REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

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2 Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP) Divisão de Informação e Documentação Salomão, Andrei Desenvolvimento de um Módulo ZigBee para o Monitoramento Remoto do Consumo de Água em Instalações Prediais Aeroportuárias / Andrei Salomão. São José dos Campos, f. Tese de mestrado Curso de Engenharia Eletrônica e Computação. Área de Dispositivos e Sistemas Eletrônicos Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Orientador: Prof. Dr. Wagner Chiepa Cunha. 1. Redes sem Fio. 2. WPAN. 3. ZigBee. 4. IEEE I. Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial. Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Divisão de Engenharia Eletrônica. II. Mestrado. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA SALOMÃO, Andrei. Desenvolvimento de um Módulo ZigBee para o Monitoramento Remoto do Consumo de Água em Instalações Prediais Aeroportuárias f. Tese de Mestrado Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. CESSÃO DE DIREITOS NOME DO AUTOR: Andrei Salomão. TÍTULO DO TRABALHO: Desenvolvimento de um Módulo ZigBee para o Monitoramento Remoto do Consumo de Água em Instalações Prediais Aeroportuárias. TIPO DO TRABALHO/ANO: Tese / É concedida ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica permissão para reproduzir cópias desta tese e para emprestar ou vender cópias somente para propósitos acadêmicos e científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desta tese pode ser reproduzida sem a autorização do autor. Andrei Salomão SHIS Qi-16 Conjunto 4 Casa 21 Lago Sul Brasília Distrito Federal.

3 III DESENVOLVIMENTO DE UM MÓDULO ZIGBEE PARA O MONITORAMENTO REMOTO DO CONSUMO DE ÁGUA EM INSTALAÇÕES PREDIAIS AEROPORTUÁRIAS Andrei Salomão Composição da Banca Examinadora: Prof. Dr. Cairo Lúcio Nascimento Presidente ITA Prof. Dr. Wagner Chiepa Cunha Orientador ITA Prof. Dr. Wilson Cabral de Sousa Jr. Membro Interno ITA Prof. Dr. Claudio Roland Sonnenburg Membro Externo UNIVAP ITA

4 IV Dedico este trabalho a meus pais e à minha irmã, exemplos de força e coragem, sempre baseados no amor, compreensão e solidariedade. Valores que hoje tento carregar comigo.

5 V Agradecimentos Ao Prof. Dr. Wilson Cabral de Sousa Jr., coordenador do projeto Hidroaer, pela ajuda, paciência e confiança depositada durante todo o desenvolvimento do projeto. Ao Prof. Dr. Wagner Chiepa Cunha, pelos ensinamentos e orientação sempre prestativa e bem vinda para a realização deste trabalho, sendo hoje uma pessoa na qual tenho grande admiração e respeito. Ao Prof. Dr. Roberto d Amore, por toda a ajuda e disponibilidade durante estes anos de mestrado, onde acabou se tornando um exemplo para mim de como um professor deve ensinar e tratar seus alunos. À LAO Indústria e à DOCOL Metais Sanitários que, acreditando no nosso trabalho, nos forneceu os hidrômetros (LAO) e sensores (DOCOL) necessários para a implantação da rede no Aeroporto Internacional de São Paulo, além de nos dar todo o apoio e suporte durante toda a realização do projeto. À Infraero, pela confiança e apoio necessários para a realização de todas as obras no Aeroporto Internacional de São Paulo. A todos os membros envolvidos no projeto Hidroaer, que tornaram possível a realização de um projeto deste porte. Aos amigos e familiares que estiveram ao meu lado, sempre me apoiando e incentivando, não deixando o carinho e a amizade diminuir, mesmo nos diversos momentos em que estive ausente.

6 VI Resumo Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma rede de comunicação sem fio para o monitoramento remoto de alguns dados relevantes ao projeto Hidroaer, que compreende o diagnóstico preciso do uso da água em uma planta aeroportuária, a partir do monitoramento remoto do consumo, além do teste de tecnologias de uso eficiente da água. Várias tecnologias de transmissão sem fio foram analisadas, com a conclusão de que o padrão ZigBee, baseado no padrão IEEE era o ideal para a aplicação em questão. Com isso, um módulo ZigBee foi desenvolvido e fabricado, contendo todos os requisitos para o projeto Hidroaer e a rede piloto foi instalada em um conjunto de sanitários no Aeroporto Internacional de São Paulo. A rede monitora parâmetros como o consumo de água em diversos pontos de interesse, assim como o número de pessoas que acionaram cada lavatório, mictório e válvula de descarga do conjunto de sanitários escolhido. A contagem de pessoas que entraram em cada sanitário também é realizada. De posse de todos estes dados, fica claro que um estudo logístico completo poderá ser feito, onde dados como consumo médio de água por pessoa, perfil de consumo em determinadas épocas, prováveis vazamentos e várias outras observações serão realizadas, podendo servir de base para um controle efetivo do consumo de água, gerando economias consideráveis. Este trabalho detalha o desenvolvimento e fabricação do módulo ZigBee, assim como a implantação da rede no conjunto de sanitários localizados na Asa D do Aeroporto Internacional de São Paulo.

7 VII Abstract This work consists in the development of a wireless communication network for remote monitoring of some relevant data for Hidroaer project, which includes an accurate diagnosis of water consumption in an airport plant, through the remote monitoring of consumption and technologies tests for an efficient use of water. Several technologies for wireless transmission were analyzed, with the conclusion that the ZigBee standard, based on the IEEE , was ideal for this kind of application. Therefore, a ZigBee module was developed and manufactured, containing all the requirements for the Hidroaer project, and the pilot network was installed in a set of lavatories at the International Airport of São Paulo. The network monitors parameters such as water consumption at various points of interest, as well as the number of people who activated each tap, urinal and flush valves of the selected set of lavatories. The number of people who entered in each lavatory was also monitored. Having in hands all this information, it is clear that a complete logistic study could be carried out, where data such as the average water consumption per person, consumption profile in certain periods, probable leaks and many other observations will be collected, and this could serve as a foundation for an effective control of water consumption, generating considerable savings. This work details the development and manufacturing of a ZigBee module, as well as the installation of a network in a set of lavatories, located at Asa D of the International Airport of São Paulo.

8 VIII Sumário Lista de Figuras...XI Lista de Tabelas... XV Lista de Abreviaturas e Siglas...XVI 1 Introdução Objetivos do trabalho Organização do texto Redes wireless de sensores (padrão IEEE e padrão ZigBee) Histórico dos padrões IEEE e ZigBee Definição do modelo ISO/OSI Redes wireless de sensores Desafios no desenvolvimento de uma rede wireless de sensores Consumo de potência Alcance Bandas de frequência Topologias de redes Características técnicas do padrão IEEE Características gerais Modulação Tipos de dispositivos físicos Acesso ao canal Controle de erro Tipos de pacotes Camada física (PHY) Frequências, canais e taxas de transmissão Especificações da banda em 2,4 GHz Potência, sensibilidade e alcance Serviços da camada PHY Estrutura dos pacotes da camada PHY Camada MAC (Medium Access Control) Serviços da camada MAC...46

9 IX Estrutura dos pacotes da camada MAC Segurança Características do padrão ZigBee Tipos de dispositivos lógicos Topologias de redes Rede star Rede cluster tree Rede mesh Camada de rede (NWK) Camada de aplicação (APL) Subcamada de suporte à aplicação (APS) Framework da aplicação ZigBee Device Object (ZDO) Desenvolvimento do módulo ZigBee Módulos Low power x High power Componentes Microcontrolador e transceptor integrados Amplificador de potência (PA) e Low Noise Amplifier (LNA) externos Conversor UART USB Memória EEPROM externa Regulador de tensão Antena on-board Características gerais do módulo Pinos de uso geral (I/O) Clock Interface Background debug module (BDM) Interface USB Alimentação Pushbuttons e LEDs O circuito RF Esquemático Layout da placa de circuito impresso (PCI) Características da PCI...92

10 X Técnicas de layout para circuitos de alta frequência Fabricação e montagem da PCI Rede ZigBee para o monitoramento remoto do consumo de água para o Aeroporto Internacional de São Paulo (Projeto Hidroaer) Proposta do projeto e suas vantagens Hardwares e aparelhos utilizados Módulos ZigBee Hidrômetros com saída pulsada Sensores para metais sanitários Sensores infravermelhos Central remota Planejamento da rede (Site Survey) Rede desenvolvida para o projeto Hidroaer Roteamento para a topologia cluster tree Operação básica da rede e estrutura dos pacotes Desenvolvimento dos softwares Implantação da rede ZigBee Resultados obtidos Conclusão Considerações finais Sugestões para trabalhos futuros Referências Bibliográficas Anexo 1 Esquemático e layout da PCI do módulo ZigBee Anexo 2 Rotinas usadas no MatLab para cálculos das microstrips Anexo 3 Plantas do conjunto de sanitários...162

11 XI Lista de Figuras Figura 2.1 Histórico dos padrões IEEE e ZigBee...22 Figura 2.2 Modelo ISO/OSI e modelo simplificado ISO/OSI...24 Figura 2.3 Comparativo entre redes WLAN e WPAN...25 Figura 3.1 Algoritmo do protocolo Unslotted CSMA-CA...33 Figura 3.2 Forma geral de um pacote PPDU...35 Figura 3.3 Canais de frequência disponíveis para o padrão IEEE Figura 3.4 Frequências centrais e disponibilidade de cada canal...37 Figura 3.5 Modulação na banda de 2,4 GHz Figura 3.6 Primitivas de serviço...41 Figura 3.7 Modelo de referência da camada PHY...42 Figura 3.8 Sequência de mensagens para a troca de pacotes de dados Figura 3.9 Primitivas do PHY management service (PLME) Figura 3.10 Sequência de mensagens para leitura e escrita no PIB da camada PHY Figura 3.11 Sequência de mensagens para ativar/desativar o transceptor...44 Figura 3.12 Sequência de mensagens para a execução do CCA Figura 3.13 Sequência de mensagens para a detecção de energia do canal Figura 3.14 Estrutura do pacote de dados da camada PHY (PPDU)...45 Figura 3.15 Modelo de referência da camada MAC Figura 3.16 Transferência de dados de um dispositivo para o coordenador PAN em uma rede nonbeaconed Figura 3.17 Transferência de dados do coordenador PAN para um dispositivo em uma rede nonbeaconed Figura 3.18 Primitivas do MAC management service ou MLME Figura 3.19 Sequência de mensagens para leitura e escrita no PIB da camada MAC Figura 3.20 Sequência de mensagens para ativar o transceptor durante um determinado período...51 Figura 3.21 Sequência de mensagens para varreduras em canais específicos...52 Figura 3.22 Sequência de mensagens para a formação da rede pelo coordenador PAN...52 Figura 3.23 Sequência de mensagens para uma associação à rede Figura 3.24 Sequência de mensagens para uma dissociação à rede Figura 3.25 Sequência de mensagens para o comando Orphan notification...55

12 XII Figura 3.26 Forma geral de pacotes da camada MAC Figura 3.27 Estrutura do pacote beacon Figura 3.28 Estrutura do pacote de dados Figura 3.29 Estrutura do pacote ACK Figura 3.30 Estrutura do pacote do tipo comando MAC...58 Figura 4.1 Camadas do padrão ZigBee Figura 4.2 Topologia star...62 Figura 4.3 Topologia cluster tree...63 Figura 4.4 Topologia mesh...64 Figura 4.5 Modelo de referência da camada NWK...65 Figura 4.6 Modelo de referência da subcamada APS...67 Figura 4.7 Dois dispositivos conectados a uma rede ZigBee...68 Figura 5.1 Diferença de alcance entre um módulo low power e um high power...72 Figura 5.2 Diagrama de blocos simplificado do módulo desenvolvido Figura 5.3 Diagrama de blocos simplificado do circuito integrado MC Figura 5.4 Diagrama de blocos simplificado do circuito integrado CC Figura 5.5 Diagrama de blocos simplificado do circuito integrado CP Figura 5.6 Diagrama de blocos simplificado da EEPROM AT25256A Figura 5.7 Diagrama de blocos simplificado do regulador de tensão LP Figura 5.8 Dimensões (mm) da antena F contida no módulo...81 Figura 5.9 Uso do MC13213 com apenas um cristal externo Figura 5.10 Pinos do MC13213 para a interface com o circuito RF...87 Figura 5.11 Duas portas distintas do MC13213 sendo utilizadas para o circuito RF...88 Figura 5.12 Apenas uma porta do MC13213 sendo utilizada para o circuito RF Figura 5.13 Resposta em frequência do filtro passa-baixa...91 Figura 5.14 As 4 camadas da PCI e suas respectivas espessuras Figura 5.15 Modelo conceitual de uma linha de transmissão sem perdas...94 Figura 5.16 Modelo de linha de transmissão como um guia para ondas eletromagnéticas...94 Figura 5.17 Microstrip em um circuito impresso Figura 5.18 Campos elétricos e magnéticos formados na transmissão de um sinal em uma microstrip...95 Figura 5.19 Interface onde ocorre uma mudança de impedância vista por uma onda eletromagnética trafegando...100

13 XIII Figura 5.20 Exemplo de casamento de impedância entre fonte, linha de transmissão e carga Figura 5.21 Impedância equivalente para uma linha de transmissão de comprimento terminada em diferentes cargas Figura 5.22 Impedância equivalente para uma linha de transmissão de comprimento terminada em diferentes cargas Figura 5.23 Impedância equivalente para uma linha de transmissão de comprimento terminada em diferentes cargas Figura 5.24 Comparação dos caminhos tomados pela corrente de retorno em circuitos de baixa e de alta freqüência Figura 5.25 Impedância característica versus W/h Figura 5.26 Permissividade relativa efetiva versus W/h Figura 5.27 Fator Vp versus W/h Figura 5.28 Comprimento de onda (mm) versus W/h Figura 5.29 Layout do primeiro bloco do circuito RF (MC13213 conectado ao CC2591).109 Figura 5.30 Carta de Smith para o casamento de impedância entre o MC13213 (fonte) e o CC2591 (carga) Figura 5.31 Carta de Smith para o casamento de impedância entre o CC2591 (fonte) e o MC13213 (carga) Figura 5.32 Layout do segundo bloco do circuito RF (CC2591, filtro passa-baixa e antena) Figura 5.33 Carta de Smith para o casamento de impedância entre o CC2591 (fonte) e a antena (carga) Figura 5.34 Carta de Smith para o casamento de impedância entre a antena (fonte) e o CC2591 (carga) Figura 5.35 Trilha de 0,635 mm de largura (50 ohms) usada para conectar o CC2591 à antena F ou à antena externa Figura 5.36 Indutância (nh) versus Comprimento da trilha (mm) para uma largura W=0,2mm Figura 5.37 Indutância (nh) versus Comprimento da trilha (mm) para uma largura W=0,36mm Figura 5.38 Layout das trilhas conectadas aos pinos AVDD_PA1, AVDD_PA2 e AVDD_LNA do CC Figura 5.39 Placa de circuito impresso do módulo, ainda sem os componentes...119

14 XIV Figura 5.40 Aparelhos e materiais utilizados para a soldagem dos componentes Figura 5.41 Módulo pronto, com todos os componentes montados Figura 6.1 Planta do conjunto de sanitários localizado na Asa D do AISP Figura 6.2 Analisador de rede ZigBee disponível no kit da Freescale Figura 6.3 Topologia da rede desenvolvida para o projeto Hidroaer Figura 6.4 Rede cluster-tree e as relações pai-filho Figura 6.5 Roteamento para redes do tipo cluster tree Figura 6.6 Fluxograma contendo a operação básica do coordenador da rede Figura 6.7 Fluxograma contendo a operação básica do end device Figura 6.8 Fluxograma contendo a operação básica dos roteadores Figura 6.9 Pacote enviado pelo end device ao coordenador contendo as informações de consumo de água Figura 6.10 Pacote enviado pelo coordenador à central remota via USB, contendo informações do consumo de água Figura 6.11 Pacote enviado pelo end device ao coordenador contendo informações do número de pessoas que acionaram determinado metal sanitário Figura 6.12 Pacote enviado pelo coordenador à central remota via USB, contendo informações do número de pessoas que acionaram determinado metal sanitário Figura 6.13 Pacote enviado pela central remota ao coordenador para atualização do calendário Figura 6.14 Pacote enviado pela central remota ao coordenador, solicitando reset de algum dispositivo Figura 6.15 Pacote enviado pelo coordenador ao end device para atualização do calendário e informações adicionais Figura 6.16 Pacote enviado pelo end device ao coordenador, contendo os dados armazenados localmente em sua memória Figura 6.17 Tela principal mostrando o sanitário masculino Figura 6.18 Tela principal mostrando o sanitário feminino Figura 6.19 Tela apresentando um tipo possível de gráfico para o consumo de água Figura 6.20 Tela mostrando o relatório gerado

15 XV Lista de Tabelas Tabela 2.1 Comparativo entre diversos tipos de redes Tabela 2.2 Tecnologias para redes sem fio...26 Tabela 3.1 Cálculo da frequência central para cada canal...37 Tabela 3.2 Taxas de transferência e modulação para cada banda Tabela 3.3 Mapeamento de símbolo para chip...39 Tabela 3.4 Tipos de comando MAC...58 Tabela 3.5 Conjuntos de segurança do padrão IEEE Tabela 4.1 Comparação entre os dispositivos lógicos em uma rede ZigBee Tabela 5.1 Descrição dos 16 pinos I/O de uso geral do módulo Tabela 5.2 Controle lógico para a operação do CC Tabela 5.3 Comprimento e largura das trilhas ligadas aos pinos AVDD_PA1, AVDD_PA2 e AVDD_LNA do CC Tabela 6.1 Relação dos hidrômetros utilizados no projeto Hidroaer

16 XVI Lista de Abreviaturas e Siglas ACK AISP APL APS BPSK CCA CRC Acknowledgement (Reconhecimento) Aeroporto Internacional de São Paulo Camada de aplicação do padrão ZigBee Subcamada de suporte à aplicação Binary Phase Shift Keying (Chaveamento binário por deslocamento de fase) Clear Channel Assessment (Avaliação de canal limpo) Cyclic Redundancy Check (Verificação cíclica de redundância) CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance (Anti-Colisão Portadora de múltiplo acesso) DSSS ED FFD IEEE ISM ISO LNA LQI LR-WPAN Direct Sequence Spread Spectrum (Espalhamento espectral por sequência direta) Energy Detection (Detecção de energia) Full Function Device (Dispositivo de função completa) The Institute of Electrical and Electronic Engineers (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos) Industrial, Scientific and Medical (Industrial, científico e médico) International Standard Organization (Organização padrão internacional) Low Noise Amplifier (Amplificador de pequenos sinais) Link Quality Indication (Indicação de qualidade do enlace) Low-Rate Wireless Personal Area Network (Rede sem fio pessoal de baixa taxa de transferência) MAC Camada de enlace de dados do padrão IEEE MPDU NWK MAC Payload Data Unit (Unidade de carga de dados da MAC) Camada de rede do padrão ZigBee

17 XVII O-QPSK OSI PA PCI Offset Quadrature Phase Shift Keying (Chaveamento por quadratura de fase deslocado) Open System Interconnection (Interconexão de sistema aberto) Power Amplifier (Amplificador de potência) Placa de circuito impresso PHY Camada física do padrão IEEE PPDU RF RFD WLAN WPAN WSN ZDO PHY Protocol Data Unit (Unidade de protocolo de dados da PHY) Radiofrequência Reduced Function Device (Dispositivo de função reduzida) Wireless Local Area Network (Rede sem fio local) Wireless Personal Area Network (Rede sem fio pessoal) Wireless Sensor Networks (Redes sem fio de sensores) ZigBee device object (Objeto de dispositivo ZigBee)

18 18 1 Introdução 1.1 Objetivos do trabalho O projeto Hidroaer surgiu da crescente necessidade de se utilizar da forma mais racional e eficiente possível os recursos hídricos disponíveis. Não só através da economia e uso moderado da água, mas também utilizando tecnologias para se obter informações mais precisas do consumo em diversos pontos de interesse, tornando possível traçar o perfil do usuário, facilitando assim a otimização de todo o sistema de abastecimento. O Hidroaer é uma iniciativa de uso eficiente da água a partir de novas tecnologias para a gestão e o reuso, aplicadas a uma planta aeroportuária. O projeto envolve alguns setores do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), como a infra-estrutura aeronáutica e a eletrônica, assim como conta com a participação e o apoio de diversas outras entidades. Especificamente para a eletrônica, foi designada a tarefa de desenvolver uma rede sem fio para o monitoramento remoto do consumo de água para o Aeroporto Internacional de São Paulo (AISP), localizado no município de Guarulhos. Para o projeto piloto, apenas um conjunto de sanitários (masculino e feminino, masculino e feminino para deficientes e masculino e feminino infantil) da Asa D do aeroporto foi escolhido para a instalação dos hidrômetros e da rede. Com o projeto já em andamento, outra proposta foi apresentada e a rede teria que monitorar também o número de acionamentos de cada lavatório, válvula de descarga e mictório, assim como o número de pessoas que entraram nos sanitários masculino e feminino. Algumas tecnologias de transmissão sem fio foram analisadas para a implementação desta rede, como Wi-Fi e Bluetooth, porém o padrão escolhido e que parece mais adequado para este tipo de aplicação é o ZigBee. Trata-se de uma tecnologia ideal para se utilizar em

19 19 aplicações onde uma baixa taxa de transferência é suficiente e onde um baixo consumo de potência é desejado ou é um fator crítico, assim como um baixo custo, tanto no investimento inicial quanto na manutenção. O projeto consiste então no desenvolvimento de um módulo ZigBee que contenha todos os requisitos para o Hidroaer, com sua aplicação direta na rede de monitoramento remoto para o Aeroporto Internacional de São Paulo. Este módulo recebe os sinais provenientes de diversos hidrômetros localizados nos pontos de interesse e também sinais dos sensores instalados nos metais sanitários, para realizar a contagem do número de pessoas que acionaram estes aparelhos. 1.2 Organização do texto O texto está organizado em 7 capítulos. O capítulo 1 consiste nesta introdução; o capítulo 2 apresenta um breve histórico e as características de uma rede Wireless de sensores; o capítulo 3 inicia as informações teóricas sobre o padrão IEEE , sobre o qual se baseia o padrão ZigBee; o capítulo 4 apresenta as características do padrão ZigBee; o capítulo 5 mostra todo o desenvolvimento teórico e prático do módulo ZigBee; o capítulo 6 traz informações a respeito da implementação da rede no Aeroporto Internacional de São Paulo e por fim, o capítulo 7 apresenta as conclusões do trabalho. As referências bibliográficas são então apresentadas, assim como alguns anexos com dados, plantas e desenhos relevantes ao projeto. O capítulo 2 apresenta a definição e as características de uma rede Wireless de sensores, assim como um breve histórico. As prováveis dificuldades enfrentadas no desenvolvimento deste tipo de rede também são apresentadas, assim como as soluções encontradas.

