DISPOSITIVO DE GERENCIAMENTO DE DADOS PARA IMPRESSORA UTILIZANDO TECNOLOGIA ZIGBEE

Transcrição

1 PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL FACULDADE DE ENGENHARIA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA DE TRABALHO DE INTEGRAÇÃO DISPOSITIVO DE GERENCIAMENTO DE DADOS PARA IMPRESSORA UTILIZANDO TECNOLOGIA ZIGBEE LEONARDO DIAS MARQUEZINI PROF. EDGAR BORTOLINI Porto Alegre, Junho de 2006.

2 2 Dedicatória Dedico este trabalho às pessoas que de uma forma ou outra contribuíram para minha formação pessoal e acadêmica.

3 3 Agradecimentos Agradeço a Deus, por ter me iluminado nesta jornada, aos meus pais, Paulo e Marfiza Marquezini pela dedicação e esforço para que esse sonho se tornasse realidade. Ao meu irmão que sempre esteve ao meu lado e servindo de exemplo. A minha amada Lílian Gomes, pela compreensão e carinho. Aos meus Avós, tios, sogros, amigos e colegas, que muito me ajudaram a chegar até aqui. Cito em especial, o professor engenheiro Edgar Bortolini, orientador deste trabalho, e aos demais mestres dessa instituição que nesses anos ensinaram tudo para minha formação profissional.

4 4 Resumo Esse trabalho tem como objetivo estudar o padrão IEEE a fim de desenvolver um dispositivo gerenciador de impressão utilizando a tecnologia Zigbee como meio de comunicação. Primeiramente foi realizado um estudo aprofundado sobre esse padrão a pouco tempo desenvolvido e que ainda continua em desenvolvimento. Foram estudadas as camadas do padrão, sua comunicação, formação da rede e suas principais características. Foi desenvolvido o planejamento (diagrama e pseudocódigo) um software que será o gerenciador de impressão juntamente com o planejamento de um hardware (microprocessador, memória, conexão com o meio e conexão USB) para realizar a tarefa de levar os dados até a impressora.

5 5 Sumário 1. Introdução Evolução do Padrão WPAN Padrão IEEE Zigbee Alliance Necessidades Descrição do problema Ambiente HP (Hewlett Packard) Ambiente Modelo da impressora Proposta Solução proposta - Zigbee Topologia Componentes da WPAN Dispositivos Topologia de Redes Redes da IEEE Topologia Estrela (Star) Topologia Ponto-a-Ponto (Peer-to-Peer) Redes do Zigbee Topologia Mesh Topologia Cluster (Tree) LR-WPAN arquitetura do dispositivo Camada Física IEEE Detecção de energia do Receptor ED Indicador de Qualidade de Conexão LQI Avaliação de Desobstrução de Canal CCA Formato PPDU Modulação Modulação nas bandas de 2.4 GHz Modulação nas bandas de 868/915 MHz Banda e Freqüência Funcionais do padrão IEEE Seleção de canal Camada MAC IEEE Estrutura do SuperFrame Algoritmo CSMA-CA Modelo de Transferência de Dados Iniciando e Mantendo PANs Geração de Beacon Associação e Dissociação Sincronização Transmissão, recepção e Acknowledgement...53

6 Alocação de GTS e Gerenciamento Formato do Frame MAC Camada de roteamento Zigbee AODV: Ad hoc On Demand Distance Vector Algoritmo Cluster-Tree Rede Cluster simple Rede Multi-Cluster Codificação Confiabilidade Segurança do IEEE Segurança da camada Zigbee Futuro do IEEE e Zigbee Projeto do Hardware Chip CC2420 (Smart card RF) PIC18F2620 (Microcontrolador) SD Card (memória) FT232BM (USB) BOM List (Bill of Material) Projeto do Software Estado do Dispositivo JOB (Dados para impressão) Acesso ao gerenciador Relatório de Impressão Caso de erro Pseudocódigo Diagrama de Casos Conclusões Referências Bibliográficas Anexos Pinagem dos componentes Esquema elétrico completo Footprint Modelos Impressora

