UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS - UEA ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO EDSON SOARES BORGES CARRO ROBÔ EM ARDUINO COM.

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS - UEA ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO EDSON SOARES BORGES CARRO ROBÔ EM ARDUINO COM COMUNICAÇÃO SEM FIO Manaus 2011

2 EDSON SOARES BORGES CARRO ROBÔ EM ARDUINO COM COMUNICAÇÃO SEM FIO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à banca avaliadora do Curso de Engenharia de Computação, da Escola Superior de Tecnologia, da Universidade do Estado do Amazonas, como pré-requisito para obtenção do título de Engenheiro de Computação. Orientador: Prof. M.Sc. Jucimar Maia da Silva Jr. Manaus 2011

3 ii Universidade do Estado do Amazonas - UEA Escola Superior de Tecnologia - EST Reitor: José Aldemir de Oliveira Vice-Reitor: Marly Guimarães Fernandes Costa Diretor da Escola Superior de Tecnologia: Mário Augusto Bessa de Figueirêdo Coordenador do Curso de Engenharia de Computação: Danielle Gordiano Valente Coordenador da Disciplina Projeto Final: Raimundo Corrêa de Oliveira Banca Avaliadora composta por: Data da Defesa: 16/12/2011. Prof. M.Sc. Jucimar Maia da Silva Jr. (Orientador) Prof. M.Sc. Ricardo da Silva Barbosa Prof. M.Sc. Raimundo Corrêa de Oliveira

4 iii CIP - Catalogação na Publicação B732C Borges, Edson Soares Carro robô em Arduino com Comunicação sem fio / Edson Borges; [orientado por] Prof. M.Sc. Jucimar Maia da Silva Jr. - Manaus: UEA, f.; il. col.; tab.; 30cm Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Computação). Universidade do Estado do Amazonas, Inclui Bibliografia CDU 004

5 iv EDSON SOARES BORGES CARRO ROBÔ EM ARDUINO COM COMUNICAÇÃO SEM FIO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à banca avaliadora do Curso de Engenharia de Computação, da Escola Superior de Tecnologia, da Universidade do Estado do Amazonas, como pré-requisito para obtenção do título de Engenheiro de Computação. BANCA EXAMINADORA Aprovado em: 16/12/2011 Prof. Jucimar Maia da Silva Jr., M.Sc UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS Prof. Ricardo da Silva Barbosa, M.Sc UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS Prof. Raimundo Corrêa de Oliveira, M.Sc UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS

6 v Agradecimentos Ao finalizar este trabalho, após um anos, tive o prazer de contar com a amizade e o incentivo de pessoas que tornaram mais suave este caminho. A elas, agradeço: Aos meus pais e meu irmão, que ficaram privados de minha companhia diversas vezes, mas sempre me incentivaram e apoioaram. À minha família, com quem pude dividir alegrias e angústias durante o tempo em que ficamos em na faculade. Ao orientador sempre disposto à esclarecer as duvidas e indicar o melhor caminho de pesquisa para resolver os problemas que apareciam no projeto.

7 vi Resumo Esta monografia descreve o desenvolvimento de um carro robô utilizando o projeto de placa open source Arduino. Apresentando uma alternativa para o desenvolvimento de sistemas embarcados que não necessitem de muito conhecimento eletrico. Palavras Chave: Carro robô, Arduino, Sistemas embarcados

8 vii Abstract This monograph describes the development of a robot car project using the open source Arduino board. Presenting an alternative to the development of embedded systems that do not require much knowledge of electric. Key-words: Robot car, Arduino, Embedded systems

9 viii Sumário Lista de Tabelas Lista de Figuras Lista de Códigos xi xii xiii 1 Arduino Definição Arduino Microcontroladores Microcontroladores AVR Família AVR ATmega Unidade Central de Processamento (CPU) Memória Stack Pointer (SP) Sistema de Clock Reset Conversor A/D PWM Temporizadores e Contadores Descrição dos Pinos Ambiente de Desenvolvimento Hardware Arduino Alimentação Memória Entrada e Saída

10 ix 2.5 Arduino IDE Motor Control Shield Arduino Implementação do motor DC no Arduino IDE Introdução às máquinas elétricas Máquina CC Força contra-eletromotriz Conceito de Torque Dispositivo de Partida Invertendo o Sentido da Rotação Ponte H Xbee Hardware Xbee Padrão IEEE Protocolo de Arquitetura Tipos de Nó Topologias Confiabilidade e segurança Padrão ZigBee Tipos de dispositivos Software Serviços de segurança Configuração do Xbee Configurando o Xbee pelo X-CTU Configurando o Xbee pelo Tera Term Desenvolvimento Etapas de Desenvolvimento Materiais Utilizados Arquitetura do Robô Montando o Carro Robô Software Arduino Software do Motor Software Web Utilizando o carro robô

11 x A Códigos do Projeto 62 A.1 Código do Arduino A.2 Códigos Da página web Referências Bibliográficas 67

12 xi Lista de Tabelas 2.1 Característica arduino duemilanove Características da Série 1 e Configurações dos Módulos 1 e

13 xii Lista de Figuras 1.1 Placa Arduino Arquitetura clássica de processadores: Von-Neumann x Harvard Diagrama de blocos de um microcontrolador ATmega 168/ATmega Diagrama em blocos da unidade central de processamento (CPU) Registradores de trabalho da unidade central de processamento (CPU) Organização da memória de programa ATmega Sistema de clock do AVR e sua distribuição Opção de clock externo para o AVR Encapsulamento dos pinos do ATmega Arduino Duemilanove Board Pinos do ATmega Arduino IDE Monitoramento de sinais Motor Control Shield Adafruit Motor DC Corte de uma máquina CC Figura (a) Conexão campo-shunt, Figura (b) Conexão campo-série Forças atuantes no fio Figura (a) Motor elementar, Figura (b) Circuito do motor Figura (a) Bobina de uma única espira, Figura (b) Torque desenvolvido X-CTU Adptadores USB para módulos do Xbee Porta que o módulo Xbee está conectado Comunicação OK Programa Tera Term

14 xiii 4.6 Configurações do terminal Carro Montado Pagina Web Prototipo do robô Arquitetura do Robô Peças do Carro Ligação dos motores Motor Control Shield com os componentes não soldados

15 xiv Lista de Códigos Pisca LED com Xbee Pisca LED Código que controla os motores do carro robô Código da pagina web Comunicação com o Arduino através da serial Responsável por verificar qual informação passar para o robô Código completo da comunicação com o Arduino Código completo do controle do Carro Robô A.1.1Código que controla os motores do carro robô A.2.1Código da pagina web A.2.2Código completo da comunicação com o Arduino A.2.3Código completo do controle do Carro Robô

16 Introdução Os sistemas embarcados, são cada vez mais comuns na sociedade, estão ficando complexos graças aos avanços da tecnologia. Os avanços possibilitam uma maior capacidade de processamento, memória e adaptação a diferentes necessidades, podendo ser reconfigurados de acordo com a aplicação a qual se destinam. O trabalho demonstra a criação de um carro robô em Arduino com comunicação sem fio, através de uma pagina web implementada em Java com tecnologia Servlet, onde essa comunicação sem fio será mostrada que não foi necessário implementar um protocolo de comunicação sem fio, que o Arduino facilita muito essa parte do projeto. No projeto primeiro foi necessário aprender o funcionamento do Arduino, como funciona sua programação e conhecer seu ambiente de desenvolvimento. Após isso foi estudado como fazer funcionar um motor DC pelo Arduino, e a comunicação sem fio. A plataforma Arduino foi escolhida para o projeto por diminuir a complexidade no desenvolvimento de sistemas embarcados assim facilitando a aprendizagem de sistemas embarcados, no caso do Arduino não necessário conhecimento muito avançado em elétrica, com a utilização de Shields. Shields são placas que expandem a funcionalidade da placa Arduino, o projeto possui vários Shields, tem o ethernet Shield, Shield para LCD, para motores e muitos outros. O capítulos visam apresentar cada parte do projeto. O capítulo 1 apresenta o projeto Arduino, explicando o que ele é e os seus componentes. Capítulo 2 explica como utilizar o ambiente de desenvolvimento do Arduino. O capítulo 3 a funcionalidade do Motor Control Shield e o funcionamento do motor DC utilizado no projeto. Capítulo 4 responsável pela explicação da comunicação sem fio utilizada no Arduino, seu funcionamento e como utilizar o Shield responsável por essa comunicação. No quinto e ultimo capítulo é mostrado

17 LISTA DE CÓDIGOS 2 como o projeto foi implementado, todo seu caminho, desde o teste da placa Arduino, o funcionamento do Shield do motor, a utilização do Shield de comunicação sem fio, a montagem do carro, e da pagina Web.