20 20 No capítulo 3 são detalhadas as informações sobre o padrão IEEE Tanto aspectos gerais, quanto detalhes sobre a camada PHY e camada MAC são apresentados. O ZigBee se baseia no padrão IEEE , utilizando estas 2 camadas e acrescentando camadas superiores. O capítulo 4 traz as características básicas do padrão ZigBee, apresentando as novas camadas que são criadas acima das camadas PHY e MAC do padrão IEEE , assim como as possíveis topologias de rede e toda a parte de endereçamento das mensagens. Durante o capítulo 5, todos os detalhes do desenvolvimento do módulo ZigBee são mostrados. Informações teóricas para o desenvolvimento de circuitos de alta frequência são apresentadas, onde cuidados especiais devem ser tomados, principalmente nas áreas por onde trafegam os sinais de alta frequência. As questões práticas como fabricação do circuito impresso e sua montagem também são relatadas, assim como todo o processo de escolha e importação dos componentes. O capítulo 6 apresenta o trabalho de implementação da rede ZigBee no Aeroporto Internacional de São Paulo. Todos os hardwares e aparelhos utilizados são relatados, assim como o funcionamento da rede, com detalhes sobre todos os pacotes trocados entre os dispositivos. Os softwares desenvolvidos também são descritos, assim como o resultado final de todo o trabalho. Por fim, o capítulo 7 traz as conclusões e sugestões para trabalhos futuros. Logo em seguida, os anexos trazem o esquemático do módulo, os desenhos do layout do circuito impresso e também algumas plantas do Aeroporto Internacional de São Paulo, mostrando a localização dos hidrômetros e de todos os módulos ZigBee.

21 21 2 Redes wireless de sensores (padrão IEEE e padrão ZigBee) 2.1 Histórico dos padrões IEEE e ZigBee O conceito de Wireless personal area network (WPAN) [3] existe há vários anos, porém foi colocado realmente em prática com a criação do grupo de trabalho IEEE , cuja primeira tarefa foi focada no desenvolvimento do padrão IEEE , o chamado Bluetooth [3]. Com a criação deste grupo, diversos engenheiros, cientistas e visionários começaram a compartilhar suas idéias e visões sobre redes de sensores de curta distância, visando facilidades tanto na instalação, quanto no desenvolvimento e manutenção, onde pouca ou nenhuma infra-estrutura seria necessária. Quase que imediatamente, essa comunidade se dividiu em três subgrupos. O primeiro foi o Bluetooth (IEEE Std ), responsável por desenvolver um padrão de redes sem fio para dispositivos eletrônicos focado em conectividade com PCs. O segundo subgrupo (IEEE Std ) ficou responsável pelo desenvolvimento de redes WPAN de alta velocidade, para conectividade entre dispositivos multimídia, como câmeras digitais [3]. Em dezembro de 2000, foi oficializada a criação de um novo subgrupo para o desenvolvimento do terceiro padrão, que ficou conhecido como IEEE Std [10]. O objetivo era desenvolver a camada física (PHY) e a camada de enlace de dados (MAC) de um padrão para redes sem fio com baixa complexidade, baixo custo, baixa taxa de transferência e baixíssimo consumo de potência. Redes que se enquadram nessas especificações seriam conhecidas como Low-rate wireless personal area network (LR-WPAN) [3]. Paralelamente, ao final de 2002, várias empresas (Philips, Samsung, Motorola, LG, etc) se juntaram para criar um grupo chamado ZigBee Alliance [13], com o intuito de desenvolver um padrão baseado nos serviços oferecidos pelo IEEE , mas adicionando camadas

22 22 superiores, contendo funções de rede, roteamento, segurança, serviços de aplicação e outras funcionalidades. Esse padrão seria conhecido como ZigBee [13]. Em maio de 2003, o padrão IEEE foi homologado, descrevendo a camada PHY e a camada MAC para redes LR-WPAN. Em dezembro de 2004, o grupo ZigBee Alliance finalizou a especificação ZigBee e em junho de 2005 colocou à disposição do público a versão 1.0, chamada ZigBee 2004 Specification [3]. Um ano mais tarde, foi anunciada uma nova versão, chamada ZigBee 2006 Specification, disponível para o público em setembro de 2006 [3]. A última versão, até o momento, foi finalizada no final de 2007, conhecida como ZigBee 2007 Specification (ZigBee PRO) [3]. A figura 2.1 [3] apresenta de forma gráfica o histórico básico do padrão IEEE e da especificação ZigBee. Figura 2.1 Histórico dos padrões IEEE e ZigBee. Atualmente, o grupo ZigBee Alliance é formado por mais de 200 empresas, dentre as quais se destacam os maiores líderes no segmento de fabricação e distribuição de semicondutores em geral.

23 Definição do modelo ISO/OSI Com o objetivo de definir formalmente um meio comum para a interconexão de sistemas heterogêneos, facilitando a comunicação entre hardwares de diferentes fabricantes, a organização ISO (International Standard Organization) desenvolveu uma arquitetura chamada OSI (Open System Interconnection) [4]. O modelo é formado por sete camadas. No sistema transmissor, os dados vão sendo transferidos à camada imediatamente inferior até chegar à camada física, onde ocorre de fato a transferência pelos meios físicos de transmissão. Por parte do sistema receptor, o processo é o mesmo, porém invertido. Os padrões que pertencem ao IEEE 802 definem apenas as duas camadas mais baixas do modelo ISO/OSI: camada física (PHY) e camada de enlace de dados (MAC). As outras camadas são normalmente especificadas por grupos formados por empresas interessadas no uso de um determinado padrão. No caso do IEEE , o grupo ZigBee Alliance utiliza as camadas MAC e PHY e é responsável pelo desenvolvimento das camadas superiores, através da definição de suportes à aplicação, usando uma versão simplificada de apenas cinco camadas do modelo ISO/OSI, como mostrado na figura 2.2 [3].

24 24 Figura 2.2 Modelo ISO/OSI e modelo simplificado ISO/OSI. 2.3 Redes wireless de sensores Redes wireless de sensores (Wireless Sensor Networks WSN) permitem coletar e enviar informações para transceptores sem fio acoplados a sensores e atuadores em geral [4]. Este tipo de rede pode ser classificada de acordo com o tipo de sensor ou tipo de aplicação (industrial, médica, residencial, etc), ambiente no qual a rede opera (explosivo, corrosivo, altas temperaturas, etc) e de acordo com parâmetros da rede (topologia, alcance, etc). Existem diversas vantagens que uma rede sem fio oferece com relação a redes cabeadas. A infra-estrutura necessária e o custo para se instalar uma rede com fios pode se tornar inviável dependendo da aplicação. Obviamente, em uma rede sem fio, este custo seria extremamente reduzido. Outra vantagem óbvia é a mobilidade que uma rede sem fio oferece. Através do roteamento das mensagens, os diversos nós da rede podem se afastar ou aproximar, dentro de certo limite, sem que dados sejam perdidos (dependendo, é claro, da topologia escolhida e o alcance dos dispositivos). A figura 2.3 [3] e a tabela 2.1 [3] apresentam um comparativo entre os diversos tipos de redes possíveis para a implementação de uma rede wireless de sensores.

25 25 Figura 2.3 Comparativo entre redes WLAN e WPAN. Tabela 2.1 Comparativo entre diversos tipos de redes. Parâmetro g WLAN Bluetooth WPAN ZigBee (1mW) LR- WPAN Banda de frequência 2,4 GHz 2,4 GHz 868 / 915 MHz e 2,4 GHz Alcance ~ m ~ 10 m ~ m Taxa de transferência ~ 2 54 Mb/s 1 Mb/s 0.25 Mb/s 400 ma (Tx) ma (Tx) Consumo de corrente 60 ma (Tx) 20 ma (Standby) 3 µa (Standby) Tempo típico de acesso à rede 1 s > 3 s 30 ms Nós por rede (máx) 32 por access point 7 64 k Número de canais Custo / Complexidade Alto Médio Baixo Redes LR-WPAN são ideais para aplicações com sensores, onde baixas taxas de transferência são suficientes e um baixo consumo de potência é necessário ou desejável.

26 Desafios no desenvolvimento de uma rede wireless de sensores Uma rede sem fio pode ser implementada através de diversas tecnologias, como as mostradas na tabela 2.2 [3]. Tabela 2.2 Tecnologias para redes sem fio. Tecnologia Comentários Infravermelho Campos indutivos Ultra-som Radiofrequência (RF) Os dispositivos precisam estar em uma linha de visão direta e sem obstáculos. Utilizada em aplicações RFID. Alcance muito baixo e o coordenador da rede consome muita energia. Coordenador da rede consome muita energia e a miniaturização dos dispositivos é fator que deve ser levado em conta. Vantagens: Não necessita de linha de visão direta, atravessa obstáculos. A tecnologia de radiofrequência (RF) parece ser a mais adequada para a implementação de uma rede wireless de sensores. Contudo, existem alguns desafios que devem ser considerados e serão detalhados nas próximas seções do capítulo Consumo de potência Em algumas aplicações, os transceptores RF deverão ser colocados em locais de difícil acesso, sem ponto de energia disponível. Isso implica no uso exclusivo de baterias para alimentação dos módulos. Para manter o baixo custo e facilidade na manutenção, as baterias devem durar longos períodos sem a necessidade de substituição. Uma solução para este problema seria a redução do ciclo de trabalho do dispositivo, mantendo-o inativo durante longos períodos. O padrão IEEE possibilita a implementação de módulos com consumo de potência extremamente reduzido. Dependendo da aplicação, baterias comuns (AA ou AAA) podem durar anos sem a necessidade de troca.

27 Alcance A potência de transmissão de dispositivos RF trabalhando em bandas que não necessitam de licença para operar (2,4 GHz, por exemplo) costuma variar de zero dbm a 20 dbm. Essa potência limitada tem como consequência um alcance também limitado. Para tornar possível um aumento da área da rede, algoritmos de roteamento devem ser desenvolvidos, fazendo com que a informação seja transmitida de nó em nó e/ou através de vários caminhos até chegar ao nó de destino Bandas de frequência Dispositivos RF estão sujeitos a regulamentações governamentais em diversos países. Algumas bandas de frequência não necessitam de licença para operar, mas mesmo assim o dispositivo RF deve trabalhar dentro de certos limites (potência de transmissão, ciclo de trabalho, canais de frequência, etc). Atualmente, redes wireless de sensores têm sido implementadas nas bandas de 2,4 GHz e 5,7 GHz. Fica claro que desafios com relação à coexistência entre redes devem ser superados. Um exemplo muito comum seria redes Wi-Fi coexistindo com redes ZigBee, ambas operando em 2,4 GHz. A escolha e a separação de canais surgem como as principais soluções para este tipo de problema Topologias de redes Para superar o desafio de alcance limitado, redes com topologias multi-hop são necessárias. Para manter a facilidade de instalação e manutenção, redes com capacidade de se

28 28 auto-formar e se auto-organizar também são desejáveis. Neste aspecto, as redes ZigBee são excelentes, fornecendo possibilidades variadas de topologias, mantendo um compromisso ótimo entre alcance e consumo de potência.

29 29 3 Características técnicas do padrão IEEE Com a criação do grupo de trabalho IEEE , algumas metas foram estabelecidas para o desenvolvimento de um padrão para conectividade sem fio que fosse de baixa complexidade, baixo custo e tivesse um consumo de potência extremamente reduzido. Para atingir esses objetivos, algumas características dos transceptores foram limitadas, como a taxa de transferência e o alcance ponto a ponto. Apesar de limitadas, as soluções encontradas para atingir as metas propostas foram eficazes e são ideais para diversos tipos de aplicações. As seções do capítulo 3 detalham as características do IEEE e mostram como foi possível desenvolver um padrão de baixíssimo custo agregado. 3.1 Características gerais Algumas características do padrão IEEE são as seguintes [3]: - Taxas de 250 kb/s (2,4 GHz), 40 kb/s (915 MHz) e 20 kb/s (868 MHz); - Operação em estrela ou ponto a ponto; - Endereçamento de 16 bits (curto) ou 64 bits (extenso); - Acesso ao canal através do protocolo CSMA-CA; - Protocolo handshake para confiabilidade nas transmissões; - Baixo consumo de potência; - Capacidade de detectar a energia do canal (Energy Detection ED); - Indicação da qualidade do enlace (Link Quality Indication LQI); - 16 canais na banda de 2,4 GHz, 10 canais em 915 MHz e 1 canal em 868 MHz;

30 Modulação Com o objetivo de reduzir custo e consumo de potência dos transceptores, o padrão IEEE foi desenvolvido para suportar apenas comunicação digital (analógica não é suportado). Além disso, o protocolo permite apenas operação half-duplex, ou seja, transmissor e receptor não precisam estar ativos simultaneamente. Isso permite um esquema de modulação simples e altamente eficiente. Para a banda de 868 / 915 MHz, a modulação utilizada é a Raised-cosine-shaped Binary Phase Shift Keying (BPSK). Para a banda de 2,4 GHz é utilizada a modulação Half-sine-shaped Offset Quadrature Phase Shift Keying (O-QPSK). Ambas as modulações empregam a técnica de espalhamento através do Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) [3]. O esquema de modulação para a banda de 2,4 GHz será detalhado na seção Tipos de dispositivos físicos O padrão IEEE estabelece dois tipos de dispositivos físicos: full function device (FFD) e reduced function device (RFD) [3]. Para entender a diferença entre os dois é necessário fazer uma breve descrição dos tipos de dispositivos lógicos que uma rede IEEE pode possuir. Os dispositivos que participam de uma rede baseada no padrão IEEE podem operar em um dos três modos seguintes: coordenador PAN, coordenador e end device. Estes são os tipos de dispositivos lógicos que existem em uma rede IEEE Nas seções à frente que tratam do padrão ZigBee, será mostrado com mais detalhes as funções e operações de cada um destes dispositivos lógicos. Será notado também que na terminologia ZigBee o coordenador PAN é

31 31 referido simplesmente como coordenador. Bem como o coordenador, na terminologia IEEE , será referido como roteador na terminologia ZigBee. Esse fato é importante para evitar confusões, pois nas seções que tratam do padrão IEEE , a terminologia do mesmo será usada. Assim como nas seções que tratam do padrão ZigBee, a terminologia deste padrão passará a ser utilizada. Ao menos um coordenador PAN e um end device ou coordenador devem existir para a formação de uma rede IEEE Um dispositivo físico FFD pode operar tanto como coordenador PAN, coordenador ou end device. Dispositivos RFD podem operar apenas como end devices, não possuindo capacidade para operar como coordenador PAN ou como coordenador. Percebe-se então que dispositivos RFD podem ser implementados usando recursos extremamente simples em termos de poder de processamento e memória, tornando possível mais uma redução de custo final de determinado projeto Acesso ao canal Em uma rede IEEE cada dispositivo que deseja transmitir uma informação deve antes executar um protocolo chamado Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance (CSMA-CA) para evitar colisões quando múltiplas transmissões simultâneas forem necessárias. As exceções seriam as transmissões de beacons e transmissões de pacotes ACK, onde o CSMA-CA não é executado. Com o protocolo CSMA-CA, antes de enviar a informação, o dispositivo executa uma escuta ao canal para verificar se não há transmissões ocorrendo naquele momento. Caso o canal esteja liberado, a informação é transmitida.

32 32 O padrão IEEE utiliza dois protocolos CSMA-CA distintos para o acesso ao canal, dependendo da configuração da rede (beaconed ou nonbeaconed). Basicamente, em uma rede beaconed, o coordenador PAN é configurado para transmitir beacons em determinados intervalos de tempo, para sincronizar com os dispositivos associados à rede. Neste tipo de rede, os nós que desejam transmitir alguma informação devem antes utilizar a versão slotted do protocolo CSMA-CA ou Slotted CSMA-CA, que seria basicamente o protocolo CSMA-CA, com os tempos de acesso sincronizados com os beacons enviados pelo coordenador PAN. Para o projeto em questão, redes beaconed não foram utilizadas, portanto não serão detalhadas. Em uma rede nonbeaconed, os dispositivos devem executar a versão unslotted do protocolo CSMA-CA ou Unslotted CSMA-CA. Antes de transmitir alguma informação, o dispositivo deve executar a escuta ao canal durante um período de tempo aleatório. Após este período, caso o canal esteja liberado, a informação é transmitida. Caso o canal esteja ocupado (ocorrendo transmissão de outros nós), o dispositivo deve esperar mais um período aleatório de tempo antes de tentar o acesso ao canal novamente. Este processo é repetido após um determinado número de vezes e caso o dispositivo não consiga enviar a informação, uma mensagem de falha é enviada às camadas superiores. O algoritmo utilizado para o protocolo Unslotted CSMA-CA é detalhado na figura 3.1 [10].

33 33 Figura 3.1 Algoritmo do protocolo Unslotted CSMA-CA. As variáveis que o algoritmo deve manipular são NB e BE. NB é incrementado a cada vez que o protocolo CSMA-CA é executado na atual transmissão, onde o número máximo de vezes é definido por macmaxcsmabackoffs. A variável BE é chamada de expoente de backoff e está relacionada com o tempo que o dispositivo deve esperar antes de avaliar o canal.

34 Controle de erro O padrão IEEE emprega um simples protocolo handshake para assegurar confiabilidade em cada transmissão. Pacotes ACK podem ser enviados pelo receptor, para garantir ao transmissor que a mensagem, de fato, foi recebida. Caso o pacote ACK não seja recebido pelo transmissor, a mensagem pode ser re-enviada. Como opção, o protocolo handshake pode ser desabilitado em determinadas aplicações, onde pacotes ACK poderiam congestionar demais a rede. Para detectar se uma mensagem foi recebida corretamente, um Cyclic Redundancy Check (CRC) é utilizado. Os bits da mensagem são tratados como um longo número binário e divididos por um número primo relativamente grande. O quociente da divisão é descartado e o resto da divisão é transmitido junto com a mensagem. A mesma divisão com o mesmo número primo é realizada no receptor. Caso o resultado tenha sido o mesmo, pode-se considerar que todos os bits da mensagem foram recebidos sem erro Tipos de pacotes Existem quatro tipos de pacotes definidos no padrão IEEE : pacotes de beacon, pacotes de dados, pacotes ACK e pacotes de comando MAC. Cada pacote é designado como PHY Protocol Data Unit (PPDU) e sua forma geral é mostrada na figura 3.2 [3].

35 35 Figura 3.2 Forma geral de um pacote PPDU. Cada PPDU é constituído por um Synchronization Header (SHR), um PHY Header (PHR) e um PHY Service Data Unit (PSDU). O PSDU é composto por um MAC Payload Data Unit (MPDU), estrutura subordinada à camada MAC. O MPDU é constituído por um MAC Header (MHR), um MAC Service Data Unit (MSDU) e um MAC Footer (MFR). O MPDU do pacote ACK é uma exceção e não possui MSDU. Os quatro tipos de pacotes (beacon, dados, ACK e comando MAC) serão detalhados em seções à frente. 3.2 Camada física (PHY) A camada física (PHY) provê a interface para o meio físico onde a transmissão ocorre de fato. A camada PHY é a camada mais baixa do modelo ISO/OSI e tem como principal tarefa a transmissão e recepção dos dados, envolvendo a modulação e técnicas de espalhamento, possibilitando que bits sejam transmitidos pelo meio (ar). A camada PHY também é responsável pelas seguintes tarefas:

36 36 - Ativar/desativar o transceptor; - Selecionar o canal de frequência; - Determinar a qualidade do enlace (LQI) em cada pacote recebido; - Detectar a energia do canal (ED); - Realizar o Clear Channel Assessment (CCA) para o protocolo CSMA-CA; Frequências, canais e taxas de transmissão Um total de 27 canais na faixa ISM que não necessitam de licença para operar, numerados de 0 a 26, estão disponíveis ao longo das três bandas de frequência. Um canal na banda de 868 MHz (Europa), 10 canais na banda de 915 MHz (Américas) e 16 canais na banda de 2,4 GHz (no mundo todo). Todos estes canais e o espaçamento entre eles são mostrados na figura 3.3 [15]. Figura 3.3 Canais de frequência disponíveis para o padrão IEEE A frequência central para cada canal é calculada pelas equações mostradas na tabela 3.1 [10] e o resultado destes cálculos são apresentados na figura 3.4 [3].

