ANÁLISE DE REDES HIERÁRQUICAS PARA ATENDIMENTO DE LOCAIS REMOTOS

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1 ANÁLISE DE REDES HIERÁRQUICAS PARA ATENDIMENTO DE LOCAIS REMOTOS Fabiana da Silva Podeleski Faculdade de Engenharia Elétrica CEATEC Prof. Dr. Omar Carvalho Branquinho Grupo de Pesquisa ou Programa do Orientador CEATEC Resumo: Esse documento é o resultado de um estudo feito a respeito da integração de redes sem fio para monitoração de controle de processos aplicados à cultura agrícola. O processo foi desenvolvido sob emulação tanto em laboratório quanto em ambiente externo utilizando-se de teorias estudadas. Foi adotado um modelo de rede que atendesse as necessidades quando pensado em características de ambiente real de aplicação, uma propriedade rural. O Modelo Hierárquico foi empregado, seguindo a ordem das redes WSN (Wireless Sensor Network) operando em freqüência de 2,4 GHz, seguido de WiFi também em 2,4 GHz e pré WiMax de 5,8 MHz. Medidas de grandezas agrícolas como temperatura, umidade e luminosidade foram coletadas a partir de sensores específicos desenvolvidos para a aplicação e enviados para a rede hierárquica que, segundo processos adotados, puderam ser monitorados, e armazenados para que, em uma ação posterior, fossem armazenados em um banco de dados, apresentados sob forma de gráficos, e disponibilizados na Internet. Os modelos de rede utilizados são amplamente empregados de forma isolada, o que se buscou com esse trabalho foi uma solução para integrar essas diferentes redes considerando os fatores de otimização em instalação, operação e utilização. Para desenvolver o projeto foram considerados conceitos teóricos a respeito de cada rede. Palavras-chave: WSN, WiFi, pré-wimax. Área do Conhecimento: Ciências Exatas - Engenharia Elétrica - Telecomunicações. 1. INTRODUÇÃO A agricultura no país corresponde a uma das mais importantes atividades econômicas, uma vez que sua produtividade impacta diretamente em aspectos sociais, tanto no meio rural quanto no meio urbano. A importância em desenvolver-se estudos para a área visa um melhor aproveitamento de recursos oferecidos pela natureza, o que representa dessa forma uma melhor interação do homem com o seu meio, permitindo a ele controlar alguns processos, resultando em uma melhor produtividade. Pensando em participar desse processo de integração entre cultura agrícola com outras áreas do saber, uma proposta será apresentada ao longo desse documento em que se busca uma solução para a automatização de processos agrícolas por meio de rede sensor wireless. Essa rede propõe a cobertura de uma região agrícola especifica onde se coletam grandezas para serem usadas para automatização de processos agrícolas. Essa rede exige um planejamento adequado, pois ela abrangerá diferentes conceitos, e implementações, de acordo com a função que as redes integrantes têm. Para dar uma solução á questão, foi empregada uma rede hierárquica com tecnologias wireless, uma vez considerada as questões sobre distância de alcance e aplicação da rede. O propósito é criar uma rede que permita tráfego de informações em qualquer sentido da rede, desde a coleta das grandezas pelos sensores até a disponibilidade dos dados na Internet. Dessa forma, três importantes conceitos serão levantados ao longo do trabalho: PAN, LAN e MAN. Foi adotado o nome de Rede Sensor para o projeto. PADRONIZAÇÃO IEEE IEEE IEEE IEEE CONCEITUAÇÃO RAN IEEE (Regional) <100km WAN (Wide Area) <15km Figura 1 Hierarquias de rede MAN (Metropolitana) <10km LAN (Local) <100m PAN (Pessoal) <10m Bluetooth ZigBee UWB IMPLEMENTAÇÃO Mobile-Fi Wi-MAX Wi-Fi???