18 Capítulo 1 Arduino Esse capítulo irá informar o que é a plataforma Arduino, um pouco sobre microcontroladores, o tipo de microcontrolador utilizado no Arduino e as características da família do microcontrolador utilizado no projeto. 1.1 Definição Segundo [Igoe2007] o Arduino é uma ferramenta de desenvolvimento de sistema embarcado, tendo surgido de um projeto acadêmico. Como ferramenta é usualmente associado à filosofia de Physical Computing, ou seja, ao conceito que engloba a criação de sistemas físicos através do uso de Software e Hardware. 1.2 Arduino [Arduino2011] ressalta que a escolha do Arduino para o desenvolvimento desse projeto dá-se ao fato de seu baixo custo proporcional as suas funcionalidades, a simplicidade na utilização e a possibilidade de utilização em vários sistemas operacionais, como o Windows, Macintosh OSX e Linux. [Igoe2007] ressalta que o Arduino é um nome fantasia que representa uma família de placas eletrônicas.

19 Microcontroladores 4 Segundo [Arduino2011] a placa Arduino utiliza o microcontrolador ATmega328. Podemos verificar a placa Arduino na figura 1.1. Figura 1.1: Placa Arduino 1.3 Microcontroladores Os microcontroladores estão escondidos em muitos produtos. Todos os automóveis possuem ao menos um microcontrolador, o motor é controlado por um microcontrolador, assim como os freios antitravamento (freios ABS), computador de bordo entre outros dispositivos do carro. Basicamente qualquer produto ou dispositivo que interaja com o usuário possui um microcontrolador interno. Segundo [Pereira2002] os primeiros MCU s (Micro Controler Unit, ou Unidade de Microcontrolador). Os microcontroladores, ao contrário de seus irmãos microprocessadores, são dispositivos mais simples, com memórias RAM e ROM internas, oscilador interno de clock, I/O interno, entre outros, sendo por isso chamados muitas vezes de computadores em um único chip. Tais características tornam mais simples o projeto de dispositivos inteligentes, pois os MCU s raramente necessitam de CI s externos para funcionar, o que

20 Microcontroladores 5 contribui para diminuição de custos e tamanho. [Pereira2002] afirma que os primeiros MCU s também eram derivados do 8080, como, por exemplo, o 8048 e posteriormente o 8051, todos da Intel. Segundo [Pereira2002] o mercado para MCU s é cada vez maior, existindo uma grande variedade de tipos, como os da família 8051, PIC, ST, COP, AVR. [Igoe2007] afirma que existem duas arquiteturas fundamentais para acesso a memoria que podem ser observadas na figura 1.2. Figura 1.2: Arquitetura clássica de processadores: Von-Neumann x Harvard Segundo [Igoe2007] a arquitetura de Von-Neuman, possui apenas um barramento que serve tanto para o transporte de instruções quanto de dados. [Igoe2007] afirma que a arquitetura Harvard possui 2 barramentos um para instruções e outro para dados. [Igoe2007] afirma que em 1945 Von-Neuman estabeleceu os princípios de operação de um computador eletrônico digital. E que a arquitetura de Von-Neuman se baseia em três componentes principais: Memoria. Unidade de Controle. Unidade de Processamento.

21 Microcontroladores 6 Sendo que na memória são armazenados dados e programas que realizam determinados cálculos ou tarefas. E a unidade de controle é responsável pelo funcionamento da máquina, controlando o fluxo de instruções. Esse funcionamento realiza-se em ciclos. A unidade de processamento realiza os cálculos de acordo com as instruções. [Igoe2007] aborda que a arquitetura Harvard baseia-se em um conceito mais recente que a arquitetura de Von-Neuman, e que foi idealizada por Howard Aiken, devido a necessidade de o microcontrolador trabalhar mais rápido. A principal vantagem dessa arquitetura é a leitura de memória de instruções ou de alguns tipos de operando poder ser feita ao mesmo tempo em que a execução das instruções Microcontroladores AVR Segundo [Gadre2001] a arquitetura dos microcontroladores AVR foi desenvolvida por dois alunos do Instituto de Tecnologia Norueguês (NTH) e refinado e desenvolvido pela Atmel da Noruega, com processamento eficiente e núcleo compacto. Com uma arquitetura RISC avançada, voltada para a programação C. Dado a sua arquitetura, o desempenho do seu núcleo de 8 bits é equivalente ao de microcontroladores de 16 bits. Suas principais características são: Alta integração e grande número de periféricos com efetiva compatibilidade entre toda a família AVR; Possui 32 registradores de proposito geral, memória de instruções é de 16 bits; Memória de programação flash programável, SRAM e EEPROM, para desenvolvimentos rápidos e flexibilidade de projeto; Facilmente programado e com debug in-system via interface simples, ou com interfaces JTAG compatível com 6 ou 10 pinos; Um conjunto completo e gratuito de softwares; Preço acessível.

22 ATmega Família AVR Dentre os principais membros da família AVR temos: AVR UC3 Alta performance e baixo consumo de energia. Conjunto de instruções para DSP, porta dupla de SRAM, multi camada de barramento de dados. AVR XMEGA Microcontroladores com a melhor combinação possível de desempenho em tempo real, todos os periféricos podem usar DMA para transferência de dados. Mega AVR Microcontrolador ideal quando se necessita de grandes quantidades de códigos, com memoria flash de até 256KB e de pinos. Tiny AVR Microcontroladores que necessitam de performance, tem pacote fácil de usar. mais compacto da família AVR o único capaz de operar a 0,7V. É o 1.4 ATmega 328 Para o desenvolvimento desse trabalho será utilizado o ATmega328 que é o microcontrolador que vem no Arduino Duemilanove e satisfaz as necessidades do projeto. Segundo [Atmel2011] as principais características do microcontrolador são: É baseado em uma arquitetura RISC avançada; Executa instruções em um ciclo de clock; 32 KBytes de memória flash; 2 KBytes de SRAM; 1 KByte de EEPROM;

23 ATmega registradores; Velocidade de clock de 0 a 20 MHz entre 4,5 e 5,5V; E os periféricos utilizados são: 23 pinos de entrada e saída programáveis; Watchdog Timer programável com oscilador interno separado; 8 canais A/D de 10 bits; 6 canais PWM; Interface serial USART; 3 Timer; Na figura 1.3 é apresentado um diagrama de blocos do microcontrolador ATmega328 onde é possível identificar todos os seus componentes. Pode-se ter uma noção de como um microcontrolador consegue reunir todos esses recurso em um circuito integrado Unidade Central de Processamento (CPU) Segundo [Gadre2001] a Unidade Central de Processamento (CPU) desempenha um papel crucial no funcionamento do sistema de computação. E [Igoe2007] afirma que no caso do ATmega328, temos uma CPU do tipo enhanced core de núcleo aprimorado. [Igoe2007] afirma que a Unidade Central de Processamento (CPU) é responsável pela atividade-fim do sistema, isto é, computar, calcular, processar. A CPU comanda não somente as ações efetuadas internamente, como também, em decorrência da interpretação de uma determinada instrução, ela emite os sinais de controle para os demais componentes do microcontrolador realizarem alguma tarefa. Como pode ser observado na figura 1.4. [Igoe2007] ressalta que uma Unidade Central de Processamento (CPU) tem, por propósito, realizar operações com dados normalmente numéricos. Para realizar essas operações a CPU necessita interpretar que tipo de operação ele irá executar. Em seguida é necessário que os dados estejam armazenados no dispositivo que irá executar a operação. Os principais blocos da unidade central de processamento (CPU) são:

24 ATmega Figura 1.3: Diagrama de blocos de um microcontrolador ATmega 168/ATmega 328 Unidade Lógica Aritmética (ALU): Segundo [Gadre2001] a unidade lógica aritmética AVR opera conexões diretas entre os 32 registradores. Com apenas um ciclo de clock, realiza operações aritméticas registradores de propósitos gerais ou entre registrador e uma constante. A ALU se divide em três categorias principais: aritmética, lógica e bit-funções. Algumas implementações da arquitetura também fornecem um multiplicador que suporta tanto multiplicação signed/unsigned e formato fracionário. Registradores: Os registradores são otimizados pela arquitetura AVR RICS melhorada. Como pode ser observado na figura 1.5 cada registrador está associado a um endereço da memória, mapeados diretamente para os primeiros 32 espaços da memória. Os registradores R26...R31 possuem algumas funções adicionais. Esses 6 registradores podem ser usados como registradores de endereçamento indireto de 16 bits. Esses

25 ATmega Figura 1.4: Diagrama em blocos da unidade central de processamento (CPU) Figura 1.5: Registradores de trabalho da unidade central de processamento (CPU) registradores possuem funções de auto incremento e decremento entre outras funções.

26 ATmega Memória [Atmel2011] explica que a arquitetura AVR possui dois tipos principais de memória, a memória de dados (data memory) e a memória de programa (Program memory). O ATmega328 possui uma memória EEPROM. Todas as instruções AVR são de 16 ou 32 bits. Como pode ser visto na figura 1.6 a memória de dados (SRAM) possui algumas divisões internas, onde os primeiras posições da memória são para os 32 registradores, os próximos 64 são para os registradores de entrada e saída, os outros 160 uma extensão dos registradores de entrada e saída, e o restante são para dados da SRAM. Figura 1.6: Organização da memória de programa ATmega 328 No ATmega328 a memória EEPROM possui 1024 bytes e é organizada em um espaço separado. Cada byte pode ser lido ou escrito individualmente.

27 ATmega Stack Pointer (SP) [Igoe2007] afirma que o Stack Pointer é usado principalmente para armazenamento temporário de dados, para armazenamento de variável local e endereço de retorno após chamada de sub-rotinas e interrupções. O Stack Pointer sempre aponta para o topo da pilha. O Stack Pointer está na memória SRAM e deve ser definido por programa antes que qualquer chamada de sub-rotina seja executada ou alguma interrupção fique habilitada Sistema de Clock A figura 1.7 mostra o sistema de clock do AVR e sua distribuição. Em algum momento nem todos os clocks precisam está ativos. Afim de reduzir o consumo de energia, alguns módulos de clock que não estão sendo usados podem ser parados por diferentes modos de sleep. Figura 1.7: Sistema de clock do AVR e sua distribuição [Gadre2001] ressalta que o AVR suporta as seguintes opções de clock: cristal ou ressonador cerâmico externo, cristal externo de baixa frequência, sinal de clock externo como mostra a figura 1.8. Interessante é utilizar o oscilador interno quando o clock externo não é necessário, eliminando a necessidade de componentes externos ao microcontrolador. O

28 ATmega oscilador interno pode ser programado para operar a 1 MHz, 2 MHz, 4 MHz ou 8 MHz. Figura 1.8: Opção de clock externo para o AVR Reset Segundo [Gadre2001], durante o Reset todos os registradores de entrada e saída recebem seus valores iniciais e o programa inicia sua execução do vector de Reset. As portas de entrada e saída são imediatamente levadas para seu estado inicial assim que a fonte de Reset é ativada, essa ação não requer nenhum ciclo de clock. O ATmega328 possui 4 fontes de Reset que são: Power-on Reset Ocorre quando a fonte de alimentação estiver abaixo do limite do Power-on. Reset externo Ocorre quando o pino de Reset é pressionado por um determinado período de tempo. Watchdog Reset Ocorre quando o Watchdog system está ativado e quando o tempo dele é ultrapassado. Brown-out Reset Ocorre quando seu detector está ativado e a tensão de alimentação fica abaixo do valor definido para o Brown-out.

29 ATmega Conversor A/D [Igoe2007] afirma que muitos sistemas que utilizam microcontroladores necessitam fazer medições de natureza analógica, como uma temperatura. Neste contexto, para que essas informações possam ser utilizadas pelo microcontrolador, se tem a necessidade de converter tais sinais para seu correspondente sinal digital. [Gadre2001] afirma que o ATmega328 possui um conversor A/D com resolução de 10 bits. Esse conversor está conectado a um multiplexador analógico de 8 canais, que permite oito entradas de tensão single-ended construídas a partir dos pinos da porta A PWM [Atmel2011] afirma que o ATmega328 possui 6 canais de PWM para serem utilizados. PWM permite obter tensão analógica a partir de um sinal digital. O conceito de PWM é utilizado para se referir ao sinal que possui uma frequência constante e uma largura variável Temporizadores e Contadores [Atmel2011] afirma que o ATmega328 possui dois temporizadores/contadores de 8 bits e um de 16 bits. Eles podem ser controlados tanto por uma fonte interna ou externa de clock Descrição dos Pinos Na figura 1.9 é mostrado a pinagem do ATmega328 tanto para o encapsulamento PDIP e TQFP. As principais funcionalidades dos pinos e portas podem ser encontradas com mais detalhe em [Atmel2011]. Segundo [Atmel2011] as descrições dos pinos e portas são: Pino: VCC Tensão de alimentação.

30 ATmega Figura 1.9: Encapsulamento dos pinos do ATmega 328 Pino: GND Terra. Porta B(PB7:0) XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2 A porta B é uma porta bidirecional de I/O de 8 bits com resistores internos de pullup. Os buffers de saída possuem características simétricas com alta capacidade de receber e fornecer corrente. Como entrada, os pinos colocados em zero fornecerão corrente caso os resistores de pull-up estiverem habilitados. Dependendo da seleção dos fusíveis de ajuste do clock, PB6 pode ser usado como entrada do oscilador inversor e PB7 como saída do mesmo. Se o oscilador RC ajustado internamente, for empregado como fonte de clock, PB7..6 é usado como entrada TOSC2..1 para o Temporizador/Contador2 assíncrono se o bit AS2 no registrador ASSR estiver ativo. Porta C (PC5:0) Porta C é uma porta bidirecional de I/O de 7 bits com resistores internos de pull-up. Os buffers de saída possuem características simétricas com alta capacidade de receber e fornecer corrente. Como entrada, os pinos colocados em zero fornecerão corrente

31 ATmega caso os resistores de pull-up estiverem habilitados. PC6/RESET Se o fusivel RSTDISBL estiver programado, PC6 será utilizado como um pino de I/O. Perceba que a característica elétrica desse pino difere dos restante da porta C. Caso contrario PC6 será utilizado como entrada de Reset. Porta D (PD7:0) A porta D é uma porta bidirecional de I/O de 8 bits com resistores internos de pullup. Os buffers de saída possuem características simétricas com alta capacidade de receber e fornecer corrente. Como entrada, os pinos colocados em zero fornecerão corrente caso os resistores de pull-up estiverem habilitados. Pino: AVCC Pino para a tensão de alimentação do conversor A/D. Deve ser externamente conectado ao VCC, mesmo se o A/D não estiver sendo utilizado. Se o A/D for usado deve ser empregado um filtro passa-baixo entre este pino e o VCC. Pino: AREF É o pino para referência analógica para o conversor A/D. Portas: ADC7..6 Disponível nos encapsulamentos TQFP e QFN/MLF. Servem como entradas analógicas para o conversor A/D.

