores baseados em Windows, como o Microsoft Windows 98 SE ou superior. O X-CTU oferece uma plataforma extremamente simples e intuitiva, através de suas abas de funções pode-se realizar inúmeras funções e operações, onde podemos destacar a configuração dos módulos ZigBee de maneira simples, opções para a realização de testes com parâmetros padrões prontos, leitura de configurações já salvas nos módulos ZigBee, importar arquivos de configurações e salvar arquivos de backup das configurações realizadas. Um exemplo de funcionalidade disponível para configuração através do software X- CTU é a definição da função específica de cada nó da rede de dados conforme demonstrado na Figura 14, onde é necessário realizar a configuração dos dispositivos ZigBee de acordo com estas especificações e disponibilidade de recursos. Esta é uma das primeiras configurações necessárias nos módulos para iniciar a operação, onde é atribuído para cada um deles uma função na rede, como coordenador, roteador ou dispositivo final.

32 34 Figura 14 Exemplo da interface de configuração do software X-CTU Fonte: A instalação do software X-CTU é realizada de forma simplificada, onde é preciso apenas fazer o download do arquivo de instalação diretamente do site da Digi Internacional, de forma gratuita e sem cadastro, para posteriormente realizar a instalação no sistema, que também é realizada de forma rápida e intuitiva. Após a instalação, geralmente é necessária a atualização da versão do mesmo com os arquivos disponíveis no mesmo website, que incluem os modelos novos e atualizações de firmware utilizados nos módulos ZigBee Dispositivo ZigBee Para desenvolvimento do trabalho e para a comunicação entre módulo educacional e software de integração, foi utilizada a tecnologia ZigBee. Esta tecnologia está baseada em um padrão de rede sem fio com arquitetura em malha de baixo custo e baixa potência. O baixo custo permite a tecnologia ser amplamente utilizada no controle sem fio para aplicações de monitoramento e controle. O baixo consumo de energia permite uma vida útil mais longa,

33 35 com baterias menores. As redes em malha, também chamadas de redes mesh ou adaptativas, oferecem alta confiabilidade na entrega dos pacotes, alcance mais amplo e a independência de infraestrutura pré instalada para a montagem da rede. Embora a interface seja universal para a escolha da tecnologia de rede e dos dispositivos conectados a ela, a opção do desenvolvimento com um módulo ZigBee integrado na placa foi norteada pela grande utilização deste dispositivo em sala de aula para a disciplina de Redes Industriais do Curso de Redes de Computadores. Esta disciplina proporciona aos alunos o conhecimento desta tecnologia ZigBee como base de um projeto de automação e controle através de uma rede sem fio. A Figura 15 demonstra os diferentes modelos de acordo com a configuração das antenas nos módulos ZigBee. Figura 15 Diferentes tipos de antenas nos módulos ZigBee Fonte:

34 5. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO Como o desenvolvimento do projeto foi realizado em etapas para otimizar todo o processo, a apresentação dos resultados está sendo demonstrada da mesma forma, para que o entendimento fique mais coerente e sequencial de acordo com as atividades realizadas. Primeiramente foi realizado o estudo com o objetivo de aprofundar o conhecimento sobre as tecnologias e componentes nos quais poderiam se encaixar perfeitamente no projeto. Com esse estudo foi possível constatar a viabilidade técnica e econômica que o módulo poderia oferecer ao ser montado. Para viabilizar o projeto, foram buscadas alternativas como: baixo custo para a montagem do módulo, utilizar dispositivos acionadores como relés, LEDs e dispositivos de entrada e saída capazes de suprir as necessidades de suportar a interligação de diferentes tipos de atuadores, porém mantendo a ideia inicial de optar pelo menor preço e principalmente montar um protótipo com baixo custo de manutenção ou reposição. Para realização da montagem do módulo, foram utilizados diversos componentes, tais como: Dispositivos ZigBee, relés de bobina, LEDs, chaves de funcionamento binário (on off), dispositivos de pulso de sinal (dips), switches, conectores de ligação com parafusos, resistores, transistores, diodos, reguladores de tensão, conectores jack de fontes, entre outros. Uma vez definido o módulo de interface universal e a estrutura a ser virtualizada, foi definida a linguagem de programação mais adequada às necessidades do projeto, para o desenvolvimento da interface destinada ao uso do aluno e professor. Como última etapa deste projeto foi realizada a montagem desta interface, a integração com o software desenvolvido e a consolidação de todos os resultados obtidos. Para suprir as necessidades que o software requer, descritas anteriormente no índice Software de integração, foi feita a opção por usar a linguagem de programação PHP, onde a mesma se mostrou compatível e eficaz para realizar a interface gráfica de comunicação via wireless entre o computador e a módulo Configuração dos módulos ZigBee com o X-CTU Para habilitar a utilização dos módulos ZigBee, primeiramente deve-se realizar uma série de configurações dos parâmetros através de um computador, por meio do software que é fornecido gratuitamente pela empresa Digi, chamado de X-CTU. O X-CTU possui a capacidade programar e realizar os primeiros ensaios de comunicação entre os dispositivos ZigBee, configurar as redes que cada nó pertencerá e enviar

35 37 comandos de ação para outro dispositivo. As configurações da UART usadas para os módulos em um primeiro teste estão ilustradas na Figura 16: Figura 16 Interface de configuração da UART do Software X-CTU Fonte: Basicamente, foram alteradas as seguintes configurações do dispositivo ZigBee utilizando o X-CTU nos campos PAN ID, DH, DL E NI, para estabelecer a comunicação inicial e montar a rede adaptativa a partir do coordenador especificado. - PAN ID é através dele que é possível a criação de redes privadas entre dispositivos, somente ZigBee s com a mesma PAN ID conseguiram comunicação dentro da mesma rede. - DH (SH do outro dispositivo) é o endereço alto de 32 bits do módulo de destino dos pacotes da rede, ele proporciona a comunicação ponto a ponto, onde é necessário configurar os dispositivos finais com o DH do módulo do receptor. Para uma conexão em broadcast, o campo DH deve ser zero. - DL (SL do outro dispositivo) é o complemento de 32 bits de endereço baixo do dispositivo de destino dos pacotes da rede, que somado ao DH formam o endereço único de

36 38 64 bits de cada módulo, ele proporciona a comunicação ponto a ponto, onde é necessário configurar os dispositivos finais com o DL do módulo do receptor. Para uma conexão em broadcast, o campo DH deve ser 0xFFFF em hexadecimal. - NI (Node Identifier) é o nome que o dispositivo ZigBee em caracteres ASCII que será reconhecido pela rede, onde para uma melhor organização e entendimento, foi usado como nome de Coordenador e Dispositivo final. Para configuração das atribuições dos dispositivos ZigBee dentro da rede é necessário realizar alguns procedimentos, para que ele possa ser configurado como um dispositivo coordenador, roteador ou dispositivo final, recebendo as características específicas gravadas dentro do seu firmware. As configurações podem ser observadas na Figura 17, onde pode-se destacar a aba Function Set, Pan ID e os campos SH e SL. Figura 17 Configuração dos parâmetros iniciais através do Software X-CTU Fonte:

37 39 O software X-CTU possui uma aba chamada de Range Test, que executa uma função de análise de pacotes transmitidos. Por padrão, ao executar este teste, ele já estabelece o tráfego pela rede de um padrão de dados em um bloco de 32 bits, que pode ser alterado. Esta função é muito importante para testes burn-in e ajustes dos transceptores quando o ambiente de operação oferecer interferências que possam ocasionar erros nos pacotes de comunicação. Figura 18 Funcionalidade de Range Test do Software X-CTU Fonte: Próprio autor Na Figura 18 pode-se observar uma barra com diferentes tonalidades de cores, que representam de forma gráfica e intuitiva a qualidade dos blocos de dados recebidos de acordo com a quantidade de erros apresentados, assim como também pode-se observar o sinal RSSI (Received SIgnal Strength Indication), que é uma relação de potência de acordo com um padrão, em dbm (potência em decibéis em relação a miliwatt). Na opção terminal, pode-se utilizar uma área de comunicação direta e em tempo real dos dispositivos ZigBee, semelhante com um modelo de chat ou um terminal de entrada de dados, pois se pode encaminhar as devidas instruções para os demais dispositivos da rede

38 40 conforme demonstrado na Figura 19, onde na janela superior da imagem aparece o terminal de digitação do comando. O primeiro comando enviado, demonstrado na cor azul, (7E000F A200402D7B30FFFE024E4489), pode ser observar na tela do terminal com os dados do envio do frame pela rede. Nos caracteres restantes, observa-se a resposta de outro dispositivo ZigBee em rede, para quem o frame foi direcionado. Desta forma, é possível executar diretamente um comando marcando a opção para ser digitado em Hexadecimal, gerar um frame de dados correspondente e enviar o comando em modo API. Figura 19 Execução de um frame de dados API através do Software X-CTU Fonte: Próprio autor 5.2. Desenvolvimento do software de integração Com o hardware do módulo desenvolvido pronto para os primeiros ensaios em laboratório, é necessária a utilização de um software dedicado para o controle da rede e dos

39 41 dispositivos utilizados, uma vez que o software X-CTU não é o mais adequado para a utilização nos processos de ensino e aprendizado, não permitindo a execução de uma série de recursos importantes, memória de frames de dados criados, sequências de operação, etc. Para desenvolvimento deste software, primeiramente foi realizada uma pesquisa referente as linguagens de programação disponíveis, que atendessem a ideia inicial de comunicação entre dispositivos, mas que também fosse de conhecimento do autor, para que assim os trabalhos não se estendessem, observando o prazo e a data de entrega do trabalho. Para se consolidar a comunicação direta entres os computadores e os módulos ZigBee utilizados em sala de aula, foi desenvolvido o software de integração utilizando a linguagem de programação web PHP. A implementação do software, foi uma das etapas mais difíceis do projeto, onde foi desenvolvida uma aplicação diretamente para um dispositivo que requer uma série de testes para se totalmente funcional, em todos os campos da ferramenta. Os testes mais realizados para verificação da total integridade do software foram a comunicação entre dispositivo ZigBee e computador, onde a finalidade fundamental era que o programa tivesse a capacidade de ler a porta serial em que o ZigBee fosse conectado. Com esse processo concluído, as informações enviadas pela página web do software era repassadas pelo dispositivo conectado ao computador até o ZigBee presente no módulo. Outro fator que contribuiu na seleção desta linguagem de programação, foram as suas características de operação como uma aplicação web. O software desenvolvido em PHP possui a capacidade de total interação com servidores, como o Apache, onde para se obter uma página de desenvolvimento web, este fator é essencial. Para que o software seja perfeitamente funcional em diferentes condições de requisições e dispositivos conectados, e por se tratar de uma aplicação web PHP, deve-se ter instalado e executando no computador o servidor Apache e o PHP5, tanto para plataformas Windows quanto para Linux. Para usuários do sistema operacional Linux, é necessário adicionar usuário Apache ao grupo dialout através do comando sudo adduser www-data dialout. Após concluída esta etapa, deve-se reiniciar o servidor Apache com o comando: sudo / etc/init.d/apache2 restart. O software possui portabilidade para todos os sistemas operacionais. A Figura 20 ilustra uma tela da página inicial deste software.