37 37 Tabela 3.1 Cálculo da frequência central para cada canal. Número do canal (k) Frequência central (MHz) k = 0 868,3 k = 1, 2, 3,..., (k 1) k = 11, 12, 13..., (k 11) Figura 3.4 Frequências centrais e disponibilidade de cada canal. O padrão IEEE especifica diferentes modulações e taxas de transferência para cada uma das três bandas, como apresentado na tabela 3.2 [3]. Tabela 3.2 Taxas de transferência e modulação para cada banda. Taxa de Taxa de Banda Modulação Taxa de chip transferência símbolos 868 MHz 20 kb/s 20 kbaud/s BPSK 300 kchip/s 915 MHz 40 kb/s 40 kbaud/s BPSK 600 kchip/s 2,4 GHz 250 kb/s 62,5 kbaud/s O-QPSK 2 Mchip/s

38 Especificações da banda em 2,4 GHz A conversão de um dado binário para um sinal modulado na banda de 2,4 GHz é realizado da forma mostrada na figura 3.5 [40]. Figura 3.5 Modulação na banda de 2,4 GHz. Este método de modulação utiliza uma sequência pseudo-randômica (PN) de 32 chips para representar quatro bits e simultaneamente realizar o espalhamento do sinal (DSSS). O primeiro passo consiste em codificar os dados presentes no pacote PPDU, transformando seus bits em símbolos. Cada byte é dividido em dois símbolos. Cada símbolo é então mapeado em uma sequência PN de 32 chips, como mostra a tabela 3.3 [10].

39 39 Tabela 3.3 Mapeamento de símbolo para chip. O padrão IEEE especifica que a camada PHY para a banda de 2,4 GHz deve gerar uma taxa de símbolos por segundo com quatro bits em cada símbolo. Desse modo, são obtidos 250 kb/s. A sequência PN a ser transmitida é então dividida entre os canais ortogonais I e Q do modulador O-QPSK, com os chips pares colocados no canal I e os chips ímpares no canal Q. Um atraso de meio período de chip é implementado no canal Q, gerando o off-set da modulação O-QPSK. Como 32 chips são transmitidos em apenas um tempo de símbolo (16µs), teremos um tempo de chip de 0,5µs e uma taxa de chips transmitidos de aproximadamente 2 Mchip/s. Separando os canais I e Q, teremos uma taxa aproximada de 1 Mchip/s para cada canal, com chips sucessivos a cada 2 tempos de chip (1µs).

40 Potência, sensibilidade e alcance A potência de transmissão em um transmissor e a sensibilidade em um receptor são fatores importantes para se determinar o alcance ponto a ponto de qualquer rede sem fio. Outros fatores incluem obstáculos no caminho, interferências e etc. Obviamente, quanto maior a potência de transmissão, maior será o alcance do sinal. Por outro lado, a sensibilidade do receptor determina a potência mínima necessária para que o sinal seja recebido e decodificado de forma confiável. Valores de potência de transmissão e sensibilidade são geralmente descritos em dbm, uma medida do ganho ou atenuação de um sinal com relação à potência de 1mW. Por parte do receptor, quanto maior o valor negativo em dbm, maior será sua sensibilidade, ou seja, maior será sua capacidade em decodificar um sinal mais fraco. Como consequência, o alcance ponto a ponto será aumentado. Para se enquadrar no padrão IEEE , o transceptor deve ser capaz de transmitir a uma potência mínima de -3 dbm, com uma sensibilidade de pelo menos -85 dbm para a banda de 2,4 GHz e -92 dbm para as bandas de 868/915 MHz. A potência máxima de transmissão não é especificada, ficando a cargo de regulamentações governamentais de cada país Serviços da camada PHY Serviços de uma camada são as capacidades que esta camada oferece ao usuário na camada ou subcamada imediatamente superior, baseando suas funções nos serviços oferecidos pela camada imediatamente inferior. As primitivas de serviço transmitem a informação requerida, provendo um serviço em particular. A figura 3.6 [10] ilustra esses conceitos.

41 41 Figura 3.6 Primitivas de serviço. Os serviços são especificados descrevendo sua primitiva de serviço e caracterizando os parâmetros associados a esta primitiva. Um serviço pode ter uma ou mais primitivas relacionadas e cada primitiva pode ter zero ou mais parâmetros associados. Existem quatro tipos básicos de primitivas, mostradas a seguir: - Request: uma primitiva do tipo request é passada pelo usuário-n à camada-n, para requisitar o início de um serviço; - Indication: uma primitiva do tipo indication é passada pela camada-n ao usuário-n, para indicar um evento da camada-n que é significativo ao usuário-n. Este evento pode estar logicamente relacionado à requisição de um serviço remoto ou pode ser gerado por um evento interno da própria camada-n. - Response: uma primitiva response é passada pelo usuário-n à camada-n, para completar um procedimento previamente evocado por uma primitiva indication. - Confirm: uma primitiva confirm é passada pela camada-n ao usuário-n, para transmitir os resultados de um ou mais serviços associados, previamente requisitados. A camada PHY provê a interface entre o meio físico e a camada MAC através de dois serviços, que são PHY data service e PHY management service (chamado PHY layer management entity ou PLME). Estes serviços são acessados pelo PHY layer data service

42 42 access point (PD-SAP) e pelo PHY layer management entity service access point (PLME- SAP), respectivamente. A figura 3.7 [10] apresenta o modelo da camada PHY. Figura 3.7 Modelo de referência da camada PHY. O PHY data service provê três primitivas à camada MAC (imediatamente superior à camada PHY) e são utilizadas na troca de pacotes de dados. As primitivas são data.request, data.confirm e data.indication. A sequência de mensagens para estas primitivas é mostrada na figura 3.8 [3]. Figura 3.8 Sequência de mensagens para a troca de pacotes de dados.

43 43 O PHY management service (PLME) provê suporte para comandos que controlam parâmetros de comunicação e funcionalidades do transceptor. As primitivas do PLME são mostradas na figura 3.9 [3]. Figura 3.9 Primitivas do PHY management service (PLME). O PHY PAN Information Base (PIB) contém atributos configuráveis para gerenciar a camada PHY. Estes atributos podem ser lidos ou escritos através das primitivas PLME-GET e PLME-SET, como mostrado na sequência de mensagens da figura 3.10 [3]. Figura 3.10 Sequência de mensagens para leitura e escrita no PIB da camada PHY. O transceptor pode ser ativado ou desativado através da primitiva PLME-SET-TRX- STATE. Esta primitiva é muito utilizada para o controle do consumo de potência, ligando o transceptor apenas quando for realmente necessário, economizando bateria dos módulos. A figura 3.11 [3] apresenta a sequência de mensagens para esta primitiva.

44 44 Figura 3.11 Sequência de mensagens para ativar/desativar o transceptor. Antes da transmissão de pacotes de dados ou de comandos MAC, a camada MAC requisita à camada PHY a execução de um Clear Channel Assessment (CCA) que faz parte do protocolo CSMA-CA. Quando o CCA é requisitado, a camada PHY ativa o transceptor, executa a medição CCA e então desativa o transceptor. Após o processo ser completado, a camada PHY envia uma primitiva PLME-CCA.confirm indicando se o canal está ocupado ou não. A figura 3.12 [3] mostra a sequência de mensagens para a execução do CCA. Figura 3.12 Sequência de mensagens para a execução do CCA. A primitiva PLME-ED permite que o dispositivo execute uma detecção de energia no canal de operação. A medida realizada é similar ao CCA, porém com uma maior resolução,

45 45 retornando níveis de energia variando de 0 a 255. A sequência de mensagens para esta primitiva é mostrada na figura 3.13 [3]. Figura 3.13 Sequência de mensagens para a detecção de energia do canal Estrutura dos pacotes da camada PHY A estrutura do pacote de dados da camada PHY já foi brevemente citada na seção O PPDU engloba todas as estruturas de dados provenientes das camadas superiores e consiste de três componentes: Synchronization header, PHY header e PSDU, como ilustrado na figura 3.14 [3]. Figura 3.14 Estrutura do pacote de dados da camada PHY (PPDU).

46 46 O Synchronization Header é formado por dois campos: Preamble e Start of frame delimiter (SFD). O Preamble consiste de 32 bits, todos de valor binário zero (que serão codificados em chips), e permite ao receptor obter a sincronização necessária de chips e bits. O campo SFD consiste de 8 bits com valores fixos e permite ao receptor identificar o começo do campo PHY Header. O campo PHY Header é formado por 1 bit reservado e 7 bits que formam o Frame length, que indica a quantidade de bytes contida no campo PSDU. Por último, o PSDU tem seu tamanho variável e carrega o pacote MPDU proveniente da camada MAC, que será detalhado na seção Camada MAC (Medium Access Control) A camada MAC definida para o padrão IEEE provê controle de acesso ao canal e garante a confiabilidade na troca dos dados, através de diversas funções como geração de pacotes ACK, comandos de associação e dissociação de dispositivos à rede, controle de segurança e funções opcionais como geração de beacons e gerenciamento dos slots definidos pelo coordenador PAN Serviços da camada MAC A camada MAC provê dois serviços às camadas superiores: MAC data service e MAC management service (chamado de MAC sublayer management entity ou MLME). Estes serviços são acessados pelo MAC common part sublayer service access point (MCPS-SAP) e pelo MAC management service access point (MLME-SAP), respectivamente. Para cada um destes serviços, o IEEE define um conjunto de primitivas que possibilitam acesso a

47 47 todas as funcionalidades de um dispositivo em uma rede LR-WPAN. A figura 3.15 [10] ilustra o modelo de referência da camada MAC. Figura 3.15 Modelo de referência da camada MAC. O MAC data service provê três primitivas para a transferência de dados: data.request, data.confirm e data.indication. Dependendo da configuração da rede (beaconed ou nonbeaconed), diferentes sequências de mensagens são utilizadas para realizar a transferência de dados. Para redes nonbeaconed, como a implementada neste projeto, um dispositivo que deseja enviar dados ao coordenador PAN deve enviar diretamente um pacote de dados ao coordenador PAN, que responderá enviando um pacote ACK (caso tenha sido habilitado o protocolo handshake). Essa sequência de mensagens é mostrada na figura 3.16 [3].

48 48 Figura 3.16 Transferência de dados de um dispositivo para o coordenador PAN em uma rede nonbeaconed. Por outro lado, para a transferência de dados do coordenador PAN para algum dispositivo na rede nonbeaconed, a primitiva de controle usada é a MLME-POLL, que pertence ao outro serviço da camada MAC (o serviço MAC management service ou MLME). A sequência de mensagens deve ser iniciada pelo dispositivo, através da primitiva MLME-POLL.request, que gera uma espécie de pergunta ao coordenador PAN sobre dados pendentes para aquele determinado dispositivo. O coordenador PAN responde com um pacote ACK contendo um bit que indica se existem ou não dados pendentes para aquele dispositivo. A sequência de mensagens completa está detalhada na figura 3.17 [3].

49 49 Figura 3.17 Transferência de dados do coordenador PAN para um dispositivo em uma rede nonbeaconed. A razão pela qual a sequência de mensagens deve ser iniciada pelo dispositivo vem do fato de que o coordenador PAN não tem como saber se o dispositivo está no estado dormindo (para economia de bateria) ou não. Com a sequência iniciada pelo dispositivo, o coordenador PAN saberá que o dispositivo agora está no estado ativo, com o transceptor ligado, apto a receber os dados. Todas as primitivas do serviço MLME são mostradas na figura 3.18 [3].

50 50 Figura 3.18 Primitivas do MAC management service ou MLME. Apenas as primitivas utilizadas em uma rede nonbeaconed serão detalhadas. O MAC PAN information base (PIB) contém atributos configuráveis para gerenciar a camada MAC. Estes atributos podem ser lidos ou escritos através das primitivas MLME-GET e MLME- SET, como mostrado na sequência de mensagens da figura 3.19 [3]. Figura 3.19 Sequência de mensagens para leitura e escrita no PIB da camada MAC. O transceptor pode ser ativado por um determinado período através da primitiva MLME- RX-ENABLE, voltando a ser desativado após este período. Esta primitiva é muito utilizada para a redução do consumo de potência e consequente economia de bateria. Para uma rede nonbeaconed, a sequência de mensagens é ilustrada na figura 3.20 [3].

51 51 Figura 3.20 Sequência de mensagens para ativar o transceptor durante um determinado período. A primitiva MLME-SCAN permite a realização de uma varredura em uma determinada lista de canais disponíveis. Existem quatro tipos de varreduras possíveis: Energy detection scan, Active channel scan e Passive channel scan. A varredura Energy detection scan permite realizar a medida da quantidade de energia presente em cada canal especificado. A varredura Active channel scan procura por beacons sendo transmitidos no raio de alcance do dispositivo. Para cada canal especificado, o dispositivo primeiro envia um comando Beacon request. Se existir algum coordenador PAN em seu alcance, este envia um pacote beacon, indicando a presença de uma rede formada no local. A varredura Passive channel scan também procura por beacons sendo transmitidos no raio de alcance do dispositivo, porém de forma passiva, não enviando um comando Beacon request. Por fim, a varredura Orphan channel scan permite que um dispositivo órfão (que perdeu conexão com seu coordenador PAN) execute uma varredura em canais específicos para localizar beacons transmitidos pelo coordenador PAN.

52 52 Cada uma das quatro varreduras possíveis opera de acordo com a sequência de mensagens mostrada na figura 3.21 [3]. Figura 3.21 Sequência de mensagens para varreduras em canais específicos. Após ter realizado varreduras passivas e ativas em canais específicos, o coordenador PAN deve iniciar a rede em um determinado canal, baseado em informações provenientes destas varreduras (canal com menor energia e canal onde não esteja presente alguma outra rede). A rede é formada através da primitiva MLME-START, com sua sequência de mensagens mostrada na figura 3.22 [3]. Figura 3.22 Sequência de mensagens para a formação da rede pelo coordenador PAN.

53 53 Com a rede formada, os dispositivos que desejam se associar à rede devem realizar as varreduras por canais específicos, procurando pelo coordenador PAN. Encontrado o coordenador PAN, os dispositivos devem requisitar uma associação à rede, através da primitiva MLME-ASSOCIATE.request. Dependendo da capacidade do coordenador PAN e de suas configurações, este pode aceitar ou rejeitar a requisição de associação, através da primitiva MLME-ASSOCIATE.response com os parâmetros apropriados. O coordenador PAN tem um período máximo para decidir se aceita ou não o novo dispositivo. Este período é determinado por uma constante chamada amaxassociationperiod. Cada dispositivo possui um endereço fixo de 64 bits. Caso o dispositivo seja aceito na rede pelo coordenador PAN, este envia um endereço de rede de 16 bits, que identifica o dispositivo na rede e será utilizado para as transferências futuras. Este endereço mais curto possibilita uma utilização mais eficiente da banda, reduzindo o tamanho total dos pacotes enviados. A figura 3.23 [3] apresenta a sequência de mensagens para uma associação à rede. Figura 3.23 Sequência de mensagens para uma associação à rede.

54 54 Um processo de dissociação à rede pode ser iniciado tanto pelo próprio dispositivo quanto pelo coordenador PAN, através da primitiva MLME-DISASSOCIATE, mostrada na figura 3.24 [3]. Figura 3.24 Sequência de mensagens para uma dissociação à rede. Em um evento onde o dispositivo perde contato com o coordenador PAN, um Orphan channel scan deverá ser executado, como explicado anteriormente. A camada MAC do dispositivo responde enviando um comando de Orphan notification através dos canais especificados. Quando o coordenador PAN recebe esta notificação, ele verifica se o dispositivo estava previamente associado à rede. Caso afirmativo, o coordenador PAN gera um MLME-ORPHAN.response, enviando um comando de Coordinator realignment. Caso negativo, nenhuma resposta é enviada. A sequência de mensagens para o comando Orphan notification é mostrada na figura 3.25 [3].

55 55 Figura 3.25 Sequência de mensagens para o comando Orphan notification Estrutura dos pacotes da camada MAC A estrutura dos pacotes da camada MAC foi desenvolvida objetivando simplicidade e flexibilidade. A figura 3.26 [3] apresenta sua forma geral. Figura 3.26 Forma geral de pacotes da camada MAC. O MAC Header contém um campo chamado Frame control, um campo chamado Sequence number e um chamado Addressing fields. O campo Frame control especifica o tipo de pacote, uso ou não de segurança, formato do campo Addressing fields e indica se o protocolo handshake deve ser utilizado para este pacote (envio de pacote ACK ou não).

56 56 O campo Sequence number simplesmente indica o número do pacote atual. O Addressing fields contém o endereço da fonte ou do destino, como especificado no campo Frame control. O MSDU contém informações específicas relacionadas com os diferentes tipos de transações que podem ser gerenciadas pela camada MAC e pode ser dividido em diversos campos. Por fim, o campo MAC footer consiste em um campo chamado Frame check sequence (FCS), utilizado para a checagem de erros, baseado no algoritmo CCITT 16-bit CRC. Como comentado anteriormente, o padrão IEEE define quatro tipos de pacotes da camada MAC: beacon, dados, ACK e comando MAC. Cada um destes pacotes será detalhado a seguir. A estrutura do pacote do tipo beacon é mostrada na figura 3.27 [3]. Figura 3.27 Estrutura do pacote beacon. Em uma rede beaconed, o coordenador PAN é configurado para transmitir beacons em certos intervalos de tempo, para sincronizar com os dispositivos associados à rede. Mesmo em redes nonbeaconed, certos dispositivos podem solicitar este tipo de pacote ao coordenador PAN para, por exemplo, descobrir em qual canal a rede está se comunicando. O campo Superframe specification contém parâmetros que especificam a estrutura do superframe. Esta estrutura só é utilizada em redes beaconed, portanto não será detalhada, assim como o campo GTS.

57 57 O campo Pending address specification contém o número, o tipo de endereço e uma lista especificando os dispositivos que possuem dados pendentes no coordenador. O último campo do MSDU é o Beacon Payload. Este campo é opcional e contém dados diversos para dispositivos associados à rede. O pacote de dados tem sua estrutura apresentada na figura 3.28 [3]. Figura 3.28 Estrutura do pacote de dados. Pacotes de dados são utilizados pela camada MAC para transmitir os dados propriamente ditos (por exemplo, sinal proveniente de algum sensor). Sua estrutura é extremamente simples. Os dados são alocados no MSDU e o campo Addressing fields contém o endereço do coordenador PAN e o endereço do dispositivo fonte e/ou destino, como especificado na primitiva MCPS-DATA. O próximo tipo de pacote é o ACK, mostrado na figura 3.29 [3]. Figura 3.29 Estrutura do pacote ACK.

58 58 Pacotes ACK são enviados pela camada MAC para confirmar à fonte a correta recepção de um pacote pelo dispositivo de destino. Nota-se que o pacote ACK não contém o Addressing fields no MAC Header e também não contém os campos do MSDU. Quando um dispositivo recebe um pacote ACK, este verifica primeiro se estava esperando um e depois checa o campo Frame sequence e confere se este era o esperado. Caso não seja, o pacote ACK é descartado. O último tipo de pacote é o comando MAC, mostrado na figura 3.30 [3]. Figura 3.30 Estrutura do pacote do tipo comando MAC. O pacote de comando MAC é responsável pela transferência de todos os comandos MAC apresentados na tabela 3.4 [3]. Tabela 3.4 Tipos de comando MAC. ID. do Tipo de comando MAC comando 1 Association Request 2 Association Response 3 Disassociation Notification 4 Data Request 5 PAN ID Conflict Notification 6 Orphan Notification 7 Beacon Request 8 Coordinator Realignment 9 GTS Request Reserved O campo Command type contém o identificador do comando MAC (mostrado na tabela 3.4). O campo MAC Command Payload contém informações específicas do comando MAC em uso.

59 Segurança A camada MAC do padrão IEEE oferece serviços de segurança (por exemplo, criptografia dos dados) que são controlados pelo seu PIB. São três modos de segurança oferecidos: Unsecured mode, Access control list mode (ACL) e Secured mode. No Unsecured mode, nenhum serviço de segurança é oferecido. Os pacotes provenientes de qualquer dispositivo associado à rede são aceitos e nenhum tipo de criptografia é implementada. No modo ACL, a camada MAC mantém uma lista de controle contendo endereços de dispositivos com o qual ela está autorizada a se comunicar. Os pacotes recebidos de dispositivos que não estão em sua lista de controle são ignorados. Neste modo, os dados também não são criptografados. O último modo de segurança, chamado Secured mode, oferece diversos serviços de segurança, como controle de acesso, criptografia, integridade e controle de atualidade (freshness). Sete conjuntos de segurança foram definidos e são mostrados na tabela 3.5 [3]. Tabela 3.5 Conjuntos de segurança do padrão IEEE Conjunto Bits de Proteção de integridade acesso Criptografia Integridade Freshness AES-CTR 0 Sim Sim Não Opcional AES-CCM Sim Sim Sim Opcional AES-CCM Sim Sim Sim Opcional AES-CCM Sim Sim Sim Opcional AES-CBC-MAC Sim Não Sim Não AES-CBC-MAC Sim Não Sim Não AES-CBC-MAC Sim Não Sim Não

60 60 4 Características do padrão ZigBee A arquitetura ZigBee utiliza as camadas inferiores MAC e PHY do padrão IEEE e inclui camadas superiores, como a camada de rede (NWK) e camada da aplicação (APL). A figura 4.1 [13] apresenta essa configuração. Figura 4.1 Camadas do padrão ZigBee. Nota-se que a camada APL é composta pela subcamada de suporte à aplicação (APS), pelo ZigBee device object (ZDO) e pelo Framework da aplicação, que é definido pelo fabricante do dispositivo ZigBee. Os tópicos a seguir comentam as funções e responsabilidades destas camadas que compõem a arquitetura ZigBee.