32 Capítulo 2 Ambiente de Desenvolvimento Capítulo com uma breve explicação do Hardware do Arduino e do seu ambiente de desenvolvimento, para familiarização com a programação do Arduino e a utilização do mesmo, sabendo o que cada componente da placa faz. 2.1 Hardware Arduino Segundo [Arduino2011] o Arduino Duemilanove é baseado nos microcontroladores AVR da Atmel, em particular nos modelos ATmega168 e ATmega328. Conforme o microcontrolador e a placa, o Arduino recebe um codinome em italiano, Duemilanove significa 2009 o ano do lançamento dessa placa Arduino. O Arduino Duemilanove possui 14 pinos de entrada e saída digital (sendo que 6 desses pinos podem ser utilizados como saídas PWM), 6 entradas analógicas, um cristal oscilador de 16MHz, uma conexão USB, uma entrada para alimentação, um conector ICSP, e um botão de reset, como mostra a figura 2.1 e a tabela Alimentação [Arduino2011] afirma que o Arduino Duemilanove pode ser alimentado através da conexão USB ou de uma fonte externa, a fonte de alimentação é selecionada automaticamente.

33 Alimentação 18 Figura 2.1: Arduino Duemilanove Board Características Valores Microcontrolador ATmega 328 Tensão de Funcionamento 5V Tensão de entrada (recomendado) 7 12V Tensão de entrada(limites) 6 20V Pinos de E / S digital 14 (sendo que 6 oferecem saída PWM) Pinos de entrada analógica 6 Corrente DC por pino de E / S 40mA Corrente DC para pino 3,3V 50mA Memória Flash 32 KB (2KB usado pelo bootloader) SRAM 2 KB EEPROM 1 KB Velocidade de clock 16 MHz Tabela 2.1: Característica arduino duemilanove A alimentação externa pode ser tanto de uma fonte ou de uma bateria, a fonte pode ser conectada com um plugue de 2,1mm(centro positivo) no conector de alimentação. Cabos vindos de uma bateria podem ser inseridos nos pinos GND(terra) e Vin (entrada de voltagem) do conector de alimentação. Segundo [Arduino2011] a placa pode aperar com uma fonte externa de 6 a 20 Volts. Se a fonte fornecer menos de 7V, o pino de 5V pode fornecer menos do que 5V e o funcionamento

34 Alimentação 19 da placa instável. Se utilizar mais de 12V, o regulador de tensão pode superaquecer e danificar a placa. A faixa recomendada é de 7 a 12 volts. Os pinos de alimentação são os mostrados na figura 2.2. Figura 2.2: Pinos do ATmega 328 Os pinos de alimentação são os seguintes: VIN Entrada de alimentação para a placa Arduino quando é utilizada uma fonte de alimentação externa (ao contrario dos 5 volts da conexão USB). Você pode fornecer a alimentação por esse pino, ou alimentar pelo conector de alimentação. 5V A fonte de alimentação utilizada pelo microcontrolador e pelos outros componentes da placa. Pode ser fornecida pelo VIN através de um regulador interno, ou ser fornecida pela USB ou outra fonte de 5 volts. 3V3 Alimentação de 3,3 volts é gerada pelo chip FTDI. A corrente máxima é de 50 ma. GND Pino terra.

35 Memória Memória [Arduino2011] afirma que o ATmega328 possui 32 KB de memória flash para o armazenamento de código (com 2 KB utilizados pelo bootloader), possui 2 KB de SRAM e 1 KB de EEPROM (que pode ser lida e escrita com a biblioteca EEPROM). 2.4 Entrada e Saída [Arduino2011] afirma que cada um dos 14 pinos digitais do Arduino Duemilanove podem ser utilizados como entrada e saída, utilizando as funções pinmode(), digitalwrite() e digitalread(). Os pinos operam com 5 volts. Cada pino pode fornecer ou receber no máximo 40 ma e possui um resistor pull-up interno de KOhms (por padrão desabilitado). Alguns pinos possuem funções especializadas: Serial : 0(RX) 1(TX) Usado para receber (RX) e enviar (TX) dados seriais TTL. Esses pinos estão conectados aos pinos correspondentes do chip serial FTDI USB-to- TTL. Interrupções externas : 2 e 3 Esses pinos podem ser configurados para disparar uma interrupção por um valor baixo, uma borda de subida, uma borda de caída, ou uma alteração de valor. Para mais detalhes veja a função attachinterrupt(). PWM : 3, 5, 6, 9, 10 e 11 Fornece uma saída analógica PWM de 8-bit com a função analogwrite(). SPI : 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK) Esses pinos suportam a comunicação SPI utilizando a biblioteca SPI. LED : 13 Há um LED já montado e conectado ao pino 13 da placa. Quando o pino tem valor HIGH, o LED acende, quando tem valor LOW o LED apaga. I2C : A4(SDA) e A5(SCL) Suportam comunicação I2C(TWI) usando a biblioteca Wire.

36 Arduino IDE Arduino IDE Segundo [Schmidt2011] o Arduino Duemilanove pode ser programado através do software de desenvolvimento chamado de Arduino IDE como mostrado na figura 2.3, ele é um ambiente simples. [Schmidt2011] diz que o Arduino IDE é bem simples. Ele consiste em um editor de texto, um compilador, um carregador, e um monitor de porta serial. Não possui ferramentas muito avançadas como um debugger ou um complementador de código. Figura 2.3: Arduino IDE Os botões do Arduino IDE mostrados na figura serão descritos a seguir: Botão Verify Para compilar o programa, que está no editor de texto, afim de procurar erros no mesmo. Botão Stop Interrompe o processo do botão Verify e o monitor serial. Botão New Inicia um novo documento em branco, mas antes disso pergunta se deseja salvar as alterações dos documentos não salvos. Botão Open Pode abrir um programa já existente.

37 Arduino IDE 22 Botão Save Salva o programa que está no editor de texto. Botão Upload Compila e envia o programa no editor de texto para o microcontrolador da placa Arduino. Monitoramento de sinais O Arduino pode se comunicar com um computador através de uma conexão serial. Ao apertar no botão será aberto uma janela com os valores de retorno dessa comunicação. A janela é a mesma que tem na figura 2.4. Figura 2.4: Monitoramento de sinais Para desenvolver um código fonte no Arduino IDE é bem simples. Primeiro escreva o código no editor de texto do Arduino IDE, após isso compile o programa caso ele não apresente erro pode carrega-lo no Arduino, através do botão Upload, não é necessário compilar o programa, quando pressiona o botão Upload o próprio compila o programa e se não tiver erro carrega o mesmo para o Arduino. Essa comunicação com a placa Arduino ocorre pelo cabo USB. O Arduino IDE é escrito em Java e baseado no Processing, avr-gcc, e outros softwares open source. Pelo fato de ser escrito em Java o mesmo funciona no Windows, Linus e Mac OS X.

38 Capítulo 3 Motor Control Shield Arduino Figura 3.1: Motor Control Shield Adafruit Para o controle dos motores foi verificada a necessidade do uso de uma placa que faça mais de um motor funcionar ao mesmo tempo, e controle a velocidade dos mesmos, o utilizado será o Motor Control Shield da Adafruit como pode ser verificado na figura 3.1. Segundo [Adafruit2011] motores precisam de muita energia, especialmente motores baratos de rendimento baixo. Primeiramente o mais importante é a voltagem que o motor necessita para funcionar. Se você tiver um pouco de sorte o motor vem com algumas pequenas especificações. Alguns motores pequenos executam com apenas 5V, mas o mais comum é de 6 12 V. Os controladores de motor desse Shield foram projetados para funcionar entre 4,5V a 36V (na teoria eles poderiam operar a partir de 2,5V). Outro quesito importante é saber quanto de corrente seu motor precisa para funcionar.