2 2. DESCRIÇAO DE TRABALHO Uma rede hierárquica permite que se pense em camadas distintas com características próprias de funcionamento. Pode-se, dessa forma, estabelecer funções especificas para cada parte integrante da Rede Sensor. A rede hierárquica wireless tem como objeto para estudo a coleta de dados para futuros controles de processos em ambientes rurais. Para facilitar a descrição da rede, ela foi dividida em níveis distintos, de acordo com as características de cada uma. O primeiro pode ser entendido como WPAN pois é nele em que ocorrem as coletas dos dados as grandezas por meio de sensores para serem enviadas aos níveis acima. O segundo atende a uma rede local WLAN, pois é nesse nível em que ocorre o acesso aos dados e conexão entre os níveis inicial e o final, se entender-se como o caminho da informação. Nesse nível ainda terá o elemento muito importante ao projeto, o gateway cuja função é permitir que as informações dos sensores sejam postos em uma rede, em um nível intermediário para, a partir desse ponto, poder ser monitorados. No último, entendido como um macro ambiente da rede WMAN, ocorre a ligação desse ambiente de rede com a Internet, assim esses dados estarão a disposição para acesso mundial e possibilitarão o acionamento de processos agrícolas remotos. 2.1 Funcionamento da Rede Sensor O primeiro nível apresenta a definição de características da camada física e de acesso ao meio segundo a norma IEEE e, no caso específico dessa Rede Sensor, opera com freqüência de 915 MHz. De acordo com o conceito dessa rede, existem três tipos de redes WPAN reconhecidas pelas siglas: Bluetooth, UWB e ZibBee. No projeto da Rede Sensor será empregada a solução ZigBee. Esse modelo foi escolhido ser específico para redes sensor, possuir baixos consumo de energia e custo, além de possuir comunicação sem fio confiável. O protocolo é definido pelo padrão IEEE e pertence ao grupo WPAN (Wireless Personal Area Network). Nesse nível da rede, se encontram os sensores que coletam as grandezas de temperatura, umidade e luminosidade. Eles são compostos basicamente pelo conjunto de transdutor e transceptor. Como elemento RF do transdutor, foi utilizado o módulo XBee série 1 fabricado pela MaxStream. Foi desenvolvido para ter baixo consumo de energia, o que limitaria a necessidade de troca de pilhas ou baterias freqüentemente, fácil implementação e baixo custo. Figura 2 Xbee Série 1 Performance do módulo XBee - Rendimento da Potência de saída: 1 mw (0 dbm); - Alcance em ambientes internos/zonas urbanas: 30m; - Alcance de RF em linha visível para ambientes externos: 100m; - Sensibilidade do receptor: -92 dbm; - Freqüência de operação: ISM 2.4 GHz; - Taxa de dados de RF: bps; - Taxa de dados da Interface (Data Rate): bps; O módulo XBee possui parâmetros de firmware que podem ser alterados pelo programa X-CTU fornecido pelo fabricante. Figura 3 monitor de configuração do programa X-CTU

3 A topologia de rede usada foi estrela, pois um dispositivo chamado coordenator ZigBee é responsável por controlar toda a rede me que se encontram os outros dispositivos end point. Os dados de endereçamento, número e tempo de amostragens, modo de funcionamento End ou Coordinator, modo cíclico de funcionamento, e portas IO são os parâmetros alterados no Projeto da Rede Sensor, de acordo com cada grandeza a ser coletada. Como já foi dito, o sensor possui um circuito para o transdutor e o resultado coletado está conectado a uma porta de conversor AD do módulo XBee, que por sua vez faz uma amostragem digital em 10 bits desse sinal analógico recebido, insere algumas informações e forma um frame de 14 bytes e disponibiliza essa informação via meio wireless. Exemplo de frames criados pelo XBee: Figura 4 frame de 14 bytes do XBee Cada byte trás determinada informação, e essas informações precisam ser tratadas por softwares específicos. Os dados mais importantes no Projeto da Rede Sensor são os bytes 5 e 6 ID do sensor, byte 7 RSSI, bytes 12 e 13 pois são as grandezas coletadas. Os bytes com os valores da grandeza são tratados por meio de fórmulas específicas de cada uma para obterem-se os valores em unidades conhecidas. Byte Hexa Descrição 1 7E Delimitador 2 0 Tamanho 3 0A Tamanho 4 83 Tipo de Endereço (64 ou 16 bits) 5 0 Endereço MSB 6 5 Endereço LSB Sensor 7 35 RSSI 8 0 Tipo de Dados 9 1 Tipo de Dados (ADC, BIT, PWM) 10 2 Número do Dado (ADC!, ADC2,..) 11 0 Número do Dado (ADC!, ADC2,..) 12 0 Byte 1 da Temp varia: 0, 1, 2 ou 3 13 C8 Byte 1 da Tempa varia: 0 a CRC Tabela 1 informação sobre dados do frame do XBee Uma questão discutida foi como seria feito o endereçamento dos elementos da rede, de que forma seriam distribuídos os dois bytes (5,6) destinados a essa informação. No total são 512 opções de endereçamento para os elementos da rede e foram distribuídos em três elementos para identificação: ½ byte para rede, ½ byte para a grandeza coletada pelo transdutor e 1 byte para ID dos sensores. Esses foram basicamente os procedimentos referentes ao planejamento do primeiro nível da rede. A partir desse ponto da rede já estão disponíveis as informações coletadas pelos sensores em formato de frame, o que possibilita que esses dados trafeguem para um segundo nível, ao qual ele é cliente LAN, pois nesse estão equipamentos que permitem essa interface. Por se tratarem de diferentes sub-redes é necessário um gateway. Ele tem a função fazer o roteamento baseado em endereço IP do destino do dado. Na rede sensor, ele recebeu um endereço IP da rede em que o dado devia ser enviado. O roteamento se deu de forma indireta pois a origem e o destino se encontravam em sub-redes distintas. Esse gateway foi ligado a um Access Poin, que recebe o sinal da rede e distribui em por radiofreqüência. O dispositivo utilizado no gateway foi o Digi, que é um conversor serial Ethernet para conectar o XBee de modo serial com computadores da rede local Ethernet. Foram usadas as duas versões disponíveis dele tanto o Digi Me interface Ethernet e o Digi Wi- Me com interface Wi-Fi. Em ambas, ele recebe um endereço IP de acordo com a rede que ele está conectado e por meio do software RealPort fornecido pelo fabricante foi possível redirecionar uma porta COM no Windows de uma máquina específica para permitir aplicações do tipo que requerem que os dispositivos de rede espalhados trabalhassem como se estivessem ligados diretamente nas portas COMs do micro. Uma vez que se criasse uma ligação desse tipo, o dispositivo funciona como escravo, e dessa forma não pode ser visto por outros elementos da rede ate que seja desativada essa função. Essa aplicação cria um tunelamento e permite que apenas entre