61 Tipos de dispositivos lógicos O padrão ZigBee define três tipos de dispositivos lógicos: coordenador (equivalente ao coordenador PAN no padrão IEEE ), roteador (equivalente ao coordenador no IEEE ) e end device (também chamado end device no padrão IEEE ). Uma rede ZigBee é formada quando um dispositivo se declara como o coordenador da rede e permite a associação de outros dispositivos. Roteadores e end devices podem se associar diretamente através do coordenador ou podem se associar através de roteadores que já estão associados à rede. Roteadores permitem a comunicação entre nós que não estão em alcance direto, através do roteamento das mensagens. Coordenadores também possuem esta capacidade. As principais funções dos três dispositivos lógicos existentes em uma rede ZigBee são mostradas na tabela 4.1. Tabela 4.1 Comparação entre os dispositivos lógicos em uma rede ZigBee. Função Coordenador Roteador End Device Inicializar e formar uma rede ZigBee X Permitir associação de outros dispositivos à rede X X Atribuir endereço de rede de 16 bits a dispositivos associados X X Descobrir e gravar caminhos na rede para um roteamento eficiente de mensagens X X Descobrir e gravar lista de dispositivos vizinhos (um hop) X X Executar o roteamento de mensagens X X Enviar e receber pacotes de dados X X X Solicitar associação ou dissociação da rede X X X Entrar no estado dormindo para economia de energia X

62 Topologias de redes O padrão ZigBee suporta três topologias de rede possíveis: Star, cluster-tree e mesh. Estas diferentes topologias devem ser analisadas e escolhidas de acordo com cada aplicação, tentando obter sempre o melhor compromisso entre custo (quantidade de memória necessária, consumo de energia, etc) e benefício (robustez e confiabilidade da rede, etc) Rede star Na topologia star, um coordenador de rede se comunica com um ou mais end devices diretamente. As mensagens originadas de end devices que tenham como destino outro end device são sempre encaminhadas primeiro ao coordenador, que então re-passa ao destino. A figura 4.2 [12] apresenta esta topologia. Figura 4.2 Topologia star. Nota-se que a área da rede na topologia star fica limitada ao alcance direto do transceptor do end device e do coordenador.

63 Rede cluster tree Em redes com topologia cluster tree, existe um coordenador se comunicando com roteadores e/ou end devices. Com a adição de roteadores, é possível desenvolver uma rede mais extensa devido ao roteamento das mensagens entre dispositivos que não estão em alcance direto. A figura 4.3 [12] mostra a topologia cluster tree. Figura 4.3 Topologia cluster tree. Todas as mensagens em uma rede cluster-tree são transmitidas de um nó para outro obedecendo a uma hierarquia entre pai-filho. Esta hierarquia será detalhada no capítulo 6, na seção sobre o roteamento para a topologia cluster tree. Cada transferência de um nó para o próximo é chamada de hop. A profundidade de uma rede cluster tree é definida como o número máximo de hops que uma mensagem deve realizar entre a fonte e o destino.

64 Rede mesh Na topologia mesh, um coordenador possui um ou mais roteadores/end devices associados. O roteamento das mensagens permite a criação de caminhos diferentes da fonte de dados para o destino, como mostra a figura 4.4 [12]. Figura 4.4 Topologia mesh. Caso o dispositivo fonte esteja em alcance direto do destino, a mensagem é enviada em apenas um hop e nenhum outro dispositivo é envolvido na transferência. Caso não estejam em alcance direto, a mensagem deve ser encaminhada de roteador para roteador, obedecendo a um caminho que a rede estabelece baseado em algoritmos que calculam a eficiência do roteamento. 4.3 Camada de rede (NWK) A camada de rede (NWK) provê diversas funções para assegurar a correta operação da camada MAC e fornece também dois provedores de serviços para a interface entre a camada

65 65 MAC e a camada da aplicação (APL), que são NWK data service (NLDE) e NWK management service (NLME). Estes serviços são acessados pelo NWK layer data entity access point (NLDE-SAP) e pelo NWK layer management entity access point (NLME-SAP), respectivamente. A figura 4.5 [13] mostra o modelo da camada NWK. Figura 4.5 Modelo de referência da camada NWK. O NWK data service (NLDE) fornece serviços de dados que habilitam à aplicação transportar pacotes chamados Application protocol data units (APDU) entre dois ou mais dispositivos. Os serviços fornecidos pelo NLDE são os seguintes: - Geração de pacotes chamados Network Level PDU (NPDU); - Roteamentos específicos para cada topologia. O NLDE deve ser capaz de transmitir pacotes NPDU para um determinado dispositivo que pode ser tanto o destino final do pacote quanto um dispositivo intermediário entre a fonte e o destino. O outro provedor de serviço da camada NWK, chamado NWK management service (NLME) é responsável pelos seguintes serviços: - Configuração de um novo dispositivo. Opções de configuração incluem iniciar as operações como coordenador da rede ou associar-se a uma rede existente;

66 66 - Iniciar uma nova rede. Habilidade de formar uma nova rede como coordenador; - Associação ou dissociação a uma rede. Habilidade de se associar ou dissociar de uma rede, assim como a habilidade de um coordenador ou roteador requerer a dissociação de algum dispositivo à rede; - Endereçamento. Capacidade de um coordenador ou roteador atribuir um endereço de rede a um novo dispositivo associado; - Descoberta de dispositivos vizinhos. Capacidade de descobrir, gravar e reportar informações pertencentes a vizinhos, ou seja, que estão a apenas um hop do dispositivo; - Descoberta de rotas. Capacidade de descobrir e gravar caminhos na rede por onde as mensagens são roteadas de maneira mais eficiente. 4.4 Camada de aplicação (APL) A camada de aplicação (APL) é composta pela subcamada de suporte à aplicação (APS), pelo ZigBee device object (ZDO) e pelo Framework da aplicação, como visto anteriormente na figura Subcamada de suporte à aplicação (APS) A subcamada de suporte à aplicação provê a interface entre a camada NWK e a camada APL através de uma série de serviços que são utilizados tanto pelo ZigBee device object (ZDO) quanto por aplicações definidas pelo próprio fabricante do dispositivo ZigBee. Os serviços são oferecidos por duas entidades, que são: Application support sub-layer data entity (APSDE) e Application support sub-layer management entity (APSME) e são acessados pelo APS layer data entity access point (APSDE-SAP) e pelo APS layer management entity

67 67 access point (APSME-SAP), respectivamente. O modelo da subcamada APS está mostrado na figura 4.6 [13]. Figura 4.6 Modelo de referência da subcamada APS. Os serviços fornecidos pelo APSDE são os seguintes: - Geração de pacotes chamados Application level PDU (APDU); - Binding. Habilidade de vincular um dispositivo a outro baseado em seus serviços e necessidades. O outro fornecedor de serviços da subcamada APS, chamado APSME, deve ser capaz de construir e manter uma tabela para o armazenamento das informações de dispositivos que estão vinculados através do serviço chamado binding Framework da aplicação Framework da aplicação é um ambiente onde os Application objects são alocados sobre dispositivos ZigBee. Até 240 Application objects podem ser definidos, onde cada um é conectado a um endpoint numerado de 1 a 240.

68 68 Para se entender melhor os conceitos de Application object, endpoint e binding, o seguinte exemplo é demonstrado. A figura 4.7 [13] ilustra dois dispositivos conectados a uma rede ZigBee e vinculados entre si através de binding tables. Figura 4.7 Dois dispositivos conectados a uma rede ZigBee. Cada dispositivo recebe um endereço de rede ao ser autorizada sua associação à rede. Neste caso, o endereço 100 foi designado para o dispositivo acoplado aos dois interruptores e o dispositivo acoplado às quatro lâmpadas recebeu o endereço 200. Nota-se um vínculo (através do serviço binding) entre o interruptor 1 e as lâmpadas 1, 2 e 3 e entre o interruptor 2 e a lâmpada 4. Ou seja, o interruptor 1 controla (liga/desliga) as lâmpadas 1, 2 e 3 e o interruptor 2 controla apenas a lâmpada 4. Este sub-endereçamento é feito através de endpoints. Para o dispositivo acoplado aos interruptores, foi atribuído ao interruptor 1 o endpoint 3 e ao interruptor 2 o endpoint 21. Para o dispositivo acoplado às lâmpadas foi atribuído à lâmpada 1 o endpoint 5, à lâmpada 2 o endpoint 7, à lâmpada 3 o endpoint 8 e à lâmpada 4 o endpoint 17. Desse modo, cada interruptor e cada lâmpada são identificados,

69 69 possibilitando o controle individualmente, mesmo quando é compartilhado o mesmo transceptor ZigBee. Estes vínculos são todos mantidos pelas binding tables. O endpoint zero é reservado para a interface dos dados com o ZigBee device object (ZDO) e o endpoint 255 é reservado para a transmissão em broadcast (a todos os dispositivos associados à rede). Os endpoints são reservados para uso futuro ZigBee Device Object (ZDO) O ZigBee Device Object é responsável pelas seguintes tarefas: - Inicialização da subcamada APS e da camada NWK; - Definição do modo de operação do dispositivo (coordenador, roteador ou end device); - Device Discovery. Determinação de quais serviços de aplicação o dispositivo fornece; - Inicializa e/ou responde aos pedidos de binding; - Gerenciamento de segurança. Além disso, o ZDO ainda é capaz de descobrir quais serviços de aplicação estão disponíveis em cada nó. Esta informação é então utilizada em binding tables para vincular dispositivos que oferecem um determinado serviço a dispositivos que necessitam daquele serviço.

70 70 5 Desenvolvimento do módulo ZigBee O desenvolvimento de um módulo ZigBee foi uma decisão tomada com o projeto Hidroaer já em andamento. A idéia inicial previa a utilização de módulos desenvolvidos por grandes empresas como Freescale, Panasonic, Microchip e etc. O kit de desenvolvimento 1321x EVK da Freescale foi adquirido, contendo 7 módulos ZigBee prontos para serem utilizados, operando em 2,4 GHz, com uma potência máxima de transmissão de 3 dbm (aproximadamente 2 mw) e uma sensibilidade na recepção de -92 dbm. Uma pequena rede ZigBee foi desenvolvida para os testes iniciais, realizados em laboratório e era composta por 1 coordenador, 4 end devices e 1 roteador. Os resultados foram extremamente satisfatórios, porém com uma ressalva. Para uma rede montada em uma pequena área, o alcance dos módulos chamados low power (potência de transmissão aproximada de 0 dbm) é suficiente, sendo necessário poucos roteadores associados à rede. Porém, para uma rede mais extensa, como no caso do projeto Hidroaer, que prevê a instalação de redes ZigBee em aeroportos com áreas extremamente grandes, diversos roteadores deveriam ser utilizados e, mesmo assim, a rede não cobriria toda a área de interesse. Portanto, para o desenvolvimento de uma rede mais extensa e com um número menor de roteadores necessários, seria interessante utilizar os chamados módulos high power, com uma potência de transmissão de até 20 dbm (100 mw). No início do projeto, estes módulos high power eram extremamente raros no mercado e geralmente não possuíam todos os requisitos para o projeto Hidroaer, pois o módulo teria que conter componentes adicionais como interface USB para a comunicação com o PC, memória externa para armazenamento dos dados e, de preferência, regulador de tensão integrado ao módulo para facilitar a alimentação dos roteadores que necessitam de um ponto AC no local

71 71 de instalação. Foi decidido então que o desenvolvimento de um módulo high power deveria ser iniciado, integrando todos estes componentes e requisitos. A escolha dos componentes foi criteriosa. O esquemático e o layout do circuito impresso foram desenvolvidos utilizando o Protel DXP Todos os passos do desenvolvimento serão detalhados nas seções a seguir. 5.1 Módulos Low power x High power Os termos low power e high power podem levar a uma certa confusão com relação ao que diz a especificação ZigBee. Baixo consumo de potência, para a especificação ZigBee, não está referenciado à potência de transmissão e sim à capacidade do módulo em entrar no estado dormindo, consumindo um mínimo de corrente, economizando bateria. Fica claro que neste caso, não interessa se o módulo transmite a 0 dbm ou a 20 dbm. Isto é tanto verdade que a potência máxima de transmissão não é definida pela especificação ZigBee, nem pelo padrão IEEE , que diz apenas que o módulo deve ser capaz de transmitir a uma potência mínima de -3 dbm. Ou seja, um módulo high power, com capacidade para transmitir a 20 dbm ainda está dentro da especificação ZigBee e pode sim ser considerado um módulo de baixo consumo de potência, com capacidade para operar por anos sem a substituição de suas baterias. Isto é alcançado reduzindo o ciclo de trabalho, fazendo com que o tempo de transmissão seja consideravelmente menor comparado ao tempo em que o módulo permanece no estado dormindo, onde a potência de transmissão se torna irrelevante para o consumo de corrente do módulo. Portanto, o desenvolvimento de módulos high power é extremamente importante para aplicações que necessitam de um alcance ponto a ponto maior entre os módulos, para cobrir uma área mais extensa. Contando ainda com a possibilidade de se ajustar a potência de

72 72 transmissão por software, os módulos high power podem se tornar módulos low power quando necessário e for suficiente para a aplicação. Apenas para uma rápida comparação, a figura 5.1 [42] ilustra aproximadamente a diferença de alcance entre um módulo low power e um high power. Figura 5.1 Diferença de alcance entre um módulo low power e um high power. 5.2 Componentes Como comentado anteriormente, os requisitos para o projeto Hidroaer consistiam em um módulo ZigBee com capacidade para transmitir a 20 dbm em 2,4 GHz, integrando ainda alguns componentes adicionais em uma placa de tamanho o mais reduzido possível, preferencialmente. A figura 5.2 apresenta o diagrama de blocos simplificado do módulo desenvolvido.

73 73 Figura 5.2 Diagrama de blocos simplificado do módulo desenvolvido. A escolha de todos os componentes foi um processo demorado e criterioso, com diversas opções analisadas, onde características como consumo de potência de cada componente, miniaturização e qualidade tiveram prioridade. Obviamente tentando obter sempre o melhor custo/benefício e ainda verificando características exigidas pela especificação ZigBee Microcontrolador e transceptor integrados Uma forma de simplificar o projeto e ainda economizar espaço no circuito impresso é utilizar um único chip que contenha tanto o microcontrolador quanto o transceptor ZigBee. Neste caso, o circuito integrado MC13213 da Freescale foi escolhido por conter todas as

74 74 características necessárias e ainda integrar microcontrolador e transceptor no mesmo encapsulamento. O transceptor contido no MC13213 é preparado para o padrão IEEE e opera em 2,4 GHz, com uma potência de transmissão de 0 dbm (podendo chegar a 3 dbm, controlado por software). Inclui ainda um amplificador de potência (PA), Low noise amplifier (LNA), switch de transmissão/recepção e regulador de tensão. O microcontrolador contido no MC13213 é baseado na família HCS08, possui 60 kb de memória flash e 4 kb de memória RAM. As características gerais do circuito integrado MC13213 são as seguintes: - Tensão de operação: 2 V a 3,4 V; - Opera em temperaturas entre -40 C e +85 C; - Microcontrolador com núcleo HCS08 de 40 MHz; - 60 kb de memória flash e 4 kb de memória RAM; - Diversos modos de baixa potência (para economia de bateria); - 1 timer de 4 canais (8 bits) e 1 timer de 1 canal (16 bits); - 8 canais para o conversor analógico-digital de 8-10 bits; - Interfaces SCI e IIC; - Até 32 pinos de uso geral com resistor de pull-up programável; - Transceptor preparado para o padrão IEEE que suporta até 250 kbps; - 16 canais selecionáveis na banda de 2,4 GHz; - Potência de transmissão entre -27 dbm a +3 dbm, programável por software; - Sensibilidade na recepção de -92 dbm; - PA, LNA e switch integrados; - Encapsulamento LGA de 71 pinos, 9x9x1 mm.

75 75 A figura 5.3 [44] apresenta o diagrama de blocos simplificado do circuito integrado MC Figura 5.3 Diagrama de blocos simplificado do circuito integrado MC Amplificador de potência (PA) e Low Noise Amplifier (LNA) externos Como o transceptor do MC13213 tem capacidade para transmitir a no máximo 3 dbm, um amplificador de potência (PA) externo foi previsto para aumentar a potência de transmissão para 20 dbm, atendendo aos requisitos do projeto. Para aumentar ainda mais o alcance ponto a ponto da rede, um low noise amplifier (LNA) externo também foi previsto, aumentando a sensibilidade do módulo na recepção para aproximadamente -98 dbm. Mantendo o objetivo de reduzir ao máximo o tamanho do módulo, o circuito integrado CC2591 da Texas Instruments foi utilizado, pois integra em um único chip tanto o PA quanto o LNA, ambos otimizados para operar em 2,4 GHz. Além disso, o chip também integra o

76 76 balun e switches de transmissão/recepção, simplificando o desenvolvimento do circuito RF e ainda reduzindo o número de componentes externos necessários. As características básicas do circuito integrado CC2591 são as seguintes: - Tensão de operação: 2 V a 3,6 V; - PA, LNA, balun e switches de transmissão/recepção integrados; - Potência de saída de até 22 dbm; - Melhora em 6 db (típico) a sensibilidade na recepção; - Baixo consumo de potência na transmissão (100 ma para uma potência de saída de 20 dbm e alimentação de 3 V); - Baixo consumo de potência na recepção (3,4 ma no modo de alto ganho e 1,7 ma no modo de baixo ganho); - Encapsulamento QFN de 16 pinos, 4x4 mm. [46]. O diagrama de blocos simplificado do circuito integrado CC2591 é ilustrado na figura 5.4 Figura 5.4 Diagrama de blocos simplificado do circuito integrado CC2591.

77 Conversor UART USB O circuito integrado MC13213 não possui um controlador USB integrado, portanto para desenvolver uma interface USB foi utilizado o conversor UART-USB CP2102 fabricado pela Silicon Labs. Este chip permite uma fácil e rápida implementação de uma interface USB utilizando apenas as portas UART do MC As principais características do CP2102 são as seguintes: - Transceptor USB integrado, preparado para USB 2.0, full speed (12 Mbps); - Clock integrado, não sendo necessário cristal externo; - Memória EEPROM integrada para personalizar Vendor ID, Product ID, Serial Number, etc; - Regulador de tensão integrado, com saída em 3,3 V; - Encapsulamento QFN de 28 pinos, 5x5 mm. O diagrama de blocos do circuito integrado CP2102 é mostrado na figura 5.5 [47]. Figura 5.5 Diagrama de blocos simplificado do circuito integrado CP2102.

78 Memória EEPROM externa Como requisito do projeto Hidroaer, os módulos ZigBee devem ser capazes de armazenar as informações de vazão de água com data e hora. Para isso, uma pequena memória EEPROM externa foi integrada ao módulo. A EEPROM escolhida foi a AT25256A de 256 kbits, fabricada pela Atmel. Esta EEPROM possui bits, organizados em palavras de 8 bits cada. As características básicas da EEPROM AT25256A são mostradas a seguir: - Tensão de operação: 1,8 V a 5,5 V; kbits ( bits em palavras de 8 bits cada); - Interface SPI, modos 0 e 3; - Taxa de clock de 20 MHz; - Encapsulamento SOIC de 8 pinos. [48]. O diagrama de blocos simplificado da EEPROM AT25256A é apresentado na figura 5.6

79 79 Figura 5.6 Diagrama de blocos simplificado da EEPROM AT25256A. A conexão com o microcontrolador é feita através da interface SPI. A EEPROM é habilitada através do pino Chip select (CS) e acessada por três pinos, que são Serial data input (SI), Serial data output (SO) e Serial Clock (SCK) Regulador de tensão O módulo contém um regulador de tensão integrado para dar maior flexibilidade e facilidade se for necessária uma alimentação com fontes DC ligadas a pontos AC, como por exemplo, os roteadores e coordenadores, que não devem utilizar baterias em sua alimentação. O regulador de tensão escolhido foi o Low dropout LP38690SD-3.3 da National Semiconductor, que gera uma tensão de saída de 3,3 V, com capacidade de gerar uma corrente de até 1 A. Suas características básicas são as seguintes: - Faixa de tensão de entrada: 4 V a 10 V; - Tensão de saída: 3,3 V com precisão de 2,5%;

80 80 - Tensão de dropout baixa: 450 mv (típico); - Proteção para temperaturas elevadas; - Encapsulamento LLP de 6 pinos; O diagrama de blocos simplificado do regulador de tensão LP38690 é mostrado na figura 5.7 [49]. Figura 5.7 Diagrama de blocos simplificado do regulador de tensão LP Antena on-board Para diminuir os custos e também facilitar seu uso, o módulo possui uma antena F em seu circuito impresso, dispensando o uso de antena externa. A antena F é omnidirecional e tem sua frequência de ressonância em 2,44 GHz. Suas dimensões (em mm) são mostradas na figura 5.8 [18].