39 Implementação do motor DC no Arduino IDE 24 O chip do Motor Control Shield foi projetado para gerar 600 ma por motor, com pico de 1,2A de corrente. Observe que se você colocá-lo para gerar mais de 1A, é recomendável coloca um dissipador de calor sobre o controlador do motor, caso contrário muito provavelmente teremos uma falha térmica, possivelmente queimando o chip. [Adafruit2011] recomenda que você procure uma fonte de alimentação para o Arduino e outra para o Motor Control Shield. Muitos dos problemas com o Shield são com problemas de fonte compartilhada ou alimentação insuficiente para o Shield. Segundo [Adafruit2011] motores DC são alimentados com altas voltagens e não com voltagem regulada de 5V. Não conecte o seu motor a uma fonte regulada de 5V. Isso não é uma boa ideia a não ser que você tenha certeza do que está fazendo. Existem duas maneiras de seu motor conseguir a alta voltagem. Uma delas é através do jack DC da placa do Arduino e pelo bloco de 2 terminais na placa do Shield onde está escrito EXT PWR. O jack DC da placa do Arduino possui um diodo de proteção para caso você cometa algum erro na ligação e a placa não ser comprometida. Já os terminais do EXT PWR do Shield não possuem esse diodo de proteção. Portanto tome bastante cuidado na hora de alimentar o Shield para não inverter a polaridade e assim consequentemente danificar o Arduino e/ou o Motor Control Shield. Caso queira utilizar apenas uma fonte de alimentação para o Arduino e o Shield, simplesmente conecte no jack DC uma fonte ou conecte nos terminais EXT PWR do Shield. E conecte o jumper power no Shield. Note que talvez você tenha problema com o reset do Arduino se a força da bateria não estiver apta a fornecer uma alimentação constante, e isso não é recomendado para alimentação do projeto do Shield. No caso de preferência por uma alimentação DC para o Arduino e outra para o Shield. Conecte uma fonte de alimentação no jack DC do Arduino, e outra fonte DC ao bloco EXT PWR. Tenha certeza que o jumper power do Shield está removido. 3.1 Implementação do motor DC no Arduino IDE Segundo [Adafruit2011] motores DC, visto na figura 3.2, são muito utilizados em pequenos projetos de robótica. O Motor Control Shield pode utilizar até 4 motores DC bidirecionais ao mesmo tempo. Isso significa que esses motores podem girar para frente

40 Implementação do motor DC no Arduino IDE 25 Figura 3.2: Motor DC e para trás. A velocidade do motor pode ser incrementada em torno de 0,5% implementada com sinais PWM. Isso significa que a velocidade é boa e não sofre muita variação. Observe que o chip de ponte H não significa que ele sempre manterá a corrente em 0,6 A com picos de 1,2 A. Verifique o datasheet do motor para obter mais informação sobre seu funcionamento. Para conectar o motor é simples, apenas ligue os conectores do motor aos terminais do Motor Control Shield, esses terminais podem ser o M1, M2, M3 ou M4, siga os seguintes passos na programação do software: Declare no inicio do programa <AFMotor.h> Crie um objeto de AF DCMotor com AF DCMotor(motor, frequency), para configurar a ponte H e as travas. O construtor possui 2 argumentos. Primeiro escolha qual porta quer selecionar no caso o motor 1, 2, 3 ou 4. Frequência é a velocidade do sinal de controle. Para os motores 1 e 2, você pode escolher entre MOTOR12 64KHZ, MOTOR12 8KHZ, MOTOR12 2KHZ, MOTOR12 1KHZ uma frequênca baixa como 1KHZ gastará menos energia. Os motores 3 e 4 só são possíveis de executar à 1KHZ, qualquer outra configuração será ignorada. A velocidade do motor pode ser modificada com o comando setspeed(velocidade), onde o intervalo da velocidade tem que ficar entre 0 e 255. Essa velocidade pode ser

41 Introdução às máquinas elétricas 26 modificada quando você quiser. Para o motor funcionar utilize o comando run(direção), onde direção pode ser FORWARD, BACKWARD ou RELEASE. O Arduino não sabe se o motor vai para frente ou para trás, se você quiser mudar o que o comando faz, simplesmente troque as ligações no terminal do shield. 3.2 Introdução às máquinas elétricas Segundo [Hughes2006] uma máquina elétrica é uma maquina capaz de converter energia mecânica em energia elétrica (gerador) ou energia elétrica em energia mecânica (motor). Quando se trata de um gerador, a rotação é suprida por uma fonte de energia mecânica como, por exemplo, uma queda d água, para produzir o movimento relativo entre os condutores elétricos e o campo magnético e gerar, desse modo, uma tensão entre os terminais do condutor. No caso de motores, o funcionamento é inverso: energia elétrica é fornecida aos condutores e ao campo magnético (no caso de ele ser gerado por eletroímãs) para que surja a força magnética nos condutores, causando a rotação (energia mecânica). Sempre há movimento relativo entre condutor e campo magnético. [Hughes2006] afirma que exitem várias possibilidades de construção de máquinas elétricas, que sempre são compostas por estator (parte estacionária) e rotor (parte que gira). Algumas dessas possibilidades são: Máquinas de corrente continua, que tem uma armadura rotativa e um campo estacionário. Máquina síncrona com uma armadura rotativa e um campo estacionário. Máquina síncrona com uma armadura fixa e um campo rotativo. Máquina assíncrona que possui enrolamento da armadura estacionário e rotativo.

42 Introdução às máquinas elétricas Máquina CC Figura 3.3: Corte de uma máquina CC A figura 3.3 mostra um corte de uma máquina CC comercial típica, simplificada para dar ênfase às partes principais. O rotor consiste de: Eixo da armadura Imprime rotação ao núcleo da armadura, enrolamentos e comutador. Núcleo da armadura Está conectado ao eixo e é construído de camadas laminadas de aço, provendo uma faixa de baixa relutância magnética entre os polos. As laminas servem para reduzir as correntes parasitas no núcleo, e o aço usado é de qualidade destinada a produzir uma baixa perda por histerese. O núcleo contem ranhuras axiais na sua periferia para colocação do enrolamento da armadura. Enrolamento da armadura É constituído de bobinas isoladas entre si e do núcleo da armadura. ranhuras e eletricamente ligado ao comutador. É colocado nas Comutador Devido à rotação do eixo, providência o necessário chaveamento para o processo de comutação. O comutador consiste de segmentos de cobre, individuais isolados entre si e do eixo, eletricamente conectados às bobinas do enrolamento da armadura.

43 Introdução às máquinas elétricas 28 Segundo [Hughes2006] o rotor da armadura das máquinas CC tem quatro funções principais: (1) permite rotação para ação geradora ou ação motora mecânica; (2) em virtude da rotação, produz a ação de chaveamento necessário para a comutação; (3) contém os condutores que induzem a tensão ou providenciam um torque eletromagnético; e (4) providencia uma faixa de baixa relutância para o fluxo. O estator da máquina CC consiste de: Carcaça É uma carapaça ou estrutura cilíndrica de aço ou ferro fundido ou laminado. Não apenas a carcaça serve como suporte das partes descritas acima, mas também providência uma faixa de retorno do fluxo para o circuito magnético criado pelos enrolamentos de campo. Enrolamento de campo Consiste de umas poucas espiras de fio grosso para o campo-série ou muitas espiras de fio fino para o campo-shunt. Essencialmente, as bobinas de campo são eletromagnetos, cujos ampére-espiras (Ae) providenciam uma força magnetomotriz adequada a produção no entreferro, do fluxo necessário para gerar uma fem ou uma força mecânica. Os enrolamentos de campo são suportados pelos polos. Polos São constituídos de ferro laminado e parafusados ou soldados na carcaça após a inserção dos rolamentos de campo nos mesmos. A sapata polar é curvada, e é mais larga que o núcleo polar, para espalhar o fluxo mais uniformemente. Interpolo Ele e o seu enrolamento também são montados na carapaça da máquina. Eles estão localizados na região interpolar, entre os polos principais, e são geralmente de tamanho menor. O enrolamento do interpolo é composto de algumas poucas espiras de fio grosso, pois é ligado em série com o circuito da armadura, de modo que a fem é proporcional à corrente da armadura. Escovas e Anéis-Suporte de Escovas