40 42 Figura 20 Página de inicial de controle do software web Fonte: Próprio autor A operação desta interface é bastante simplificada, onde por comando será necessário o preenchimento de apenas dois campos nos quais devem ser inseridos os dados correspondentes, para que a informação possa ser enviada até o dispositivo final. De uma forma geral, os campos em branco correspondem as seguintes ações: - Campo Ação do Frame: Onde o aluno ou até mesmo o professor deverá descrever o qual a funcionalidade que o frame de dados enviado possui. Deve ser uma breve descrição para facilitar o entendimento durante o processo de automação, Não necessitam converter e analisar o frame para saber a que ele se refere, endereço ou ação. - Campo Frame: Onde o aluno ou professor deverá inserir o frame de dados completo conforme pode-se ser observado na Figura 21.

41 43 Figura 21 Representação dos campos do software preenchidos Fonte: Próprio autor - Botão Enviar: Ao ser clicado, o frame de dados que for escrito no campo frame, será enviado para seu destinatário, ou seja, o botão enviar irá abrir a porta serial do computador, onde o dispositivo ZigBee coordenador estiver conectado e enviar o dado diretamente para ser executado. Desta forma, o mesmo será responsável por encaminhar todo o frame para a rede para possibilitar que dispositivo final referente ao frame possa receber e tratar a informação recebida. Para o dispositivo final receber o frame enviado, ele deverá obrigatoriamente estar contemplando a configuração dos campos DH e DL do dispositivo de destino, conforme foi apresentado no capítulo de configurações do ZigBee. - Campo Reiniciar Frame: Este campo possui a função de reiniciar para a página de origem, onde o software possui a opção para ser enviado em um frame apenas. - Campo Adicionar Frame: Este campo possibilita que o usuário insira mais um campo a ser enviado para o módulo, conforme demonstrado na Figura 22.

42 44 Figura 22 Representação dos campos com mais de um frame para ser enviado Fonte: Próprio autor 5.3. Construção do módulo educacional No módulo educacional, de uma forma geral, podemos simular e utilizar diferentes tipos de sensores e atuadores para a realização de projeto de automação na disciplina de Redes Industriais, com o objetivo de implementar de forma prática os conhecimentos adquiridos em sala de aula. Sensores são dispositivos que permitem que através de sua leitura se possa verificar ou monitorar o funcionamento de determinado processo. Por outro lado, dispositivos atuadores possuem a função de agir através de movimento ou sinal ao ser solicitado. Em certas aplicações podem receber comando manuais para executar ações, em outros casos recebem comandos de forma automatizada, onde os atuadores estão conectados diretamente em sensores, onde o sensor é o principal responsável por acionar o atuador. Os dispositivos utilizados neste projeto foram interligados de modo que possam ser acionados ao mesmo tempo ou individualmente, através do acesso as 8 portas de

43 45 interfaceamento I/O do módulo ZigBee. A escolha de cada saída ou entrada de dados é selecionada através de dip-switches no módulo, conforme pode-se observar na Figura 23. Figura 23 Interligação do circuito e chaveamento de portas através de dip-switches Fonte: Próprio autor Na montagem do módulo didático foram desenvolvidos diversos conceitos de eletrônica e automação, muito abordados durante o curso, que serviram de suporte para o bom entendimento e também a realização de pesquisas sobre outras tecnologias necessária. Nesta etapa, foram contemplados alguns dos seguintes componentes e suas aplicações neste projeto: a) Fonte de Alimentação: Uma fonte de alimentação é um dispositivo eletrônico que fornece energia regulada para uma determinada carga elétrica, que neste caso é representada pela interface de hardware e seus componentes, incluindo o dispositivo ZigBee. A função de uma fonte de alimentação é converter uma tensão alta em uma outra compatível com os dispositivos utilizados. Toda fonte de alimentação deve obter a energia externa para fornecer a sua carga, sendo utilizada como opção deste projeto uma tomada de energia padrão de 220VCA, onde é conectado um transformador e retificador com saída de 5VCC.

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