81 81 Figura 5.8 Dimensões (mm) da antena F contida no módulo. Em antenas F, a tensão no ponto de alimentação é máxima, diminuindo progressivamente à medida que se aproxima do seu final (no caso, o ponto mais a direita), onde a tensão é aproximadamente zero. Isso significa que a impedância da antena é mínima no ponto de alimentação e aumenta à medida que caminha para seu final. Portanto, é possível ajustar a impedância da antena apenas movendo seu ponto de alimentação. No caso do módulo desenvolvido, o ponto de alimentação da antena F foi ajustado para que a impedância da antena seja aproximadamente 50 Ω. Para aplicações que necessitam de antenas com características diferentes, como antenas direcionais, ganho maior, etc, o módulo oferece também uma opção para uso de antena externa, através de um conector SMA, bastando para isto mudar um resistor de posição. Este procedimento será detalhado em seções à frente. Esta possibilidade permite também utilizar o conector SMA para testes com o módulo conectado a aparelhos que realizam medidas específicas. 5.3 Características gerais do módulo As características básicas do módulo desenvolvido são as seguintes:

82 82 - Tamanho do módulo: 55,8 mm x 42,3 mm; - Alimentação por baterias comuns (Ex.: 2 x AAA) ou por fontes de 5 V a 10 V com opção de bateria de backup para o caso de perda de energia; - Potência de transmissão: 1 mw até 100 mw (controlado por software); - Sensibilidade na recepção: -98 dbm; - Microcontrolador e transceptor integrados em um único chip: MC13213; - 16 canais na banda de 2,4 GHz; - Amplificador de potência e Low noise amplifier (LNA) externos; - Interface USB; - Memória externa EEPROM para armazenamento dos dados (data-logger); - 16 pinos de I/O para uso geral (2 podem ser utilizados como Rx e Tx da UART); - 3 pushbuttons (1 para reset e 2 para uso geral); - 3 LEDs (1 verde e 2 vermelhos); - Opção para antena externa ou impressa no próprio circuito Pinos de uso geral (I/O) Um total de 38 pinos do MC13213 são compartilhados entre pinos I/O de uso geral (GPIO) e funções internas específicas. Seis destes pinos são utilizados internamente para conexão entre o microcontrolador e o transceptor e alguns foram usados para conectar o microcontrolador aos componentes externos, como EEPROM, conversor UART-USB, LEDs, pushbuttons e etc. Restaram então 16 pinos de I/O para uso geral, que são acessados pelos conectores J3 e J4. Destes 16 pinos, 8 são pertencentes à porta B (PTB0 PTB7) e podem ser utilizados tanto

83 83 como pinos I/O de uso geral quanto como entradas para os canais do conversor analógicodigital do MC Os pinos 1 e 2 do conector J4 podem também ser utilizados como TX e RX para uma interface serial UART com o MC A descrição completa dos 16 pinos para uso geral do módulo está na tabela 5.1. Tabela 5.1 Descrição dos 16 pinos I/O de uso geral do módulo. Conector Porta do MC13213 Funcionalidade PTB0 / AD0 I/O Digital / Analógico PTB1 / AD1 I/O Digital / Analógico PTB2 / AD2 I/O Digital / Analógico J3 PTB3 / AD3 I/O Digital / Analógico PTB4 / AD4 I/O Digital / Analógico PTB5 / AD5 I/O Digital / Analógico PTB6 / AD6 I/O Digital / Analógico PTB7 / AD7 I/O Digital / Analógico PTE0 / TxD1 I/O Digital / UART Tx PTE1 / RxD1 I/O Digital / UART Rx PTA0 / KBD0 I/O Digital PTA1 / KBD1 I/O Digital J4 PTA4 / KBD4 I/O Digital PTA5 / KBD5 I/O Digital PTC7 I/O Digital PTG1 / XTAL Output Clock O chip MC13213 pode operar com diversas configurações de clock. Uma opção seria a utilização de 2 cristais externos, onde um forneceria o clock necessário ao bloco do transceptor e o outro forneceria o clock para o bloco do microcontrolador. Mantendo o compromisso de redução de espaço no circuito impresso e conseqüente diminuição do custo, foi decidida a utilização de apenas um cristal externo para fornecer o clock necessário aos dois blocos (transceptor e microcontrolador). Isto é feito da seguinte maneira. O transceptor integrado ao MC13213 necessita de um cristal de 16 MHz para operar. Por sua vez, através de divisores de frequência, o bloco do

84 84 transceptor pode fornecer uma saída com clock programável no pino CLKO. A frequência de saída no pino CLKO pode ser programada para 16,393 khz, 32,786 khz, 62,5 khz, 1 MHz, 2 MHz, 4 MHz, 8 MHz ou 16 MHz. Portanto, o pino CLKO pode ser utilizado para fornecer o clock necessário ao bloco do microcontrolador. Esta possibilidade de utilização de apenas um cristal externo é mostrada na figura 5.9 [44]. Figura 5.9 Uso do MC13213 com apenas um cristal externo. Para se enquadrar nos requisitos do padrão IEEE , a frequência de referência gerada pelo cristal deve se manter dentro de uma precisão de ±40 ppm. Após uma pesquisa sobre as características dos cristais existentes no mercado, foi decidida a utilização do cristal NX3225SA de 16 MHz, fabricado pela NDK, com uma precisão de ±15 ppm Interface Background debug module (BDM) Uma interface Background debug module (BDM) está disponível através do conector J1. A interface BDM é utilizada para a programação da memória flash do microcontrolador e também para a depuração do código através do programa IDE CodeWarrior com o uso do

85 85 programador/depurador P&E Multilink, ambos provenientes do kit de desenvolvimento 1321x EVK da Freescale Interface USB Como comentado anteriormente, o módulo possui um conversor UART-USB para a implementação de uma interface USB. A utilização deste conversor facilita tanto o desenvolvimento quanto o uso da interface USB. A enumeração e configuração do dispositivo são transparentes ao desenvolvedor, ficando inteiramente a cargo do conversor UART-USB CP2102. Para a transferência dos dados, a interface serial UART pertencente ao microcontrolador é utilizada normalmente, ficando também a cargo do CP2102 a comunicação com o PC utilizando o protocolo USB, através da classe CDC que cria uma porta COM virtual no sistema operacional Alimentação O módulo possui diversas opções para sua alimentação, através do conector tipo jack e também do conector J5. Uma alternativa seria a alimentação diretamente por baterias de 2 V a 3,3 V (Ex.: 2 x AAA), através do conector J5, onde o regulador de tensão LP38690 não é utilizado. Outra opção seria a alimentação por fontes DC externas de 5 V a 10 V, onde neste caso a tensão de entrada passa pelo regulador LP38690 que fornece 3,3 V para os componentes do módulo.

86 86 Como última possibilidade, o módulo pode ser alimentado também pela interface USB, que fornece 5 V, passando então pelo regulador de tensão LP38690, que fornece os 3,3 V necessários. Todos os circuitos desenvolvidos para a alimentação do módulo são protegidos por diodos e transistores, fazendo com que apenas um forneça a alimentação mesmo se as três possibilidades forem utilizadas ao mesmo tempo. Com isso, surge uma opção interessante, onde módulos que necessitam de uma alimentação por fontes DC externas (como coordenadores ou roteadores), podem utilizar baterias de backup, que passam a fornecer a alimentação quase que instantaneamente caso ocorra uma queda de energia, não ocorrendo o desligamento do módulo Pushbuttons e LEDs O módulo possui 3 pushbuttons e 3 LEDs. Um pushbutton (SW3) é utilizado exclusivamente para provocar um reset no microcontrolador e os outros 2 (SW1 e SW2) podem ser utilizados para uso geral. Os três LEDs podem ser utilizados para uso geral, sendo um LED de cor verde (LED3) e os outros dois de cor vermelha (LED1 e LED2) O circuito RF Por se tratar de um circuito relativamente complexo, com sinais de alta frequência (2,4 GHz), cuidados especiais devem ser tomados durante o desenvolvimento do circuito de radiofrequência (RF), por onde o sinal de 2,4 GHz irá trafegar.

87 87 Basicamente, duas regras são essenciais e devem ser seguidas sempre. Primeiro, as trilhas do circuito RF devem ser, preferencialmente, eletricamente curtas ( ) [6]. Segundo, o casamento de impedância entre os diferentes blocos do circuito RF deve ser o mais perfeito possível, para evitar perdas e reflexões na linha, o que pode reduzir drasticamente o desempenho do circuito. Todos esses cuidados e as diversas técnicas utilizadas para o layout do circuito impresso em circuitos de alta frequência serão explicados e detalhados mais à frente, ainda neste capítulo. A figura 5.10 [44] apresenta os pinos que realizam a interface RF no chip MC13213 e mostra também os blocos analógicos associados a estes pinos. Figura 5.10 Pinos do MC13213 para a interface com o circuito RF. Os sinais nos pinos RFIN_P e RFIN_M e nos pinos PAO_P e PAO_M são diferenciais, de alta impedância e podem ser utilizados em duas configurações básicas. A primeira opção seria utilizar duas portas distintas para a transmissão e recepção, onde o switch interno não é utilizado, como mostrado na figura 5.11 [44].

88 88 Figura 5.11 Duas portas distintas do MC13213 sendo utilizadas para o circuito RF. Nota-se que existe um caminho para a transmissão e outro para a recepção. Indutores e capacitores devem ser utilizados para o casamento de impedância e os baluns (Balanced- Unbalanced) realizam a transformação do sinal diferencial (balanceado) em um sinal desbalanceado. Como mostrado, apenas uma antena é utilizada tanto para a transmissão quanto para a recepção, tornando necessário o uso de um switch externo controlado pelo pino CT_Bias que fornece uma indicação se o MC13213 irá entrar no modo de transmissão (CT_Bias = 1) ou recepção (CT_Bias = 0). Com isso, o switch seleciona o caminho para a transmissão ou recepção de acordo com o pino CT_Bias, que é controlado automaticamente pelo MC Fica claro que diversas outras possibilidades com o uso de duas portas distintas do MC13213 podem ser implementadas, utilizando, por exemplo, duas antenas distintas para a transmissão e recepção, dispensando o uso de um switch externo. Ainda neste caso, se forem utilizadas duas antenas dipolo, os baluns externos também podem ser retirados do projeto. Outra configuração possível, e que foi a escolhida para este projeto, consiste em se utilizar apenas uma porta tanto para a transmissão quanto para a recepção, como mostra a figura 5.12.

89 89 Figura 5.12 Apenas uma porta do MC13213 sendo utilizada para o circuito RF. Esta foi a configuração escolhida para o projeto por utilizar poucos componentes externos e por se tratar da forma mais simples de se realizar a interface entre o MC13213 e o PA/LNA CC2591, tornando o módulo o mais compacto possível e de custo reduzido. Neste caso, o switch interno é utilizado e os pinos RFIN_P (PAO_P) e RFIN_M (PAO_M) se tornam bidirecionais, sendo utilizados tanto para a transmissão quanto para a recepção. Para a recepção, o switch interno fornece um caminho para o LNA interno, desabilitando o PA interno. Para a transmissão, o switch interno isola o LNA interno, habilitando o caminho para o PA interno. No caso do PA/LNA externo CC2591, o balun integrado ao chip converte o sinal diferencial (balanceado) em um sinal desbalanceado, para entrada nos switches que fornecem o caminho necessário para a transmissão (através do PA) ou recepção (através do LNA). Os switches são controlados pelo bloco lógico, através dos pinos PAEN, EN, RXTX e HGM, como mostra a tabela 5.2 [46].

90 90 Tabela 5.2 Controle lógico para a operação do CC2591. PAEN = EN RXTX HGM Modo de operação 0 X X Power down RX Low Gain Mode RX High Gain Mode 1 1 X TX O CC2591 é um chip muito sensível com relação ao layout e ao casamento de impedâncias, sendo necessário não só a correta escolha dos valores dos capacitores e indutores conectados ao CC2591, como também deve ser calculado cuidadosamente a indutância das trilhas ligadas aos pinos AVDD_PA1, AVDD_PA2 e AVDD_LNA. As indutâncias destas trilhas afetam a frequência de ressonância do PA e do LNA do chip CC2591. Os capacitores e indutores conectados à saída do CC2591 (pino ANT) são responsáveis pelo casamento de impedância entre o CC2591 e a antena (50 Ω), ao mesmo tempo em que formam um filtro passa-baixa de frequência de corte aproximada de 4,5 GHz, reduzindo a emissão de harmônicas. A resposta em frequência deste filtro foi simulada no PSPICE e é mostrada na figura 5.13.

91 91 Figura 5.13 Resposta em frequência do filtro passa-baixa. O resistor de 0 Ω que conecta a saída do filtro passa-baixa à antena F pode ser mudado de posição, fornecendo um caminho para o conector SMA, utilizado como alternativa para uma antena externa ou para conectar o módulo a equipamentos específicos para a realização de testes para determinar o desempenho do circuito RF Esquemático O esquemático do circuito, assim como o layout de todas as camadas do circuito impresso do módulo, estão separados em anexos. 5.4 Layout da placa de circuito impresso (PCI) Por se tratar de um circuito de alta frequência, o layout da placa de circuito impresso (PCI) tem grande influência no desempenho do circuito [6]. Para evitar perdas, reflexões,

92 92 acoplamentos e irradiações indesejáveis de sinais e manter o maior desempenho possível para o circuito RF, o layout da PCI foi desenvolvido com extremo cuidado, seguindo regras, cálculos e estratégias específicas Características da PCI A PCI é composta de 4 camadas, com uma espessura total aproximada de 1,6 mm. O substrato escolhido foi o FR4, por se tratar de um substrato de baixo custo, porém com características suficientes para circuitos de alta frequência. A figura 5.14 ilustra as camadas da PCI, com suas respectivas espessuras. Figura 5.14 As 4 camadas da PCI e suas respectivas espessuras. A camada 1 (Top) foi utilizada para acomodar os componentes, em sua grande maioria com encapsulamento SMD, e também foi utilizada para o desenho das trilhas. A camada 2 (Ground) é um plano terra o mais sólido possível, muito importante para o cálculo de impedância das trilhas por onde passam os sinais de RF. A camada 3 (Power) é um plano VCC contendo duas áreas distintas, sendo uma para alimentação específica do PA/LNA CC2591 e outra para o resto do circuito. Um filtro EMI foi utilizado para isolar essas duas

93 93 áreas, evitando que ruídos gerados no restante do circuito interfiram na sensível operação do CC2591 e vice-versa. Para finalizar, a camada 4 (Bottom) foi utilizada exclusivamente para o desenho de trilhas. O menor diâmetro utilizado para as vias foi de 0,3 mm e todas são metalizadas. A menor largura de trilha utilizada foi de 0,2 mm. As dimensões da PCI são 55,8 mm x 42,3 mm Técnicas de layout para circuitos de alta frequência À medida que se aumenta a frequência de um determinado dispositivo ou circuito, os chamados efeitos de linha de transmissão se tornam mais aparentes e devem ser contornados. Reflexões na linha, atrasos gerados por linhas eletricamente longas e outros fenômenos que geralmente não prejudicam circuitos de baixa frequência, podem causar perdas significativas em circuitos operando em altas freqüências [6]. A fronteira entre baixa frequência e alta frequência depende de diversos fatores, como comprimento das linhas de transmissão, características do meio, a própria frequência em si, etc. Portanto, um circuito operando, por exemplo, em 50 MHz pode ser encarado como de alta frequência, enquanto que um circuito operando em 200 MHz pode ser encarado como de baixa frequência, dependendo de diversos fatores, entre os quais se encontram os citados. Por isso, uma teoria sobre eletromagnetismo, especialmente sobre fenômenos que ocorrem em linhas de transmissão, deve ser estudada e bem compreendida antes do desenvolvimento de qualquer circuito. Uma breve introdução teórica sobre o assunto, relacionada especificamente com os problemas encontrados e soluções adotadas durante o desenvolvimento do módulo em questão, será apresentada durante este capítulo. As linhas de transmissão aqui relatadas serão tratadas como linhas sem perdas (sem resistência associada ao longo da linha), com seu

94 94 modelo conceitual sendo formado apenas por capacitores e indutores, como mostra a figura 5.15 [6]. Figura 5.15 Modelo conceitual de uma linha de transmissão sem perdas. Este modelo se aproxima bastante das trilhas do circuito impresso do módulo desenvolvido, que podem ser consideradas linhas de transmissão sem perdas. Os elementos L e C são infinitesimais e, portanto, são geralmente especificados em unidades por metro. Linhas de transmissão também podem ser caracterizadas como um guia para ondas eletromagnéticas. Desse modo, como mostra a figura 5.16 [6], uma fonte envia para a carga um sinal eletromagnético, que corresponde a uma onda de tensão associada a uma onda de corrente. Figura 5.16 Modelo de linha de transmissão como um guia para ondas eletromagnéticas. A onda de tensão corresponde ao campo elétrico e a onda de corrente corresponde ao campo magnético. A linha de transmissão, que efetivamente age como o meio de transmissão, guia o sinal por todo o caminho. No caso deste projeto, foram utilizadas microstrips como linhas de transmissão. Microstrip pode ser definido como um condutor situado acima de um

95 95 plano terra, separados por um dielétrico, no caso o FR4. A figura 5.17 [37] apresenta o esquema de uma microstrip em um circuito impresso. Figura 5.17 Microstrip em um circuito impresso. O sinal é então a onda propagando em parte por entre os condutores e, em parte pelo ar, como mostra a figura Figura 5.18 Campos elétricos e magnéticos formados na transmissão de um sinal em uma microstrip. O sinal trafega na velocidade da luz para aquele meio, que pode ser calculada utilizando a permissividade relativa ( r ) e a permeabilidade relativa ( r ) do dielétrico entre os condutores, como mostra a equação 5.1 [6]. c v (5.1) r r

96 96 Onde c m/s é a velocidade da luz no vácuo. A porcentagem da velocidade que um sinal trafega em um determinado meio com relação à velocidade da luz no vácuo é v p chamada de fator e é calculada como mostra a equação 5.2 [6]. v p 1 (5.2) r r Por todo o comprimento da linha, a razão entre tensão e corrente permanece constante. V Esta razão é chamada impedância característica ( Z0 ) da linha (em ohms) e depende I basicamente da geometria da linha (largura W, distância h entre o condutor e o plano terra e espessura do cobre t ) e permissividade do dielétrico [6]. Existem diversos estudos e experimentos ligados ao cálculo da impedância característica de uma microstrip. Várias equações e soluções numéricas podem ser encontradas nas mais variadas referências, cada uma delas com diferentes compromissos entre complexidade e precisão. A referência [23] apresenta um conjunto de equações relativamente simples que oferecem uma excelente precisão. Estas equações foram utilizadas neste projeto e serão mostradas adiante. Para uma microstrip, a impedância característica ( Z ) é calculada (em ) como mostram as equações 5.3 e Z L f ( u) ( u) 0 ln u 1 u (5.3) Z 0 Z L ( u) 0 f ( u) 4 u, r ) ln 1 2 (5.4) 2 u u r r ( 1

97 97 Onde 376, 73 é a impedância intrínseca do espaço livre e 0 0 / 0 W u. A h função f (u) é definida como: 0, ,666 f ( u) 6 (2 6)exp (5.5) u O substrato FR4 possui uma permeabilidade relativa próxima de 1 e permissividade relativa aproximada de 4,4 na frequência de 2,45 GHz. Como a microstrip é circundada por dois meios (FR4 e ar), deve-se efetuar um cálculo de correção da permissividade relativa. Esta correção é chamada de permissividade relativa efetiva e, segundo a referência [23], é calculada como mostra a equação 5.6. a( u) b ( ) r r 1 r 1 10 r ( u, ) 1 ef r (5.6) 2 2 u As funções a (u) e b ) são definidas como: ( r u ( u / 52) 1 u a ( u) 1 ln ln 1 4 (5.7) 49 u 0,432 18,7 18,1 0,053 ( 0,9 ) 0,564 3 r b r r (5.8)

98 98 Com esta correção, a permissividade relativa efetiva ( ref ) passa a ser utilizada nas equações, substituindo a permissividade relativa ( r ). Obviamente, por se tratar de uma razão, para o cálculo de u W pode ser utilizada h qualquer unidade de distância (mm, m, polegadas, etc), desde que seja mantida a mesma unidade tanto para a largura (W ) quanto para a distância ( h ). A precisão destes cálculos é melhor do que 0,2% para 0,1 u 100 e 128, que são intervalos completamente aceitáveis e com grande margem para a maioria das aplicações. Para melhorar ainda mais a precisão dos cálculos, outro fator de correção deve ser levado em conta. As equações mostradas anteriormente ignoram a espessura do cobre ( t ), r considerando t 0. Obviamente, em aplicações reais, o cobre tem uma certa espessura. No caso do módulo desenvolvido, a espessura do cobre da camada 1 (por onde trafega os sinais de RF) tem valor igual a 0,035 mm. O efeito de se aumentar a espessura do cobre é equivalente a aumentar a razão u W da h microstrip. Portanto, a correção será feita simplesmente acrescentando certo valor a esta razão. Para um meio homogêneo, de acordo com a referência [23], a correção é mostrada na equação 5.9. u 1 t ln 1 h t h 4e 2 coth 6,517u (5.9)

99 99 Onde e 2,7183 é o número de Euler. Para um meio não homogêneo, como no caso de uma microstrip (circundada pelo substrato e pelo ar), deve-se utilizar a correção mostrada na equação u u 1 1 sec 1 2 r h r (5.10) Por fim, as razões corrigidas são mostradas nas equações 5.11 e u u (5.11) 1 u 1 u u (5.12) r u r Mais uma vez, as unidades da largura (W ), distância ( h ) e espessura (t ) podem ser livremente escolhidas, mas devem ser iguais entre elas. As razões corrigidas ( u e u ), para um meio não homogêneo, devem ser então utilizadas 1 r nas equações de impedância característica e permissividade relativa efetiva, como mostram as equações 5.13 e Z Z L ( ur ) u, t, r ) ( u, ) (5.13) 1 0( r ef r r Z ( 1) L u 1 (,, ) (, ) r u t r r ur r ( ) (5.14) ef ef Z L u 1 r 2 Quando uma onda eletromagnética trafegando encontra uma mudança de impedância, parte do sinal é transmitido e parte do sinal é refletido, como mostra a figura 5.19 [6].