44 Introdução às máquinas elétricas 29 Assim como o interpolo, são parte do circuito da armadura. As escovas são de carvão e grafite, suportadas na estrutura do estator por um suporte tipo anel, e mantidas no suporte por meio de molas, de forma que as escovas manterão um contato firme com os segmentos do comutador. As escovas estão sempre instantaneamente conectadas a um segmento e em contato com uma bobina localizada na zona interpolar. Detalhes mecânicos Mecanicamente conectados a carcaça, estão os suportes contendo mancais nos quais o eixo da armadura se apoia, bem como os anéis-suporte de escovas de algumas máquinas. Figura 3.4: Figura (a) Conexão campo-shunt, Figura (b) Conexão campo-série As conexões elétricas da máquina CC são mostradas na Figura 3.4a e 3.4b. A primeira mostra as conexões de campo-shunt, no qual os enrolamentos do campo estão em paralelo com o circuito da armadura. A última mostra a conexão do campo-série, na qual o enrolamento de poucas espiras com fio grosso de campo-série está localizado nos polos principais e ligado em série com o circuito da armadura, bem como as escovas. [Sousa2000] afirma que a máquina CC da figura 3.4b pode ser usada universalmente como máquina CC ou CA Força contra-eletromotriz Segundo [Sousa2000] a figura 3.5 mostra a ação motora, para o sentido de campo e corrente de armadura representados na figura. Segundo [Sousa2000] a força desenvolvida no condutor faz com que ele se movimente no campo magnético, resultando numa variação do fluxo magnético em torno do condutor. Uma Força Eletromotriz (fem) é induzida no

45 Introdução às máquinas elétricas 30 Figura 3.5: Forças atuantes no fio condutor motor da figura 3.5. O sentido dessa fem induzida é o sentido oposto ao da força representada na figura, para os mesmos sentido de movimento e campo. Aplicando esta fem induzida ao condutor da figura 3.5, observa-se que ela se opõe ou se desenvolve em sentido contrário ao da circulação da corrente que criou a força ou o movimento, assim é ela chamada de Força Contra-eletromotriz (fcem). Note que o desenvolvimento de uma força contra-eletromotriz é uma aplicação da Lei de Lenz com respeito ao fato de que o sentido da tensão induzida opõe-se à fem aplicada que a criou. Assim, quando quer que ocorra a ação motora, uma ação geradora é simultaneamente desenvolvida. Figura 3.6: Figura (a) Motor elementar, Figura (b) Circuito do motor Para [Sousa2000] uma representação mais gráfica, em termos de elementos rotativos, é apresentada na figura 3.6, que compara motor e gerador elementares para o mesmo sentido de rotação e mostra o circuito elétrico de cada um. Dado o sentido da tensão aplicada e da corrente, a ação motora que resulta produz uma força, que gira no sentido horário, em ambos os condutores. O sentido da força contra-eletromotriz induzida é também mostrado como oposto ao da tensão aplicada. Note que para que a corrente produza uma rotação no sentido horário e tenha o sentido mostrado na figura 3.6b, é necessário que a tensão aplicada aos terminais da armadura, Va, seja maior que a fcem desenvolvida, Ec. Assim, quando uma máquina é operada como motor, a fcem gerada é sempre menor que a tensão nos terminais que produzem a ação motora e se opõe à corrente de armadura. Tal discussão dá lugar à equação básica do circuito da armadura mostrada na figura 3.6 e resumida como se segue:

46 Introdução às máquinas elétricas 31 Va = Ec + IaRa (3.1) Onde Va é a tensão aplicada (medida nos terminais) de lado a lado da armadura Ec é a fcem gerada, desenvolvida na armadura do motor. Ia.Ra é a queda de tensão na armadura devido à circulação da corrente através de uma armadura de resistência Ra Conceito de Torque Segundo [Sousa2000] para a ação motora, tem-se: O torque eletromagnético desenvolvido produz (mantém) rotação. A tensão gerada nos condutores onde circula corrente (força contra-eletromotriz) se opõe à corrente da armadura. A força contra-eletromotriz pode ser expressa pela equação: Ec = V a IaRa e é menor que a tensão aplicada que causa a circulação da corrente de armadura Ia. A equação acima pode ser reescrita em termos da corrente de armadura (Ia), produzida para uma dada tensão aplicada e uma dada carga: Ia = V a Ec Ra (3.2) Podemos escrever a força eletromagnética em função dos três fatores que determinam a sua magnitude e que são requeridos para produzi-la num condutor onde circula uma corrente elétrica (uma força ortogonal a B e I):

47 Introdução às máquinas elétricas 32 F = (BIl) (3.3) Figura 3.7: Figura (a) Bobina de uma única espira, Figura (b) Torque desenvolvido [Sousa2000] afirma que uma bobina constituída de uma única espira (suportada por uma estrutura capaz de rotação), supõe-se estar carregando corrente num campo magnético, como se vê na figura 3.7a. De acordo com a última equação descrita e a regra da mão direita, desenvolve-se uma força ortogonal f1 no lado 1 da bobina e uma força similar f2 é desenvolvida no lado 2 da bobina, como se vê na figura 3.7b. As forças f1 e f2 são desenvolvidas numa direção tal que tendem a produzir a rotação no sentido horário da estrutura que suporta os condutores ao redor do centro de rotação C. Torque é definido como a tendência do acoplamento mecânico (de uma força e sua distância radial ao eixo de rotação) para produzir rotação. É expresso em unidades de força e distância, como N.m. [Sousa2000] afirma que o torque eletromagnético se opõe à rotação num gerador e auxilia (atua no mesmo sentido) a rotação num motor. Como o torque é função do fluxo e da corrente da armadura, é independente da velocidade do motor ou do gerador. A velocidade depende do torque, mas eles não podem ser usados como sinônimos Dispositivo de Partida [Sousa2000] afirma que no instante em que se aplica a tensão Va nos terminais da armadura, para iniciar a rotação do motor, não existe fcem, já que a velocidade é nula. Os fatores que limitam a corrente são a queda de tensão nos contatos das escovas e a resistência no circuito da armadura, Ra, sendo que estes fatores não alcançam 10 ou 15 da tensão aplicada através dos terminais da armadura. Essa sobrecarga é, às vezes, muito

48 Introdução às máquinas elétricas 33 maior que a corrente nominal. Para evitar danos ao motor, se faz necessário o uso de um dispositivo de partida, que irá limitar a corrente de partida. A corrente é excessiva devido à falta da fcem na partida. À medida que se inicia a rotação, a fcem cresce proporcionalmente ao aumento da velocidade. Logo, se quer um dispositivo cuja a resistência Rs possa ser continuamente reduzida até que o motor entre em estado de operação normal. Segundo [Sousa2000] para controlar a partida dos motores, o terminal que liga a resistência ao motor é deslocado continuamente de forma a reduzir a resistência à medida que a fcem aumenta. Se o terminal não for deslocado, a velocidade se estabilizaria num valor bem abaixo do valor nominal. Logo, o terminal é deslocado até que a velocidade seja nominal e o sistema não precise de uma resistência em série na armadura. [Sousa2000] afirma que a regulação de velocidade de um motor definida por norma internacional como: a variação da velocidade desde a plena carga até a situação de carga nula, expressa em percentagem da velocidade nominal. A equação que descreve esta equação é: regulação percentual da velocidade = (N 0 N) N 100% (3.4) Invertendo o Sentido da Rotação Para inverter o sentido de rotação de qualquer motor CC, é necessário inverter o sentido da corrente na armadura em relação ao sentido do campo magnético. Segundo [Sousa2000] o mais comum na inversão no sentido de rotação é obtido através da inversão do circuito de armadura pois: Os circuitos de campo são circuitos altamente indutivos, o que implica em fem induzidas muitos elevadas ao executarmos o chaveamento, o que pode causar desgaste prematuro dos contatos das chaves. As conexões do circuito da armadura estão naturalmente disponíveis por motivos de regeneração e frenagem, de modo que podemos aproveitá-las para executar a inversão.