4 esses dois elementos se possa escutar os dados enviados pelos sensores. Figura 4 Digi Wi-Me Wi-Fi Para avançar o conceito de uma rede local, e subir ao terceiro nível foi necessário um planejamento pois tratam-se de propriedades rurais com longas distâncias. Aqui tem-se o conceito de WMAN. Para solucionar essa questão pensou-se em utilizar pré- WiMax, com freqüência de operação de 5,8 GHz por não precisar de licença. Antenas foram distribuídas em pontos estratégicos sem obstáculos pou o menor numero possível deles para a passagem das ondas, estabelecendo assim um link de rádio. Essa pode ser a proposta mais adequada pois atinge centenas de quilômetros de cobertura o que solucionaria a questão da posição geográfica de propriedades rurais. Figura 4 Digi Me Ethernet Para verificação dos dados recebidos na porta COM criada pelo programa usa-se o software Docklight. É onde pode ser monitorado o frame de dados do sensor, apresentado na figura 2. Figura 4 programa Docklight Até esse ponto da rede, já foi possível ser feita a monitoração dos dados, armazenamento de informações em banco de dados e o tratamento deles para apresentação em gráficos. Assim pode-se monitorar os dados trafegando entre os dois primeiros níveis da rede. 3. CONSIDERAÇOES FINAIS A solução encontrada para a integração da rede hierárquica para a monitoração de grandezas agrícolas atende a necessidade, entretanto o projeto da Rede Sensor precisa de implementações futuras para fins de otimização da rede. A primeira estratégia sobre endereçamento foi reproduzida e funcionou de forma adequada, contudo é um assunto que requer maior planejamento sobre como identificar os elementos da rede. Esse ponto pode ser melhor discutido se ocorrer entre quem está planejando a distribuição dos elementos na rede e quem desenvolve o software de tratamento dos dados. Outro ponto que exige um estudo mais detalhado é sobre o modelo do primeiro nível de rede, onde se encontram os sensores. Com o projeto em uso, a topologia estrela pode levantar algumas dúvidas sobre alternativas para roteamento de dados em caso do elemento coordenador da rede falhar, isso pode restringir processos em caso de falha de hardware, entretanto é uma alternativa simples e eficaz. Está em andamento um estudo a respeito de roteamento hierárquico, onde todas essas questões poderão ser levantadas e discutidas entre grupo. Uma outra limitação da rede é o tunelamento criado entre o gateway e o micro em que é emulada uma porta COM. O gateway fica atrelado ao micro e somente esse tem acesso aos dados recebidos, o que não permite uma flexibilidade de fluxo de dados a outros locais de uma rede interna. Essa questão também esta em estudo para ser resolvida em uma próxima etapa.

5 4. REFERÊNCIAS KARL, H., Willig, A., (2005), Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, 1 st ed., Wiley, USA. MOLIN, J. P., As múltiplas possibilidades da tecnologia, Revista Esalq/USP, Agosto 2007, Pág acessado em 20 de agosto de 2009 às 20:00. acessado em 22 de agosto de 2009 às 16:00.

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