100 100 Figura 5.19 Interface onde ocorre uma mudança de impedância vista por uma onda eletromagnética trafegando. Fica claro que o casamento de impedância em um sistema RF é extremamente importante para eliminar reflexões. Um dos motivos seria para garantir que a máxima potência seja transferida da fonte para a carga. A lei da máxima transferência de potência diz que, dada uma fonte de tensão com uma resistência interna ( R S ), a máxima potência será transferida para a carga quando a resistência da carga for igual à resistência da fonte [7]. Como, na grande maioria dos casos, teremos uma impedância complexa, deve-se também fazer com que a reatância da carga seja cancelada com a reatância da fonte. Matematicamente, se temos uma impedância da fonte Z S R S X S j, a impedância da carga deverá ser Z L R S X S j. Ainda, no caso de uma linha de transmissão eletricamente longa, deve-se também casar a impedância característica da linha com a impedância da fonte e da carga, ou seja, Z 0 R S. Um exemplo de casamento perfeito de impedância é mostrado na figura 5.20 [6].

101 101 Figura 5.20 Exemplo de casamento de impedância entre fonte, linha de transmissão e carga. Outro motivo para o casamento de impedância seria para assegurar que a tensão apropriada, sem distorções, seja transferida da fonte para a carga. Atrasos na propagação do sinal, gerados por uma linha de transmissão eletricamente longa, podem fazer com que as reflexões atinjam a carga, defasadas com o sinal original, resultando em interferência destrutiva. Com isso, a tensão resultante (soma do sinal original com as diversas reflexões na linha), pode se tornar completamente diferente da esperada, resultando em perdas significativas ou no não funcionamento completo do circuito. Percebe-se então que uma falha no casamento de impedância pode se tornar muito grave, principalmente se a linha de transmissão for eletricamente longa. Importante lembrar que as linhas de transmissão podem mudar a impedância das cargas. Para linhas eletricamente curtas, o efeito é desprezível. Mas à medida que se aumenta a linha de transmissão, os efeitos podem se tornar extremamente sérios. O comportamento de uma linha de transmissão muda a cada ¼ do comprimento de onda. A figura 5.21 [6] mostra que, quando o comprimento da linha é menor que ¼ do comprimento de onda, um circuito aberto é visto como uma capacitância e um curto-circuito é visto como uma indutância.

102 102 Figura 5.21 Impedância equivalente para uma linha de transmissão de comprimento terminada em diferentes cargas. Em termos gerais, quando a impedância da carga for maior do que a impedância característica da linha, uma capacitância aparece em paralelo com a carga. Quando a impedância da carga for menor, uma indutância aparece em série com a carga. Por fim, se a impedância da carga for igual à impedância característica da linha, a carga é vista exatamente como ela é. À medida que se aumenta a linha de transmissão de zero para / 4, a reatância vai aumentando até o comprimento atingir exatamente / 4. Neste caso, um circuito aberto será visto como um curto-circuito e um curto-circuito será visto como um circuito aberto, como mostra a figura 5.22 [6].

103 103 Figura 5.22 Impedância equivalente para uma linha de transmissão de comprimento terminada em diferentes cargas. Caso a carga não seja um circuito aberto ou um curto-circuito, a linha de transmissão age como um transformador, transformando a impedância da carga em uma impedância efetiva de valor mostrado na figura. Com o aumento da linha para valores acima de / 4, um circuito aberto é visto como uma indutância e um curto-circuito é visto como uma capacitância, como mostra a figura 5.23 [6].

104 104 Figura 5.23 Impedância equivalente para uma linha de transmissão de comprimento terminada em diferentes cargas. À medida que se aumenta o comprimento da linha de / 4 para / 2, a reatância aumenta até o comprimento atingir exatamente / 2. Neste ponto, a resistência da carga é vista exatamente como ela é. A partir daí, todo o padrão é repetido a cada 1/ 2 do comprimento de onda. Fica claro então que além do casamento de impedâncias, as linhas de transmissão devem ter seu comprimento controlado, dando preferência a linhas eletricamente curtas. Para a maioria das aplicações, os efeitos de linhas de transmissão são desprezíveis para / 20 [6]. A teoria básica de circuitos diz que a corrente percorre sempre o caminho de menor resistência. No caso de circuitos de alta frequência, pode-se dizer que a corrente percorre sempre o caminho de menor impedância. Em qualquer circuito, existe a corrente do sinal e a chamada corrente de retorno, que geralmente flui através do plano terra. Estas correntes

105 105 formam um loop, que por sua vez produz certa indutância. Esta indutância é proporcional à área do loop e gera uma impedância que aumenta com a frequência ( Z 2 fl ) [8]. Portanto, loops com grandes áreas impedem a passagem de corrente em alta frequência. Saber identificar por onde a corrente de retorno irá passar é uma das principais regras para se desenvolver circuitos de alta frequência. Nestes circuitos, a corrente de retorno flui mais facilmente quando seu caminho segue o mais próximo possível do caminho da corrente de sinal, diminuindo a área do loop. A figura 5.24 [8] ilustra esse conceito. Figura 5.24 Comparação dos caminhos tomados pela corrente de retorno em circuitos de baixa e de alta freqüência. Percebe-se que em circuitos de alta frequência, a corrente de retorno flui pelo plano terra, diretamente abaixo da corrente de sinal, enquanto que em circuitos de baixa frequência, a corrente de retorno é espalhada pelo plano terra. Por este motivo, deve-se ter um plano terra o mais sólido possível, logo abaixo da linha por onde trafega o sinal de alta frequência, fazendo com que o loop formado pela corrente de sinal e pela corrente de retorno seja o menor possível, diminuindo a impedância do caminho. Deste modo, a corrente flui sem grande resistência e evita-se também a irradiação não intencional de sinais, pois grandes loops podem se tornar antenas relativamente eficientes. Além disso, os capacitores de desacoplamento devem ser colocados o mais próximo possível dos pinos dos circuitos integrados, com vias individuais para o plano terra,

106 106 minimizando também a área dos loops. Como regra geral, cada capacitor deve ter sua própria via para o plano terra. Outra regra importante que deve ser seguida sempre que possível é desenhar as linhas por onde o sinal de alta frequência vai trafegar em uma camada apenas. Ou seja, não se deve utilizar vias em uma linha de sinal de alta frequência. As vias podem adicionar uma quantidade significativa de indutância na linha, dificultando a passagem da corrente de retorno. Caso seja realmente necessário a mudança de camada da linha de sinal, é sugerido utilizar no máximo duas vias: uma via próxima à fonte e outra via próxima à carga. Além do plano terra na camada 2, as camadas 1 e 4 do módulo desenvolvido também possuem planos terra cobrindo as áreas não utilizadas do circuito impresso e também ao redor das trilhas e etc. Todos estes planos devem ser conectados de uma maneira distribuída através de diversas vias. Existe uma regra que diz que estas vias devem ser colocadas em uma densidade tal que nenhuma via se encontre a uma distância superior a / 20 uma das outras [6]. Isso garante que a corrente de retorno sempre achará um caminho com menor impedância possível. Após estas breves explicações sobre regras gerais de layout de circuitos de alta frequência, será mostrado a seguir como estas regras foram aplicadas ao módulo desenvolvido. Com o auxílio do software MatLab, usando todas as equações já mostradas envolvendo microstrips (mostradas em anexo através das rotinas em MatLab) e recorrendo às características do circuito impresso já comentadas (espessura das camadas, dos cobres, etc), foram montados diversos gráficos, que são mostrados adiante.

107 107 Figura 5.25 Impedância característica versus W/h. Figura 5.26 Permissividade relativa efetiva versus W/h.

108 108 Figura 5.27 Fator Vp versus W/h. Outro dado importante é o comprimento de onda ( ), que é calculado de acordo com a equação c vp (5.15) f Se for utilizado m/s para a velocidade da luz no vácuo ( c ) e Hz para a frequência ( f ), o comprimento de onda ( ) será dado em metros. Nota-se que o comprimento de onda varia de acordo com a frequência e o fator v p. Como v p depende da permissividade relativa efetiva, o comprimento de onda também vai depender das características do meio e das dimensões da microstrip. Portanto, neste caso, para uma frequência central de 2,45 GHz, o seguinte gráfico é mostrado na figura 5.28.

109 109 Figura 5.28 Comprimento de onda (mm) versus W/h. Com as equações calculadas e os gráficos montados, a análise do circuito pode ser iniciada. O primeiro bloco do circuito RF conecta o MC13213 ao PA/LNA CC2591, como mostra a figura Figura 5.29 Layout do primeiro bloco do circuito RF (MC13213 conectado ao CC2591).

110 110 Segundo o datasheet do MC13213, a impedância dos pinos RFIN_P (PAO_P) e RFIN_M (PAO_M) é aproximadamente j. Para o CC2591, a impedância dos pinos RF_P e RF_N é aproximadamente j. Percebe-se que, para evitar reflexões e possíveis perdas, um casamento de impedância entre fonte e carga é necessário. Como foi utilizada apenas uma porta tanto para a transmissão quanto para a recepção (ou seja, em um momento a porta é utilizada como fonte e em outro como carga), o casamento de impedância deve ser um compromisso entre os dois. Para todas as cartas de Smith mostradas a seguir, as impedâncias foram normalizadas por 50. No caso de uma transmissão, onde a porta do MC13213 é a fonte e o CC2591 é a carga, com o auxílio de uma carta de Smith, foi obtido o seguinte resultado, mostrado na figura Figura 5.30 Carta de Smith para o casamento de impedância entre o MC13213 (fonte) e o CC2591 (carga). Neste caso, com a adição de um indutor de 15 nh em paralelo (L1), a impedância da carga vista pela fonte será aproximadamente de j. Ou seja, a resistência da carga será a

111 111 mesma da fonte, com sua reatância sendo cancelada, formando um casamento de impedância quase perfeito. No caso de uma recepção, onde o CC2591 passa a ser a fonte e o MC13213 passa a ser a carga, o seguinte resultado é obtido, mostrado na figura Figura 5.31 Carta de Smith para o casamento de impedância entre o CC2591 (fonte) e o MC13213 (carga). Percebe-se que o indutor de 15 nh em paralelo (L1) também fornece um casamento de impedância praticamente perfeito entre o CC2591 e o MC13213 no caso de uma recepção. Neste caso, a impedância da carga (MC13213) vista pela fonte (CC2591) é de aproximadamente 60,8 167 j, o que é praticamente igual à resistência da fonte, com sua reatância sendo cancelada. Neste caso, a trilha possui largura (W ) de 0,2 mm. A altura ( h ) entre a trilha e o plano terra é de 0,35 mm, ou seja, temos W / h 0,571. Observando o gráfico da figura 5.28, notase um comprimento de onda ( ) aproximado de 71,59 mm. Portanto, a impedância característica da linha que conecta o MC13213 ao CC2591 não precisou ser controlada, pois se trata de uma linha de transmissão eletricamente curta, com apenas 2,75 mm de

112 112 comprimento, ou 0,038. Conforme já foi explicado, a linha pode ser considerada eletricamente curta, pois / 20 ou 0, 05. O segundo bloco do circuito RF conecta o CC2591 ao filtro passa-baixa e posteriormente à antena F ou à antena externa, como mostra a figura Figura 5.32 Layout do segundo bloco do circuito RF (CC2591, filtro passa-baixa e antena). O pino ANT do CC2591 possui uma impedância aproximada de j. Tanto a antena F, quanto o conector SMA para a antena externa possuem impedância puramente resistiva de 50. Com o auxílio de ferramentas computacionais e do suporte técnico da Texas Instruments, o filtro passa-baixa foi desenvolvido para ter uma frequência de corte aproximada de 4,5 GHz e simultaneamente realizar o casamento de impedância entre o CC2591 e a antena. Para a transmissão, onde o CC2591 é a fonte e a antena é a carga, o casamento de impedância é mostrado na figura 5.33.

113 113 Figura 5.33 Carta de Smith para o casamento de impedância entre o CC2591 (fonte) e a antena (carga). Nota-se que os componentes que formam o filtro transformam a impedância da carga para 36,8 20,5 j, igualando à resistência da fonte e cancelando sua reatância, mantendo-se dentro do círculo de VSWR < 2. No caso, foi obtido VSWR = 1,75. No caso de uma recepção, onde a antena se torna a fonte e o CC2591 se torna a carga, o resultado obtido é mostrado na figura 5.34.

114 114 Figura 5.34 Carta de Smith para o casamento de impedância entre a antena (fonte) e o CC2591 (carga). Neste caso, os componentes que formam o filtro passa-baixa transformam a impedância da carga (CC2591) para aproximadamente 51 2,4 j, praticamente igualando à resistência da fonte (antena), de 50. Nota-se também um VSWR muito baixo, aproximadamente igual a 1,05. A linha de transmissão que conecta estas etapas do circuito RF agora não pode ser considerada eletricamente curta e deve ter sua impedância característica igual à impedância da antena, ou seja, 50. Observando o gráfico mostrado na figura 5.25, para se obter uma microstrip de impedância característica igual a 50, deve-se ter W / h 1,814. Como a altura ( h ) é fixa e com valor igual a 0,35 mm, é obtido uma largura (W ) de 0,635 mm, como mostra a figura 5.35.

115 115 Figura 5.35 Trilha de 0,635 mm de largura (50 ohms) usada para conectar o CC2591 à antena F ou à antena externa. Apenas para confirmar que esta microstrip não pode ser considerada uma linha de transmissão eletricamente curta, o gráfico da figura 5.28 deve ser observado. Para W / h 1,814, o comprimento de onda será de aproximadamente 68 mm. Se for utilizada a antena F, o comprimento da linha será de 12 mm, ou 0,177. Se for utilizada a antena externa, o comprimento se torna ainda maior, com 23 mm, ou 0,338. Um cuidado que deve ser tomado é o fato de que as trilhas ligadas aos pinos AVDD_PA1, AVDD_PA2 e AVDD_LNA do chip CC2591 devem ter sua indutância controlada, pois afetam consideravelmente a frequência de ressonância do PA e do LNA. A Texas Instruments recomenda os valores aproximados de 0,4 nh, 0,4 nh e 2,52 nh, respectivamente. Segundo a referência [37], para o cálculo da indutância de uma microstrip é utilizada a equação l W h L( W, h, l) 5,08 l ln 0,5 0, 2235 (5.16) W h l

116 116 Neste caso, W, h e l devem ser expressos em polegadas e a indutância será dada em nh. Uma polegada equivale a 25,4 mm. Com isso, chegam-se aos valores de comprimento e largura das trilhas para se obter as indutâncias desejadas, como mostram os gráficos nas figuras 5.36 e 5.37 e a tabela 5.3. Figura 5.36 Indutância (nh) versus Comprimento da trilha (mm) para uma largura W=0,2mm.

117 117 Figura 5.37 Indutância (nh) versus Comprimento da trilha (mm) para uma largura W=0,36mm. Tabela 5.3 Comprimento e largura das trilhas ligadas aos pinos AVDD_PA1, AVDD_PA2 e AVDD_LNA do CC2591. Comprimento Largura da Indutância da Pino da trilha (mm) trilha (mm) trilha (nh) AVDD_PA1 1,1 0,36 0,4 AVDD_PA2 1 0,2 0,4 AVDD_LNA 3,95 0,2 2,52 O layout das respectivas trilhas é apresentado na figura 5.38.

118 118 Figura 5.38 Layout das trilhas conectadas aos pinos AVDD_PA1, AVDD_PA2 e AVDD_LNA do CC Fabricação e montagem da PCI Com o layout concluído, foi iniciada uma pesquisa por empresas capacitadas para a fabricação de um circuito impresso deste nível. Três foram pré-selecionadas e, após algumas visitas, trocas de informações e com os orçamentos em mãos, ficou decidido que a empresa Micropress seria a mais adequada para o serviço. O circuito impresso foi então fabricado, como mostra a figura 5.39.

119 119 Figura 5.39 Placa de circuito impresso do módulo, ainda sem os componentes. A própria Micropress realiza um teste elétrico, verificando possíveis curtos ou falhas nas trilhas da PCI, porém, mesmo assim, foram realizados testes nos pontos mais críticos do circuito, não sendo constatados erros. Com isso, a PCI estava pronta para ser montada. Os componentes foram importados e alguns aparelhos para soldagem foram adquiridos, como uma estação de re-trabalho para SMD com soprador térmico, uma estação de solda com controle de temperatura do ferro, além de solda, fluxo e etc. Os aparelhos e materiais são mostrados na figura Figura 5.40 Aparelhos e materiais utilizados para a soldagem dos componentes.

120 120 Após algum treino para adquirir habilidade com a soldagem de componentes deste nível, as placas foram montadas sem maiores problemas, como mostra a figura Figura 5.41 Módulo pronto, com todos os componentes montados.

121 121 6 Rede ZigBee para o monitoramento remoto do consumo de água para o Aeroporto Internacional de São Paulo (Projeto Hidroaer) Com o módulo ZigBee desenvolvido, testado e aprovado, a implantação da rede no Aeroporto Internacional de São Paulo foi iniciada. Várias dificuldades foram enfrentadas, tanto na parte técnica quanto na burocracia encontrada, por se tratar de um dos mais movimentados aeroportos do Brasil. Ao longo deste capítulo, estas dificuldades serão relatadas, assim como as soluções encontradas. 6.1 Proposta do projeto e suas vantagens O projeto Hidroaer é uma iniciativa que visa o uso eficiente da água a partir de novas tecnologias para a gestão e o reuso, aplicadas a uma planta aeroportuária. O aeroporto escolhido foi o Aeroporto Internacional de São Paulo (AISP), localizado em Guarulhos. A iniciativa compreende o diagnóstico preciso do uso da água, a partir do monitoramento remoto do consumo, além do teste de metodologias de uso eficiente da água, incluindo o reuso (tratamento com ozônio) e avaliação da possibilidade de aplicação da instalação piloto para toda a planta do aeroporto e em situações similares em todo o Brasil. O projeto envolve diversas divisões acadêmicas do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) divisões de engenharia civil, eletrônica e de computação além de contar com a participação de profissionais da Universidade de São Paulo (USP/Leste) e do Instituto de Ciências Aplicadas do Vale do Paraíba (ICAVP). Após os acertos iniciais com a Infraero, ficou decidido que a instalação da rede seria realizada em um conjunto de sanitários localizado na Asa D do AISP. Seriam então instalados hidrômetros e módulos ZigBee no sanitário masculino e feminino, masculino e feminino para deficientes e masculino e feminino infantil. A figura 6.1 ilustra a planta destes sanitários.

122 122 Figura 6.1 Planta do conjunto de sanitários localizado na Asa D do AISP. Com o projeto já em andamento, uma nova proposta foi apresentada. Além do monitoramento remoto do consumo de água, a rede passaria a monitorar também o número de pessoas que acionaram cada lavatório, mictório, válvulas de descarga e também o número de pessoas que entraram nos sanitários (excluindo os sanitários para deficientes e infantil). Com isso, além da instalação dos hidrômetros (fornecidos pela LAO Indústria), sensores para a contagem de pessoas foram instalados em cada metal sanitário (fornecidos pela Docol) e sensores infravermelhos foram instalados na entrada do sanitário masculino e também do feminino para realizar a contagem das pessoas. Com isso, foram instalados 13 hidrômetros, cada um com seu módulo ZigBee acoplado, além de mais 5 módulos para monitorar o acionamento dos metais sanitários e a contagem de pessoas. A planta completa dos sanitários, indicando o que cada hidrômetro monitora e também sua localização estão separadas em anexo, assim como a distribuição dos módulos que recebem os sinais dos metais sanitários e dos sensores infravermelhos. O projeto foi dividido em fases, onde a primeira fase consiste em monitorar os dados durante 15 dias utilizando as tecnologias de metais sanitários existentes, sem nenhum ajuste. A segunda fase consiste em ajustar os lavatórios, mictórios e válvulas de descargas para uma

123 123 vazão ótima e realizar o monitoramento também durante 15 dias. Para a terceira fase, alguns aparelhos economizadores (como kit redutor de tempo nos lavatórios, válvulas de duplo acionamento, etc) serão instalados e monitorados durante 15 dias. Por fim, durante a quarta e última fase, torneiras eletrônicas e válvulas eletrônicas serão instaladas, substituindo as convencionais, assim como uma nova válvula eletrônica para os mictórios (protótipo da Docol), baseado em lógica Fuzzy também será instalada e monitorada durante 15 dias. Fica claro que monitorando todos estes dados, um estudo logístico completo poderá ser feito, comparando as diversas tecnologias consideradas economizadoras e verificando sua real eficiência. Além disso, diversos dados como consumo médio de água por pessoa, perfil de consumo em determinadas épocas, prováveis vazamentos e várias outras observações serão realizadas, podendo servir de base para um controle efetivo do consumo de água, gerando economias consideráveis. 6.2 Hardwares e aparelhos utilizados Módulos ZigBee Foram utilizados ao todo 22 módulos ZigBee. Destes, 13 foram acoplados aos hidrômetros (end devices), 5 foram distribuídos dentro dos sanitários e recebem os sinais provenientes dos sensores conectados aos metais sanitários e também dos sensores infravermelhos (também end devices), 3 foram utilizados apenas como roteadores para levar o sinal à central remota e 1 módulo realiza o papel de coordenador da rede e fica conectado ao PC (central remota).