49 Introdução às máquinas elétricas Ponte H Segundo [Adafruit2011] a ponte H serve para controlar o sentido de rotação de um motor DC, com ela usamos apenas dois pinos digitais para fazer esse controle. Tem esse nome devido ao formato do circuito ser parecido com a letra H. O circuito é construído com 4 chaves (S1-S4) que são acionadas de forma alternada (S1 e S4 ou S2 e S3). Para cada configuração da chave o motor gira em um sentido, as chaves S1 e S2 assim como as chaves S3 e S4 não podem ser ligadas ao mesmo tempo pois podem gerar um curto circuito.

50 Capítulo 4 Xbee Segundo [Messias2011] a comunicação sem fio (ou wireless) como as Redes WLANs, WMANs, WWANs, são voltadas para usuários finais de empresas, onde o seu objetivo é a transferência de grandes volumes de dados e voz em alta velocidade. São poucas as Redes sem fio destinadas exclusivamente ao controle de dispositivos como motores, obtenção de dados de sensores, como de luminosidade, distância etc. Dentre as Redes WPAN (Wireless Personal Area Network) existente, a mais recente é a que usa o padrão ZigBee IEEE A ZigBee Alliance junto ao IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Engineers) que desenvolvem o padrão ZigBee, em associação com outras empresas. [Messias2011] afirma que a ZigBee opera na frequência ISM (Industrial, Scientific and Medical), sendo na Europa de 866 MHz (1 canal), 915 MHz (10 canais) nos Estados Unidos e 2,4 Ghz (16 canais) no restante do mundo, e não requerem licença para funcionamento. O protocolo ZigBee é destinado a aplicações industriais, portanto, o fator velocidade não é crítico numa implementação ZigBee. 4.1 Hardware Xbee [Faludi2010] afirma que existem duas variações básicas de Xbee, que são o Xbee Série 1 e o Xbee Série 2. A diferença dos dois está na comunicação (topologia de Rede) que cada uma suporta. Cada Série possui o Xbee padrão e o PRO. A versão PRO possui mais pinos

51 Hardware Xbee 36 de entrada e saída, maior alcance. Abaixo uma tabela com a principal diferença da Série 1 para a Série 2 na versão padrão: Série 1 Série 2 Alcance em ambiente fechado 30 metros 40 metros Alcance em ambiente aberto 100 metros 120 metros Transmissão/Recpção Corrente 45/50 ma 40/40 ma Firmware (característico) ponto-a-ponto ZB ZigBee malha Pinos de Entrada/Saída Digital 8 11 Pinos de Entrada Analógica 7 4 Pinos de Saída Analógica (PWM) 2 Não possui Topologia estrela, ponto-a-ponto Sim Sim Topologia malha, arvore Não Sim Firmware único para todos os modos Sim Não Requer nó coordenador Não Sim Configuração ponto-a-ponto Simples Mais desenvolvida Tabela 4.1: Características da Série 1 e 2 Segundo [Faludi2010] as comunicações com sinais de Radio necessitam de antenas para a transmissão e recepção de sinais. Existem mais de uma opção para a construção de um antena, cada uma com suas vantagens e desvantagens. Algumas tipos de antenas disponíveis nos módulos Xbee são: Antena de Fio metálico Um simples pedaço de fio metálico esticado no módulo. É simples e oferece sinal em todas as direções, a distância máxima da transmissão em todas as direções ocorre quando a antena está perpendicular ao módulo. Antena em Chip É um chip em cerâmica que fica no corpo do módulo Xbee. Seus sinais são atenuados em muitas direções. Caso você está trabalhando em algum projeto em que possa haver a quebra da antena de fio metálico a antena em chip pode ser a sua escolha para tal projeto.

52 Padrão IEEE Padrão IEEE Segundo [IEEE2011] O IEEE é um conjunto de especificações que define tanto o protocolo quanto o comportamento da comunicação entre rádios dentro de uma PAN (Personal Area Network). As especificações contidas neste padrão tornam seu emprego adequado aos dispositivos de monitoração e/ou controle cujas características tais como links confiáveis, tempo de latência da mensagem, e possibilidade de implementação em dispositivos dotados de poucos recursos computacionais sejam imperativas. [DesmontaCIA2011] afirma que devido ao fato de trabalhar sobre baixas razões de dados, as redes que empregam este padrão são conhecidas pelo acrônimo LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network). Os módulos de rádio desenvolvidos com base no padrão IEEE trabalham com taxas de transmissão até 250kbps, curto alcance (a depender do fabricante, a distância entre rádios pode variar até 1.6 km), baixo consumo de energia, e possuem custo reduzido. Este padrão trabalha sobre as bandas de frequência ISM (Industrial Medical Scientific) de 868khz (Europa), 915khz (Estados Unidos) e 2450khz (Internacional), permitindo o uso de rádios não-licenciados nestas faixas de frequência. Outras características que acompanham este padrão são: Suporte a redes em modo estrela ou ponto-a-ponto; Rádios podem ser endereçados em modo 16 bits ou 64 bits; Seu protocolo admite reconhecimento, garantindo a confiabilidade na transmissão da mensagem; Acesso aos canais através do mecanismo CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). O padrão IEEE define o comportamento das Camadas Física (PHY), e de Controle de Acesso ao Meio (MAC) Protocolo de Arquitetura Segundo [IEEE2011] dispositivos são concebidos para interagir uns com os outros através de uma rede wireless conceitualmente simples. A definição das camadas de rede é

53 Padrão IEEE baseada no modelo OSI. Camada Física [de Castro2011] afirma que A camada física (PHY), em última análise fornece o serviço de transmissão de dados, bem como a interface para a entidade da camada física de gestão, que oferece acesso a todas as funções de gerenciamento de camada e mantém um banco de dados de informações sobre as redes de área pessoal. Assim, a camada física gerência o transceptor RF e realiza seleção de canais e funções de gerenciamento de energia e de sinal. Ela opera em uma das três possíveis bandas de frequência não licenciada: 868,0-868,6 MHz: Europa, permite que um canal de comunicação; MHz: América do Norte, até dez canais (2003), estendeu a trinta (2006); ,5 MHz: use todo o mundo, até dezesseis canais (2003, 2006). Camada MAC Segundo [DesmontaCIA2011] esta camada MAC (Media Access Control) foi desenvolvida para permitir múltiplas topologias com baixa complexidade, onde o gerenciamento de energia, por exemplo, não requer operações complexas. Sem a necessidade de grandes quantidades de memória disponíveis, o MAC também permite que um dispositivo com funcionalidade reduzida (RFD) opere, podendo controlar também um grande número de dispositivos sem a necessidade de colocá-los à espera, como ocorre em algumas tecnologias sem fio. 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 pontos de rede com baixas perdas. Camadas Mais Altas [IEEE2011] afirma que camadas superiores não são definidas no padrão IEEE Existem especificações que se baseiam no padrão para propor soluções para essas camadas.