124 Hidrômetros com saída pulsada Após uma pesquisa e consulta com os principais fabricantes de hidrômetros, como Actaris, Sensus e LAO, ficou acertado que a LAO Indústria forneceria os hidrômetros para o projeto. Estes hidrômetros possuem uma saída que gera pulsos a cada x litros de água. Estes pulsos são lidos pelo módulo ZigBee e o volume de água que circulou em um determinado período é então calculado. A tabela 6.1 apresenta a relação de todos os hidrômetros utilizados no projeto. Tabela 6.1 Relação dos hidrômetros utilizados no projeto Hidroaer. Medidor Medição Local Modelo Bitola Q máx. Saída H1 Geral Woltmann 2 35 m³/h 1 litro/pls H2 5 Mictórios Sanitário Masculino Volumétrico 3/4 3 m³/h 0,01 litros/pls H3 5 Lavatórios Sanitário Masculino Volumétrico 3/4 3 m³/h 0,01 litros/pls H4 1 Lavatório Sanitário Masculino Volumétrico 3/4 3 m³/h 0,01 litros/pls H5 1 Torneira de lavagem Sanitário Masculino Volumétrico 3/4 3 m³/h 0,01 litros/pls H6 2 Lavatórios Sanitário Infantil Masculino Volumétrico 1 7 m³/h 0,01 litros/pls H7 6 Bacias sanitárias Sanitário Masc., Infantil Masc. e Deficiente Masc. Multijato 1 1/2 20 m³/h 1 litro/pls H8 2 Bebedouros Volumétrico 3/4 3 m³/h 0,01 litros/pls H9 1 Torneira de lavagem Sanitário Feminino Volumétrico 3/4 3 m³/h 0,01 litros/pls H10 1 Lavatório Sanitário Feminino Volumétrico 3/4 3 m³/h 0,01 litros/pls H11 5 Lavatórios Sanitário Feminino Volumétrico 3/4 3 m³/h 0,01 litros/pls H12 8 Bacias sanitárias Sanitário Fem., Infantil Fem. e Deficiente Fem. Multijato 2 30 m³/h 1 litro/pls H13 1 Lavatório Sanitário Feminino Volumétrico 1 7 m³/h 0,01 litros/pls

125 Sensores para metais sanitários Torneiras, mictórios e lavatórios do conjunto de sanitários escolhido para o projeto são fabricados pela Docol, que se prontificou a fornecer e instalar os sensores para realizar a contagem de pessoas que acionaram estes aparelhos. Estes sensores geram pulsos a cada acionamento. Para evitar que dois ou mais pulsos sejam gerados por uma mesma pessoa, uma lógica de 5 segundos entre pulsos foi introduzida aos sensores. Ou seja, somente após 5 segundos do pulso anterior, o próximo pulso poderá ser gerado Sensores infravermelhos Para realizar a contagem de pessoas que entram nos sanitários, dois sensores infravermelhos foram instalados na entrada do sanitário masculino e também do feminino. Estes sensores foram adquiridos da Siemens e seu funcionamento é muito simples. Em um lado da entrada do sanitário é instalado o sensor e do outro lado um pequeno espelho que reflete o raio infravermelho de volta ao sensor. Quando este raio é cortado por uma pessoa que está entrando no sanitário, o sensor percebe este corte e gera um pulso em sua saída. Este pulso é então lido pelo módulo, que também possui uma lógica de tempo entre pulsos (1 segundo) Central remota Para a central remota, um PC foi adquirido com as seguintes especificações: - Processador Intel Core 2 Duo (2.20 GHz, 1 MB L2 Cache);

126 126 - Memória 2 GB DDR2 800 MHz; - Disco rígido SATA de 250 GB; - Monitor de 15 polegadas; - Sistema Operacional Windows Vista Home Basic. O software desenvolvido para o projeto Hidroaer fica residente neste PC e é responsável por toda a parte gráfica, assim como o processamento e armazenamento dos dados recebidos. O coordenador da rede fica conectado a esta central remota. 6.3 Planejamento da rede (Site Survey) Para determinar o local dos roteadores, um Site Survey foi realizado para identificar possíveis locais com perdas significativas de sinal. Como se trata de um dos aeroportos mais movimentados do país, a prioridade foi de sempre tentar aproveitar a infra-estrutura existente (por exemplo, as tomadas já existentes no terminal) e instalar os roteadores em locais de fácil acesso, onde futuras manutenções poderão ser feitas sem necessidade de interdição do local. Com isso, um compromisso entre melhor local e melhor sinal teve que ser obtido. Como se trata apenas de um piloto em uma área relativamente pequena, o Site Survey consistiu basicamente em andar pelo local identificando pontos cegos ou com baixa qualidade de sinal e possíveis interferências de outros equipamentos de radiofrequência, utilizando um analisador de rede proveniente do kit de desenvolvimento da Freescale. Este analisador é mostrado na figura 6.2.

127 127 Figura 6.2 Analisador de rede ZigBee disponível no kit da Freescale. Foram identificados 3 pontos ideais para os roteadores. Um dos pontos ficou localizado em uma coluna no próprio terminal de passageiros. Outro roteador foi instalado no andar superior (onde fica a central remota) e mais um próximo ao coordenador, já no corredor onde fica a sala com a central remota. Todos os end devices ficam dentro do alcance dos dois primeiros roteadores, formando então uma redundância para o caso da falha de um dos roteadores. 6.4 Rede desenvolvida para o projeto Hidroaer A rede desenvolvida para o projeto Hidroaer opera em 2.4 GHz e utiliza a topologia cluster tree. A figura 6.3 apresenta a topologia escolhida, com a associação realizada entre os dispositivos.

128 128 Figura 6.3 Topologia da rede desenvolvida para o projeto Hidroaer. A rede é composta por um coordenador, responsável por receber os dados enviados por end devices (dispositivos responsáveis por coletar os dados e transmiti-los) e roteadores (responsáveis pelo roteamento das mensagens, possibilitando a extensão da área da rede). Os dados são enviados pelo coordenador via USB para um PC (central remota). Os dados coletados e enviados são diversos (para controle e manutenção da rede) e serão detalhados posteriormente. Nesta rede, existe o conceito de pai-filho entre os dispositivos. A rede é formada, como sempre, pelo coordenador da rede. Quando um novo dispositivo (end device ou roteador) se associa ao coordenador, ele se torna filho do coordenador e este se torna pai do novo dispositivo. Caso um segundo dispositivo entre em alcance do primeiro (e podendo ou não estar dentro do alcance do coordenador), este segundo dispositivo pode se associar à rede como filho do primeiro. Os dispositivos associados podem ter vários filhos (e vários netos ), mas apenas um pai. A figura 6.4 apresenta a estrutura de uma rede cluster tree e as relações pai-filho.

129 129 Figura 6.4 Rede cluster-tree e as relações pai-filho Roteamento para a topologia cluster tree Como na topologia cluster tree os dispositivos tem condições de saber os enlaces que estão em sua área, o roteamento neste tipo de rede se torna muito simples e eficiente. A figura 6.5 mostra um algoritmo de roteamento para este tipo de rede. Figura 6.5 Roteamento para redes do tipo cluster tree.

130 130 O algoritmo assume que os dispositivos devem armazenar uma tabela de roteamento. Segundo este algoritmo, primeiro o dispositivo deve checar se existe alguma informação do dispositivo de destino em sua tabela. Caso exista, a mensagem é transmitida diretamente para o destino. Caso não exista, a mensagem é transmitida para o pai do dispositivo fonte, que, por sua vez, está mais próximo do coordenador e deve ter informação adicional sobre o roteamento da rede. Uma vantagem das redes do tipo cluster tree é o tamanho reduzido das tabelas de roteamento, pois destinos não encontrados na tabela ainda podem ser roteados através do pai do dispositivo. Uma tabela de roteamento reduzida significa redução na memória dos dispositivos, o que se tornou fator decisivo para a escolha da topologia da rede Operação básica da rede e estrutura dos pacotes Os fluxogramas que serão mostrados adiante mostram uma visão básica e geral da operação de cada dispositivo pertencente à rede. Detalhes específicos e mais complexos foram omitidos por questões práticas e para obter uma visão mais clara de toda a operação. O fluxograma contendo a operação básica do coordenador da rede é mostrado na figura 6.6.

131 131 Figura 6.6 Fluxograma contendo a operação básica do coordenador da rede. A figura 6.7 mostra o fluxograma contendo a operação básica dos end devices.

132 132 Figura 6.7 Fluxograma contendo a operação básica do end device. A operação básica dos roteadores é mostrada na figura 6.8.

133 133 Figura 6.8 Fluxograma contendo a operação básica dos roteadores. Nota-se que os roteadores não devem ser alimentados com baterias, já que não possuem capacidade para operar no estado dormindo. Suas baterias se esgotariam em poucos dias, portanto uma alimentação AC deve ser providenciada. A rede foi projetada para operar praticamente sem intervenção humana, com capacidade de se re-organizar automaticamente em diversos eventos de falhas, como enlaces quebrados, queda de energia do coordenador ou roteadores etc. Os módulos conectados aos hidrômetros possuem um sistema de gerenciamento de energia otimizado, com capacidade para operar com baterias comuns por até 5 anos, dependendo da frequência de envio dos dados. No caso do projeto Hidroaer, as informações são enviadas de hora em hora, portanto 2 pilhas AA durariam aproximadamente 1 ano. As informações de nível de tensão das baterias também são enviadas à central, tornando possível a geração de alarmes quando o nível estiver crítico. Diversos pacotes são trocados entre os end devices e o coordenador, assim como entre o coordenador e a central remota. Estes pacotes serão detalhados a seguir.

134 134 Para os módulos conectados aos hidrômetros, o pacote que indica o consumo de água é enviado de hora em hora pelo end device ao coordenador. São enviados 11 bytes em cada pacote, como mostrado na figura 6.9. Ident. do pacote Ident. do dispositivo Informações adicionais Qtde. pulsos Reservado Figura 6.9 Pacote enviado pelo end device ao coordenador contendo as informações de consumo de água. Identificação do pacote (bytes 1 e 2): Este campo contém o valor 0xADAE e é utilizado para identificar o tipo de pacote. Identificação do dispositivo (bytes 3 e 4): Cada dispositivo possui um Id. único e invariável. Este campo varia entre os valores 0x0001 e 0xFFFF. Utilizado para identificar precisamente o dispositivo que originou a mensagem (dispositivo fonte). Informações adicionais (bytes 5 e 6): O byte 5 contém informações a respeito do nível de tensão das baterias do dispositivo fonte. O byte 6 contém informação sobre fraude magnética do sensor do hidrômetro (depende da capacidade do hidrômetro em relatar esse tipo de informação). Qtde. pulsos (bytes 7, 8, 9 e 10): Pulsos gerados pelo hidrômetro durante determinada hora. Utilizado para o cálculo do consumo, de acordo com a relação de saída de cada hidrômetro (pulsos/litro). Reservado (byte 11): Este campo foi utilizado para realizar alguns testes e ficou reservado para futuras aplicações. Os dados são recebidos pelo coordenador, validados e enviados pela interface USB para a central remota. O pacote enviado para a central via USB contendo as informações do consumo de água é mostrado na figura 6.10.

135 135 Ident. do pacote Ident. do dispositivo End. Rede Informações adicionais Qtde. Pulsos Reservado Final do pacote Figura 6.10 Pacote enviado pelo coordenador à central remota via USB, contendo informações do consumo de água. Identificação do pacote (bytes 1 e 2): Este campo contém o valor 0xADAE e é utilizado para identificar o tipo de pacote. Identificação do dispositivo (bytes 3 e 4): Cada dispositivo possui um Id. único e invariável. Este campo varia entre os valores 0x0001 e 0xFFFF. Utilizado para identificar precisamente o dispositivo que originou a mensagem (dispositivo fonte). End. Rede (bytes 5 e 6): Cada dispositivo possui um endereço na rede que pode variar de acordo com a necessidade. Utilizado para gerenciar as mensagens entre os dispositivos. Informações adicionais (bytes 7, 8 e 9): O byte 7 contém informações a respeito da qualidade do enlace, chamado de link quality indicator (LQI). Com essa informação, é possível verificar a qualidade de todos os enlaces da rede, possibilitando um novo dimensionamento da rede caso necessário. O byte 8 contém informações a respeito do nível de tensão das baterias do dispositivo fonte. O byte 9 contém informação sobre fraude magnética do sensor do hidrômetro (depende da capacidade do hidrômetro em relatar esse tipo de informação). Qtde. pulsos (bytes 10, 11, 12 e 13): Pulsos gerados pelo hidrômetro durante determinada hora. Utilizado para o cálculo do consumo, de acordo com a relação de saída de cada hidrômetro (pulsos/litro). Reservado (byte 14): Este campo foi utilizado para realizar alguns testes e ficou reservado para futuras aplicações. Final do pacote (bytes 15 e 16): Este campo contém o valor 0xBF0E e é utilizado para identificar o final do pacote.

136 136 Para os módulos conectados aos metais sanitários, o pacote que informa o número de pessoas que utilizaram determinado aparelho é enviado de 10 em 10 minutos pelo end device ao coordenador. São enviados 21 bytes em cada pacote, como mostrado na figura Ident. do Ident. do Nível de pacote dispositivo tensão Qtde. Pulsos em cada entrada do uc Reservado Figura 6.11 Pacote enviado pelo end device ao coordenador contendo informações do número de pessoas que acionaram determinado metal sanitário. Identificação do pacote (bytes 1 e 2): Este campo contém o valor 0xAF91 e é utilizado para identificar o tipo de pacote. Identificação do dispositivo (bytes 3 e 4): Cada dispositivo possui um Id. único e invariável. Este campo varia entre os valores 0x0001 e 0xFFFF. Utilizado para identificar precisamente o dispositivo que originou a mensagem (dispositivo fonte). Nível de tensão (byte 5): Contém informações a respeito do nível de tensão das baterias do dispositivo fonte. Qtde. pulsos em cada entrada do microcontrolador (bytes 6 ao 20): Pulsos gerados pelos metais sanitários conectados em cada entrada do microcontrolador durante os 10 minutos passados. Indica o número de pessoas que utilizaram cada aparelho. Reservado (byte 21): Este campo foi utilizado para realizar alguns testes e ficou reservado para futuras aplicações. Os dados são recebidos pelo coordenador, validados e enviados pela interface USB para a central remota. O pacote enviado para a central via USB, contendo as informações do número de pessoas que acionaram determinado metal sanitário é mostrado na figura 6.12.

137 137 Ident. Ident. do End. Inf. Qtde. Pulsos em cada entrada do uc Reservado Final do pacote dispositivo Rede Adicionais pacote , 10, 11, 12, Figura 6.12 Pacote enviado pelo coordenador à central remota via USB, contendo informações do número de pessoas que acionaram determinado metal sanitário. Identificação do pacote (bytes 1 e 2): Este campo contém o valor 0xAF91 e é utilizado para identificar o tipo de pacote. Identificação do dispositivo (bytes 3 e 4): Cada dispositivo possui um Id. único e invariável. Este campo varia entre os valores 0x0001 e 0xFFFF. Utilizado para identificar precisamente o dispositivo que originou a mensagem (dispositivo fonte). End. Rede (bytes 5 e 6): Cada dispositivo possui um endereço na rede que pode variar de acordo com a necessidade. Utilizado para gerenciar as mensagens entre os dispositivos. Informações adicionais (bytes 7 e 8): O byte 7 contém informações a respeito da qualidade do enlace, chamado de link quality indicator (LQI). Com essa informação, é possível verificar a qualidade de todos os enlaces da rede, possibilitando um novo dimensionamento da rede caso necessário. O byte 8 contém informações a respeito do nível de tensão das baterias do dispositivo fonte. Qtde. pulsos em cada entrada do microcontrolador (bytes 9 ao 23): Pulsos gerados pelos metais sanitários conectados em cada entrada do microcontrolador durante os 10 minutos passados. Indica o número de pessoas que utilizaram cada aparelho. Reservado (byte 24): Este campo foi utilizado para realizar alguns testes e ficou reservado para futuras aplicações. Final do pacote (bytes 25 e 26): Este campo contém o valor 0xE430 e é utilizado para identificar o final do pacote.

138 138 Estes pacotes são analisados pelo software residente na central remota e, com essas informações, os dados são apresentados ao usuário em forma de gráficos, tabelas, desenhos e etc. Os dados coletados pelos end devices, além de enviados para o coordenador, são armazenados localmente em uma memória, com a data (hh:mm:ss, dd/mm/aaaa) de cada evento. O relógio e o calendário dos módulos são atualizados regularmente pelo coordenador da rede, que por sua vez possui um relógio interno que também é atualizado regularmente pela central remota. Em caso de falha no coordenador, os módulos ativam seu relógio interno e continuam a funcionar normalmente, gravando os dados em sua memória, com a respectiva data, sem perda de dados. Com a volta do coordenador, este poderá solicitar aos módulos os dados contidos em sua memória. O pacote enviado pela central remota para a atualização do calendário do coordenador é mostrado na figura Ident. do pacote hh:mm:ss dd/mm/aaaa Final pacote Figura 6.13 Pacote enviado pela central remota ao coordenador para atualização do calendário. Identificação do pacote (bytes 1 e 2): Este campo contém o valor 0x3F54 e é utilizado para identificar o tipo de pacote. hh:mm:ss (bytes 3, 4 e 5): O byte 3 contém o valor atual das horas. O byte 4 contém o valor atual dos minutos e o byte 5 o valor atual dos segundos. dd/mm/aaaa (bytes 6, 7, 8 e 9): O byte 6 contém o dia atual. O byte 7 contém o mês atual e os bytes 8 e 9 contêm o valor do ano atual. Final pacote (byte 10): Utilizado para indicar o final do pacote, contendo o valor 0x40.

139 139 Outro pacote que poderá ser enviado ao coordenador pela central é o pacote solicitando um reset a algum dispositivo. Alguns eventos poderão ser tratados simplesmente com a requisição de um reset ao dispositivo (ex: por algum erro, o coordenador associou o mesmo endereço de rede para dois dispositivos diferentes). O pacote de reset é mostrado na figura Ident. do pacote Ident. do dispositivo Final pacote Figura 6.14 Pacote enviado pela central remota ao coordenador, solicitando reset de algum dispositivo. Identificação do pacote (bytes 1 e 2): Este campo contém o valor 0x3F52 e é utilizado para identificar o tipo de pacote. Identificação do dispositivo (bytes 3 e 4): Cada dispositivo possui um Id. único e invariável. Este campo varia entre os valores 0x0001 e 0xFFFF. Utilizado para identificar precisamente o dispositivo que deverá iniciar o processo de reset, que consiste basicamente em realizar um pedido de re-associação à rede. Final pacote (byte 5): Utilizado para indicar o final do pacote, contendo o valor 0x40. Como comentado anteriormente, os end devices possuem um gerenciamento de energia otimizado, tornando possível a operação com baterias comuns por grandes períodos de tempo. Para isso, os dispositivos permanecem dormindo até a ocorrência de algum evento, como a geração de um pulso pelo hidrômetro. O dispositivo então acorda, mas ainda permanece com seu rádio desligado e apenas armazena a informação deste pulso. Após um determinado período de tempo (1 hora no caso do Hidroaer), o end device acorda, liga seu rádio e envia um pacote ao coordenador. Aproveitando o fato de estar acordado, o coordenador então

140 140 envia um pacote ao end device, contendo a atualização do calendário e informações adicionais (se o dispositivo deve iniciar o procedimento de reset, enviar os dados de sua memória, etc). Este pacote é mostrado na figura Ident. do pacote hh:mm:ss dd/mm/aaaa Informações adicionais Figura 6.15 Pacote enviado pelo coordenador ao end device para atualização do calendário e informações adicionais. Identificação do pacote (bytes 1 e 2): Este campo contém o valor 0xCAED e é utilizado para identificar o tipo de pacote. hh:mm:ss (bytes 3, 4 e 5): O byte 3 contém o valor atual das horas. O byte 4 contém o valor atual dos minutos e o byte 5 o valor atual dos segundos. dd/mm/aaaa (bytes 6, 7, 8 e 9): O byte 6 contém o dia atual. O byte 7 contém o mês atual e os bytes 8 e 9 contêm o valor do ano atual. Informações adicionais (bytes 10, 11, 12, 13 e 14): O byte 10 indica se o relógio do coordenador está confiável, ou seja, se o coordenador recebeu ao menos uma atualização da central após ser ligado (valor 0x01 para confiável e 0x00 para não confiável). O byte 11 indica se o respectivo end device deve iniciar o procedimento de reset (0x01 para reset e 0x00 para não reset). O byte 12 informa ao end device se este deve enviar todas as informações contidas em sua memória (dados não recebidos por falha no coordenador ou software desligado na central, etc.). O byte 13 indica se o end device deve enviar os dados de sua memória a partir do último dado lido. Por fim, o byte 14 indica se o end device deve apagar todos os dados de sua memória. Como comentado anteriormente, os módulos são capazes de armazenar os dados localmente em sua memória. Para os módulos conectados aos hidrômetros, os dados são

141 141 armazenados de hora em hora. Com isso, tem-se um armazenamento de 150 dias. Para os módulos conectados aos metais sanitários, os dados são armazenados de 10 em 10 minutos, gerando um armazenamento total de 10 dias. Com a memória cheia, os dados mais antigos são sobrepostos pelos dados mais recentes. Os pacotes contendo os dados armazenados localmente são enviados pelos end devices ao coordenador sempre que solicitado. Como a quantidade de bytes é muito grande, diversos pacotes são enviados em seqüência. A estrutura destes pacotes é mostrada na figura Ident. pacote Ident. do dispositivo Pacotes Totais Pacote atual dd/mm/aaaa, hh:mm, dados Byte 9 ao 88 (hidrômetros) Byte 9 ao 92 (metais sanitários) Figura 6.16 Pacote enviado pelo end device ao coordenador, contendo os dados armazenados localmente em sua memória. Identificação do pacote (bytes 1 e 2): Este campo contém o valor 0x674A (para dados dos módulos conectados aos hidrômetros) e 0x35DA (para dados dos módulos conectados aos metais sanitários) e é utilizado para identificar o tipo de pacote. Identificação do dispositivo (bytes 3 e 4): Cada dispositivo possui um Id. único e invariável. Este campo varia entre os valores 0x0001 e 0xFFFF. Utilizado para identificar precisamente o dispositivo que originou a mensagem (dispositivo fonte). Pacotes totais (bytes 5 e 6): Indica o número total de pacotes que serão enviados. Este número, obviamente, varia de acordo com a quantidade de dados gravados na memória do dispositivo. Com isso, o software residente na central remota pode verificar se todos os pacotes foram recebidos ou se ocorreu alguma perda durante a seqüência de envio. Pacote atual (bytes 7 e 8): Este campo contém o número do pacote atual e é incrementado a cada pacote enviado. O software residente na central deve verificar se os pacotes estão sendo recebidos em seqüência e comparar o último pacote com o número

142 142 marcado no campo Pacotes totais, garantindo assim que todos os pacotes foram recebidos corretamente. dd/mm/aaaa, hh:mm, dados (bytes 9 ao 88 para hidrômetros e bytes 9 ao 92 para metais sanitários): Os dados propriamente ditos estão contidos nestes campos. A formatação é a seguinte: dia (1 byte), mês (1 byte), ano (2 bytes), hora (1 byte), minuto (1 byte) e logo a seguir os dados de consumo de água (4 bytes) ou dados de contagem de pessoas (15 bytes). Para módulos conectados aos hidrômetros, este campo contém 80 bytes, ou seja, 8 dados completos são enviados em cada pacote. Para módulos conectados aos metais sanitários, este campo contém 84 bytes, ou seja, 4 dados completos são enviados em cada pacote. O coordenador recebe estes dados e os transmite via USB para a central remota, adicionando 2 bytes ao final do pacote (0xE971 para hidrômetros e 0x2309 para metais sanitários), usados para sinalizar o fim do pacote. 6.5 Desenvolvimento dos softwares O software embarcado foi desenvolvido em linguagem C, utilizando o IDE CodeWarrior, com uma licença de 1 ano disponibilizada pela Freescale. A pilha ZigBee foi também fornecida pela Freescale. Infelizmente, esta pilha continha alguns erros que foram identificados e corrigidos com o tempo. A versão da pilha ZigBee utilizada no projeto foi a 2.0. Atualmente, esta pilha já se encontra na versão 3.05, com diversas atualizações. Porém, o chip utilizado (MC13213) não possui memória suficiente para esta versão. Uma placa utilizando a nova geração de chips ZigBee da Freescale (MC13224) já foi desenvolvida e se encontra em testes.

143 143 O software residente na central remota foi desenvolvido por Alex Lage de Morais, atualmente mestrando no ITA. A linguagem utilizada foi o Java. As figuras 6.17, 6.18, 6.19 e 6.20 mostram algumas telas deste software. Figura 6.17 Tela principal mostrando o sanitário masculino.

144 144 Figura 6.18 Tela principal mostrando o sanitário feminino. Figura 6.19 Tela apresentando um tipo possível de gráfico para o consumo de água.

145 145 Figura 6.20 Tela mostrando o relatório gerado. 6.6 Implantação da rede ZigBee Após várias reuniões e conferências com os membros do projeto para decidir local, cronograma, quantidade de pontos a serem monitorados e diversas outras coisas, a instalação dos hidrômetros foi iniciada em abril de A burocracia enfrentada para, por exemplo, acesso a estacionamentos, horários permitidos para a interdição dos sanitários e etc foi muito grande e desmotivadora. Porém, com algum esforço e várias reuniões, as instalações foram bem sucedidas. Os trabalhos eram realizados durante a madrugada, horário em que o movimento no aeroporto se torna bem menor. Os 13 hidrômetros foram instalados após 2 semanas de trabalho. A LAO Indústria se prontificou a instalar os seus data loggers para realizar também a medição do consumo de água, para posterior comparação com os dados colhidos da rede

146 146 ZigBee. Aproveitando o fato dos data loggers já possuírem baterias em 3.3V, os módulos ZigBee foram alimentados utilizando estas baterias existentes. Com a instalação dos hidrômetros finalizada, os módulos começaram a ser instalados em paralelo com os sensores dos metais sanitários. Equipes da Docol realizaram a instalação dos sensores. Após algumas reuniões e conversas com a Infraero, foi liberado o horário comercial para os trabalhos. Os sanitários eram interditados aproximadamente entre 9 da manhã e 5 da tarde. Com todos os sensores instalados, os cabos começaram a ser puxados para conexão com os módulos ZigBee, que estavam distribuídos dentro dos sanitários. Este foi um trabalho pesado, com diversas dificuldades encontradas, como tubos lotados sem condições de passagem de cabos adicionais, passagens obstruídas, etc. Após a passagem de todos os cabos, os conectores foram feitos e a conexão com os módulos foi realizada. Aproveitando o fato dos sensores Docol possuírem fontes de 9V, os módulos foram alimentados com estas fontes, que tinham capacidade de corrente muito superior aos equipamentos conectados. Com isso, a rede estava pronta para entrar em funcionamento. Porém, a Infraero demorou muito para tomar uma decisão sobre qual sala ficaria a central remota. Com isso, a rede começou a funcionar apenas localmente, sendo necessária uma visita ao aeroporto a cada 10 dias (tempo de armazenamento máximo dos módulos conectados aos metais sanitários) para coleta dos dados. O coordenador era levado então próximo aos sanitários e o pedido dos dados da memória de todos os dispositivos era realizado. Durante os 2 primeiros meses, a rede foi observada e diversas atualizações foram feitas, principalmente para corrigir erros da versão 2.0 da pilha ZigBee da Freescale. Algumas atualizações do software embarcado e também do software residente na central remota foram realizadas para deixar o sistema maduro para o início da coleta dos dados da primeira fase do

147 147 projeto Hidroaer. Durante este período de observação, dois módulos foram substituídos, considerados com erros de solda. A soldagem manual destes componentes é extremamente trabalhosa e totalmente passível de erros. Durante o mês de setembro de 2009, a Infraero decidiu qual sala seria instalada a central remota. Com isso, o site survey foi realizado, os locais dos roteadores foram escolhidos e a central remota instalada. Assim, a rede começou a funcionar por completo. 6.7 Resultados obtidos Com a rede instalada e o sistema considerado maduro, a primeira fase do projeto foi iniciada, com os dados sendo coletados ainda localmente (sem a instalação da central remota). Durante 15 dias os dados foram armazenados e coletados sem problemas e enviados à equipe responsável pela análise de consistência. Todos os dados foram considerados corretos, sem perdas ou resultados anormais. Os metais sanitários foram então ajustados para uma vazão ótima e a segunda fase do projeto foi iniciada. Em paralelo, a central remota foi instalada, assim como os roteadores. Os dados passaram a ser armazenados no PC, evitando então a visita ao aeroporto de 10 em 10 dias. Após 15 dias, os dados foram enviados à equipe responsável pela análise de consistência e também foram considerados corretos. Infelizmente, durante a instalação dos aparelhos economizadores para o início da terceira fase, a Infraero iniciou uma obra nos sanitários sem consultar a equipe do projeto Hidroaer, devido a uma falha de comunicação interna. Com isso, a instalação destes aparelhos não foi concluída, ficando comprometido o cronograma inicial do projeto. Atualmente, o projeto está parado, esperando o final da obra nos sanitários para dar início à terceira fase do Hidroaer. Porém, ficou provado o valor de uma rede ZigBee para este tipo

148 148 de aplicação, onde de uma maneira rápida, com um custo reduzido e sem a necessidade de infra-estrutura (como em redes cabeadas), dados importantes podem ser coletados e analisados para um controle efetivo do consumo de água, podendo gerar economias consideráveis ao longo do tempo. A análise dos dados, assim como a comparação entre a primeira e a segunda fase do projeto não serão detalhadas, pois fogem ao escopo desta tese. Porém, apenas para citar, os resultados obtidos na segunda fase (com os metais sanitários ajustados) mostram uma economia de água de aproximadamente 40% com relação ao consumo na primeira fase (sem ajuste). O projeto Hidroaer possui um site ( com algumas informações interessantes, contendo artigos e matérias relacionadas, assim como todo o histórico do projeto.

149 149 7 Conclusão 7.1 Considerações finais Redes ZigBee se mostram ideais para aplicações onde baixas taxas de transferência são suficientes e onde um baixo consumo de potência e também um baixo custo é necessário ou se torna fator crítico para o projeto. O desenvolvimento de um módulo ZigBee com potência superior à maioria dos módulos disponíveis no mercado também se mostrou extremamente desejável. Com uma potência maior, a área da rede pode ser aumentada, cobrindo distâncias consideráveis, utilizando o menor número possível de módulos. Importante ressaltar que, ainda assim, os módulos podem ser considerados de baixíssimo consumo de energia, devido a sua capacidade de permanecer dormindo quando necessário. A apresentação deste trabalho deixa evidente o fato de que redes sem fio possuem uma série de vantagens significativas com relação a redes que utilizam cabos. A facilidade na instalação, sem a necessidade de uma infra-estrutura complexa, assim como o custo total do projeto muito reduzido, podem ser suficientes na decisão de se instalar uma rede sem fio para o monitoramento de dados importantes. A confiabilidade, antes questionada, hoje se mostra excelente. As distâncias cobertas podem ser muito grandes, dependendo da topologia escolhida. Estes dois pontos eram as principais desvantagens das redes sem fio com relação às cabeadas e atualmente se mostram no mesmo patamar de qualidade. A rede ZigBee implementada para o projeto Hidroaer se mostrou extremamente robusta e confiável, onde diversos mecanismos e algoritmos foram desenvolvidos voltados especificamente para a confiabilidade. Com isso, pode-se garantir que os dados não serão perdidos mesmo em diversos eventos de falhas possíveis.

150 Sugestões para trabalhos futuros Como sugestão para trabalhos futuros tem-se, por exemplo, o desenvolvimento de uma rede com a topologia mesh, onde todos ou grande parte dos dispositivos conversariam entre si, garantindo sempre rotas alternativas para o envio das mensagens. Com isso, a rede se tornaria ainda mais robusta e confiável, formando redundâncias para o caso de falha de algum roteador. Para o desenvolvimento deste tipo de rede, outra plataforma ZigBee deve ser escolhida, pois o chip MC13213 não se comporta muito bem com redes mesh, devido ao tamanho reduzido de sua memória (tanto flash, quanto RAM). De fato, outro módulo utilizando a nova geração de chips ZigBee da Freescale (MC13224) já foi desenvolvido e se encontra em testes. Este chip possui diversas vantagens com relação ao MC13213, como processador TDMI ARM7 de 32 bits, 128 kb de memória flash, 96 kb de RAM e um consumo de potência até 50% menor. Com isso, todas as atualizações da pilha ZigBee fornecida pela Freescale poderão ser utilizadas, incluindo todo o gerenciamento para as redes mesh. Por fim, outra sugestão para trabalhos futuros seria voltada para o software residente na central remota, como o desenvolvimento de algoritmos para a detecção de vazamentos e consumos anormais de água em determinados períodos, gerando alarmes e relatórios. Assim uma intervenção imediata poderia ser realizada, evitando enormes desperdícios e ainda possibilitando uma economia financeira considerável.

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152 152 Dispositivos e Sistemas Eletrônicos) - Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. [16] LU, G.; KRISHNAMACHARI, B.; RAGHAVENDRA, C. S. Performance evaluation of the IEEE MAC for low-rate low-power wireless networks. Los Angeles: Department of Electrical Engineering, University of Southern California, [17] ZHENG, J.; LEE, M. J. A comprehensive performance study of IEEE New York: Department of Electrical Engineering, City College, The City University of New York, [18] FREESCALE SEMICONDUCTOR. Compact integrated antennas. Denver, [19] RODRIGUEZ, R. MC1319x Coexistence. Freescale Semiconductor, Inc. Denver, EUA, [20] FREESCALE SEMICONDUCTOR. Range Extension for IEEE and ZigBee Applications. Denver, [21] CABRINI, F. H. Caracterização e análise de desempenho de uma rede de sensores sem fio f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo. [22] SILVA, G. S.; Gonçalves, O. M. Programas permanentes de uso racional da água em Campi universitários: o programa de uso racional da água da Universidade de São Paulo. São Paulo: Universidade de São Paulo, [23] COSTA, L.; VALTONEN, M. Implementation of single and coupled microstrip lines in APLAC. Helsinki: Helsinki University of Technology, Faculty of Electrical Engineering, [24] MICHEL, D.; TOGGENBURGER, D. Sensor network soccer. Rapperswil: University of Applied Sciences Rapperswil HSR, Department of Electrical Engineering, Institute for Communication Systems, [25] ATMEL. Real-time clock using the asynchronous timer. San Jose, [26] TAMAKI, H. O.; SILVA, G. S.; GONÇALVES, O. M. A medição setorizada como instrumento de gestão da demanda de água em sistemas prediais: estudo de caso na Universidade de São Paulo. São Paulo: Universidade de São Paulo, [27] PEREIRA, A. P. N.; MENDES, A.; MAYOR, J. T. HDDR - Hidrômetro Digital Residencial. Curitiba: Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Departamento Acadêmico de Eletrônica, [28] TAMAKI, H. O. et al. M. Implementação de leitura remota de hidrômetros em Campi universitários no contexto de programas de uso racional da água - estudo de Caso: Universidade de São Paulo. São Paulo: Universidade de São Paulo, 2005.

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155 155 Anexo 1 Esquemático e layout da PCI do módulo ZigBee Figura A1.1 Layout da camada 1 (TOP) da PCI do módulo ZigBee.

156 Figura A1.2 Layout da camada 2 (GND) da PCI do módulo ZigBee. 156

157 Figura A1.3 Layout da camada 3 (VCC) da PCI do módulo ZigBee. 157

158 Figura A1.4 Layout da camada 4 (BOTTOM) da PCI do módulo ZigBee. 158

159 Figura A1.5 Esquemático do módulo ZigBee. 159

160 160 Qtde Referência Características Fabricate Part No. Encapsulamento 9 C1, C3, C4, C5, C7, Capacitor 100nF / 16V / Murata GRM155R71C104KA88D 0402 C8, C9, C10, C % 1 C2 Capacitor 10nF / 25V / Murata GRM155R71E103KA01D % 2 C6, C12 Capacitor 1uF / 10V / Murata GRM21BR71A105KA01L 0805b +-10% 1 C25 Capacitor 1pF / 50V / Murata GCM1555C1H1R0CZ13D pF 3 C18, C21, C29 Capacitor 10pF / 50V / Murata GRM1555C1H100JZ01D % 2 C13, C14 Capacitor 6.8pF / 50V / Murata GRM1555C1H6R8DZ01D pF 2 C15, C16 Capacitor 10uF / 10V / Murata GRM21BR71A106KE51L % 1 C17 Capacitor Tantalum 10uF / 10V / +- EPCOS B45196H2106K109 A (3216) 10% 4 C19, C20, C22, C24 Capacitor 1nF / 50V / Murata GRM1555C1H102JA01D % 1 C23 Capacitor 18pF / 50V / Murata GRM1555C1H180JZ01D % 1 C26 Capacitor 6.8pF / 50V / Murata GRM1555C1H6R8CZ pF 1 C27 Capacitor 2.2pF / 50V / Murata GRM1555C1H2R2BZ pF 1 C28 Capacitor 1uF / 6.3V / Murata GRM155R60J105KE19D % 5 D1, D2, D3, D4, D5 Diodo 0.5A / 20V ON Semi MBR0520LT1G SOD123 1 J1 Jumper BDM Port Molex Jumper 2x3 1 J2 Conector SMA Emerson sma-end_launch 2 J3, J4 Jumpers PORT B / RxTxPorts Molex jumper_2x4_lead_angle 1 J5 Jumper Vjack / Vin / GND / 3V0 / Molex jumper_1x6_lead_angle 3V3 / VCC 1 Jack Jack para alimentação Digi-Key CP-002A-ND dcjack_2 1 L1 Indutor 4.7nH / +-0.3nH Murata LQG15HS4N7S02D L2 Indutor 2.2nH / +-0.2nH Wire- Murata LQW15AN2N2C Wound type 1 L3 Indutor 3nH / +-0.3nH Murata LQG15HS3N0S L4 EMI Filter Bead Murata BLM15HG102SN1D LED1, LED2 LED Vermelho SMD Kingbright APT2012SURCK 0805led 1 LED3 LED Verde SMD Kingbright APHCM2012CGCK-F led 3 R1, R2, R4 Resistor 220R / 62.5mW / 25V / +- YAGEO RC0402JR-07220RL % 1 R3 Resistor 4.7K / 62.5mW / 25V / +- YAGEO RC0402JR-074K7L % 1 R5 Resistor 470K / 62.5mW / 50V / +- YAGEO RC0402JR-07470KL % 2 R6, R7 Resistor 0R / 62.5mW / 50V / +-5% YAGEO RC0402JR-070RL R8, R9, R10 Resistor 10K / 62.5mW / 25V / +- YAGEO RC0402JR-0710KL % 1 R11 Resistor 4.3K / 62.5mW / 50V / +- YAGEO RC0402FR-074K3L % 3 SW1, SW2, SW3 Pushbutton DTSM-644 Diptronics DTSM-644-KV-T/R dtsm-6 1 T1 Transistor canal P / Vgs max +-8V Vishay SI2301BDS-T1-E3 SOT-23 1 U1 Microcontrolador e transceiver Freescale MC13213 mc13213_qfn-64 ZigBee integrado MC U2 Memória EEPROM SPI AT25512 Atmel AT25256AN-10SU-1.8 SOIC-8 (256Kbits) 1 U3 Conversor UART USB CP2102 Silicon CP2102-GM cp2102_mlp-28 Laboratories 1 U4 PA e LNA CC2591 Texas CC2591RGVT QFN U5 Regulador de Tensão (3.3V) National LP38690SD-3.3/NOPB 6-LLP LP38690SD USB Conector USB Mini-B Molex Mini-B 1 X1 Cristal 16 MHz +-15%ppm / 7.2pF NDK NX3225SA MHZ-B3 3.2mm x 2.5mm x 0.7mm Tabela A1.1 Relação de componentes do módulo ZigBee.

161 161 Anexo 2 Rotinas usadas no MatLab para cálculos das microstrips Er = 4.4; h = 0.35; t = 0.035; %w = 0.635; w = [0.4 : : 2]; %w = [0.1 : : 0.35]; pi = 3.14; %Para w/h < 1 Eff1 = (Er + 1)/2 + (Er - 1)/2.* ((1+(12*h./w)).^ * (1- (w./h)).^2) Z01 = (60./(Eff1).^0.5).* (log((8.*h./w) + (w./4.*h))); %Para w/h > 1 Eff2 = (Er + 1)/2 + (Er - 1)./2.* (1+(12*h./w)).^-0.5; Z02 = (120*pi)./(Eff2.^0.5.* (w./h * log(w./h ))); %Outra formula (geral) Z03 = (60./(0.475.*Er ).^0.5).* log((5.98.* h)./ (0.8.* w + t)); %plot(w,eff2); %grid; %title('permissividade Efetiva X Largura de trilha') %xlabel('largura da trilha'); %axis([0,1,-0.01,1]) %ylabel('permissividade Efetiva'); %set(gca,'xtickmode','manual','xtick',[0.635]) %set(gca,'xticklabelmode','manual','xticklabel',[0.635]) %set(gca,'ytickmode','manual','ytick',[50]) plot(w,z02); grid; title('impedancia Caracteristica X Largura de trilha') xlabel('largura da trilha'); %axis([0,1,-0.01,1]) ylabel('impedancia Caracteristica'); %set(gca,'xtickmode','manual','xtick',[0.635]) %set(gca,'xticklabelmode','manual','xticklabel',[0.635]) %set(gca,'ytickmode','manual','ytick',[50])

162 162 Anexo 3 Plantas do conjunto de sanitários Figura A3.1 Planta do conjunto de sanitários com a localização dos módulos ZigBee acoplados aos metais sanitários.