54 Padrão IEEE Tipos de Nó [Messias2011] afirma que o padrão define dois tipos de nós de rede: Dispositivos de função reduzida (RFD Reduced Function Device) Destinado a áreas simplificadas de uma aplicação, as quais não exigirão funções de descoberta de caminhos, ou não permitam a junção de outros nós à rede, por exemplo. Estes dispositivos se encontram no papel de dispositivos finais, ligados à borda da rede e, portanto se comunicam apenas com dispositivos de função completa. Consequentemente, estes dispositivos podem ser implementados em microcontroladores que possuam recursos computacionais reduzidos. Dispositivos de função completa (FFD Full Function Device) Podem operar como coordenador de uma WPAN, coordenador de um cluster, ou dispositivo final. Podem, portanto, se comunicar com um dispositivo FFD ou RFD. Eles podem fazer o papel de borda da rede, podendo permitir que dispositivos RFD se juntem à rede Topologias [IEEE2011] afirma que as redes podem ser construídas tanto como peer-to-peer ou redes estrela. No entanto, toda rede precisa de pelo menos um FFD para trabalhar como coordenador da rede. Redes são, portanto, formadas por grupos de dispositivos separados por distâncias adequadas. Cada dispositivo tem um identificador exclusivo de 64 bits, e se algumas condições forem satisfeitas identificadores de 16 bits podem ser usados dentro de um ambiente restrito. Ou seja, dentro de cada domínio PAN, comunicações, provavelmente, usam identificadores curtos Confiabilidade e segurança Segundo [IEEE2011] o meio físico é acessado através de um protocolo CSMA/CA. Redes que não estão usando os mecanismos de beaconing utilizam uma variação unslotted que é

55 Padrão ZigBee 40 baseado na escuta do meio. Transmissão de dados comuns utilizam slots de não alocado quando beaconing está em uso, novamente, as confirmações não seguem o mesmo processo. Mensagens de confirmação podem ser opcionais em certas circunstâncias, caso em que uma hipótese de sucesso é feita. Seja qual for o caso, se um dispositivo é incapaz de processar um quadro em um determinado momento, ele simplesmente não confirmar a sua recepção: timeout baseado em retransmissão pode ser realizado várias vezes, seguido de uma decisão de se abortar ou de continuar tentando. 4.3 Padrão ZigBee [Gislason2011] afirma que o padrão ZigBee, designa uma tecnologia de redes sem fios ainda em fase de desenvolvimento que pretende realizar a interligação de pequenas unidades de comunicações de dados em áreas muito limitadas. A tecnologia utilizada é comparável às redes Wi-Fi e Bluetooth e diferencia-se destas por desenvolver menor consumo, por um alcance reduzido (cerca de 10 metros) e as comunicações entre duas unidades poder ser repetida sucessivamente pelas unidades existentes na rede até atingir o destino final. Funcionando todos os pontos da rede como retransmissores de informação, uma malha (Mesh) de unidades ZigBee pode realizar-se numa extensão doméstica ou industrial sem necessidade de utilizar ligações eléctricas entre elas. ZigBee é um padrão que está sendo definido por um conjunto de 45 empresas de diferentes áreas do mercado, esse conjunto é chamado de ZigBee Alliance. O protocolo está sendo projetado para permitir ao consumidor uma comunicação sem fio confiável, com pouco consumo de energia e baixas taxas de transmissão e obtendo um pequeno alcance, sendo um padrão global. Até o momento ainda não surgiu um padrão que esteja de acordo com as necessidades únicas da comunicação sem fio entre dispositivos de controle e sensores, e é isto que o ZigBee está procurando concretizar, revigorando o sistema de transmissão de dados atuais. Segundo [Gislason2011] as comunicações por ZigBee são feitas na faixa das frequências que não precisam de licença (ISM), assim sendo, tem-se então as faixas de 2.4Ghz (mundialmente), 915Mhz (na América) e 868Mhz (na Europa). Nesse contexto a taxa de transferência dos dados é de até 250kbps na frequência de 2.4Ghz, operando com 16 ca-

56 Padrão ZigBee 41 nais, 40kbps na frequência de 915Mhz operando com 10 canais e 20kbps na frequência de 868Mhz operando com 1 canal Tipos de dispositivos Existem três tipos diferentes de dispositivos ZigBee: ZigBee cordinator (Coordenador) Há apenas um coordenador em cada rede. Esse tem o maior número de funções. O coordenador é capaz de criar uma rede, tornar-se a raiz da rede, e ser o único dispositivo com autonomia de comutar dados entre redes. Fora isso, ele faz o armazenamento das informações da rede. ZigBee router (Roteador) São os dispositivos que fornecem informações aos outros dispositivos da rede, ou seja, faz o roteamento das informações como um roteador comum de WIFI. ZigBee End Device (Dispositivo final) Tem apenas a função de trocar informações com um coordenador ou roteador. Uma vantagem é sua menor memória, pois não precisa rotear informações, consequentemente o custo é menor. [DesmontaCIA2011] afirma que em uma rede ZigBee os dispositivos podem permanecer por longos períodos sem se comunicar com outro dispositivo, seu tempo de acesso conectado é de 30 ms. Por essas características que a tecnologia do ZigBee é muito econômica em ralação ao consumo de energia podendo durar muito mais tempo que outros dispositivos de comunicação sem fio Software O software é projetado para ser fácil de desenvolver em pequenos microprocessadores de baixo custo.

57 Conguração do Xbee 42 Camada de rede [DesmontaCIA2011] afirma que as principais funções da camada de rede são permitir o uso correto da camada MAC e fornecer uma interface adequada para uso pela camada superior, ou seja, a camada de aplicação. Suas capacidades e estrutura são aqueles tipicamente associados às camadas de rede, incluindo roteamento. Camada de aplicação Segundo [DesmontaCIA2011] a camada de aplicação é a camada de mais alto nível definido pela especificação, e é a interface eficaz do sistema de ZigBee para seus usuários finais. Compreende a maioria dos componentes adicionados pela especificação ZigBee. Modelos de comunicação [Gislason2011] afirma que uma aplicação pode consistir de comunicar os dispositivos que cooperam para realizar as tarefas desejadas. O foco do ZigBee é distribuir o trabalho entre muitos dispositivos diferentes que residem dentro de nós individuais ZigBee que, por sua vez formam uma rede Serviços de segurança [Gislason2011] afirma que como uma de suas características definidoras, ZigBee dispõe de instalações para a realização de comunicações seguras, protegendo estabelecimento e transporte de chaves criptográficas, cifragem frames e dispositivos de controle. Baseia-se na estrutura de segurança básicas definidas no IEEE Esta parte da arquitetura depende da correta gestão de chaves simétricas e da correta aplicação de métodos e políticas de segurança. 4.4 Configuração do Xbee [Faludi2010] afirma que o módulo do Xbee possui um microcontrolador interno que processa um programa, também conhecido como firmware, que é responsável pela comu-

58 Conguração do Xbee 43 nicação, segurança, funções de utilidades. Nesse firmware pode ser configurado o endereço do módulo, tipo de segurança, quem manda a mensagem, como deve ser lido os dispositivos colocados nos seus pinos de entrada/saída. As mudanças dessas configurações podem ser realizadas de duas maneiras, através de programas de comunicação serial pelos programas de terminais, ou por um programa que pode ser feito o download no site da empresa Digi, o programa é o X-CTU. Figura 4.1: X-CTU Segundo [Messias2011] o X-CTU atualiza o firmware do módulo Xbee, o programa tem versão apenas para o sistema operacional Windows. Como pode ser observado na figura 4.1, X-CTU possui um terminal próprio onde pode fazer as configurações do Xbee, possui uma aba para testar a comunicação com o mesmo, e uma aba onde pode ser feito o update do Xbee e as modificações das suas configurações Configurando o Xbee pelo X-CTU Para conectar o módulo Xbee no computador é necessário um adaptador USB do Xbee, que pode se visto na figura 4.2 alguns modelos desses adaptadores. Após isso ele verifica a porta que ele está conectado, na figura 4.3 o módulo está na porta COM3.

59 Conguração do Xbee 44 Figura 4.2: Adptadores USB para módulos do Xbee Figura 4.3: Porta que o módulo Xbee está conectado Segundo [Faludi2010] primeiramente é necessário atualizar o firmware do Xbee. Com o X-CTU(que é visto na figura 4.1) aberto e o módulo Xbee conectado no computador, selecione a porta COM que o módulo está conectado, com isso pressione o botão Test/Query, caso esteja tudo certo aparecerá uma tela igual a da figura 4.4. Caso mostre alguma mensagem de erro, verifique se o módulo está corretamente conectado ao adaptador USB e se o mesmo está conectado ao computador. Figura 4.4: Comunicação OK