7 Lista de Figuras Figura 1.1 Camadas do Padrão...14 Figura 1.2 Localização do Zigbee entre as tecnologias wireless Figura 2.1 Topologia em Estrela Figura 3.1 Representação dos dispositivos de rede...24 Figura 3.2 Representação da topologia Estrela Figura 3.3 Representação da topologia Ponto-a-Ponto...27 Figura 3.4 Representação de uma rede Mesh...28 Figura 3.5 Representação de uma rede Cluster Tree...29 Figura 3.6 Arquitetura de um dispositivo da LR-WPAN...30 Figura 3.7 Operação das bandas de freqüências...33 Figura 3.8 Formato do PPDU...35 Figura 3.9 Seleção de canais entre e b...37 Figura 3.10 Representação da estrutura de um Superframe Figura 3.11 Representação do Algoritmo CSMA-CA...42 Figura 3.12 Comunicação para um coordenador em uma rede beacon-ativado Figura 3.13 Comunicação para um coordenador em uma rede não beacon-ativado...43 Figura 3.14 Comunicação de um coordenador em uma rede beacon-ativado...44 Figura 3.15 Comunicação de um coordenador em uma rede não beacon-ativado...45 Figura 3.16 Seqüência inicial de comunicação da PAN Figura 3.17 Associação de um dispositivo: processo do coordenador...50 Figura 3.18 Associação de um dispositivo: processo do dispositivo...51 Figura 3.19 Representação do frame do MAC...57 Figura 3.20 Representação do Frame de Beacon (Beacon Frame)...58 Figura 3.21 Representação do Frame de Dados (Data Frame)...58 Figura 3.22 Representação do Frame de Acknowledgement (ACK frame) Figura 3.23 Representação do Frame de Comando MAC (MAC Command Frame)...59 Figura 3.24 Formação do caminho direto e reverso pelo protocolo AODV...62 Figura 3.25 Seleção do processo do Cluster Head...64 Figura 3.26 Troca de mensagens entre o Cluster Head e o dispositivo...64 Figura 3.27 Processo de ajuste do Cluster Multi Hop...65 Figura 3.28 Representação da Tarefa CID Figura 3.29 Representação da Tarefa CID Figura 3.30 Representação da Tarefa CID Figura 3.31 Representação da Tarefa CID Figura 3.32 Uma rede multi cluster e os nós das bordas...69 Figura 4.1 Diagrama do Hardware Figura 4.2 Desenho da pinagem do CC Figura 4.3 Diagrama de Bloco do CC

8 Figura 4.4 Representação do circuito de um CC Figura 4.5 Representação da comunicação do CC2420 com o Microcontrolador...83 Figura 4.6 Desenho da pinagem do PIC18F Figura 4.7 Diagrama de Bloco do PIC18F Figura 4.8 Diagrama de conexão do PIC18F Figura 4.9 Diagrama de Bloco do SD Card...88 Figura 4.10 Diagrama da conexão do SD Card...90 Figura 4.11 Desenho da pinagem do FT232BM...91 Figura 4.12 Diagrama de Blocos do FT232BM...92 Figura 4.13 Diagrama de conexão do FT232BM...93 Figura 5.1 Diagrama do Gerenciador de Impressão...98 Figura 5.2 Diagrama dos Acessos a Lista de impressão Figura 5.3 Diagrama dos Registros no Relatório de Impressão Figura 5.4 Diagrama de Impressão com Sucesso Figura 5.5 Diagrama de Impressão com Erro Figura 5.6 Diagrama de Impressão com mais de um JOB Figura 5.7 Tentativa de Impressão com impressora em estado de Erro Figura 8.1 Pinos do CC Figura 8.2 Dimensões do CC Figura 8.4 Pinos do SD Card Figura 8.5 Dimensões do SD Card Figura 8.6 Pinos do PIC18F Figura 8.7 Dimensões do PIC18F Figura 8.8 Pinos do FT232BM Figura 8.9 Dimensões do FT232BM Figura 8.10 Esquema Elétrico Completo Figura 8.11 Footprint dos componentes Figura 8.12 Footprint das trilhas (visão superior) Figura 8.13 Footprint das trilhas (visão inferior) Figura 8.14 Características da séria 42XX da Hewlett Packard Figura 8.15 Características da séria 43XX da Hewlett Packard

9 9 Lista de Tabelas Tabela 1.1 Promotores...15 Tabela 1.2 Patrocinadores Tabela 3.1 Tabela das freqüências Tabela 4.1 Lista de componentes do circuito CC Tabela 4.2 Lista de componentes do circuito PIC18F Tabela 4.3 Lista de componentes do circuito do SD Card Tabela 4.4 Lista de componentes do circuito do FT232BM...94 Tabela 4.1 lista da Bill of Material...97 Tabela 8.1 Pinos do CC Tabela 8.2 Pinos do SD Card Tabela 8.3 Pinos do PIC18F Tabela 8.4 Pinos do FT232BM...126

10 Lista de Siglas AES Advanced Encryption Standard ACL Access Control Link AOVD Ad Hoc on Demand Distance Vector Routing BDD Backup DD BI Beacon Interval BO Beacon Order CAP Contention Access Period CCA Clear Channel Assessment CID Cluster Identifier CFP Contention Free Period CLH Cluster Head CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance DCF Distributed Coordination Function DD Designated Device DIFS DCF Inter Frame Space DSSS Direct Sequence Spread Spectrum ED Energy Detection FA Frequency Agility FFD Full-Function Device GTS Guaranteed Time Slots HP Hewlett Packard IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers I/O Input / Output I/Q In-phase / Quadrature-phase Kbps Kilo bit per second LLC Logical Link Control LQI Link Quality Indication] LQ Link Quality LR-WPAN Low Rate Wireless Personal Area Network MAC Medium Access Control MFR MAC Footer MIC Message Integrity Code MLME MAC Sublayer Management Entity MPDU MAC Protocol Data Unit MSK Minimum Shift Keying O-QPSK Offset - Quadrature Phase Shift Keying PAN Personal Area Network PC Personal Computer PHY Physical Layer PLME Physical Layer Management Entity POS Personal Operating Space

11 PPDU PHY Protocol Data Unit QoS Quality of Service RF Radio Frequency RFD Reduced-function Device RREP Route Reply Packet RREQ Route Request SAP Service Access point SD SuperFrame Duration SHR Synchhronisation Header SO SupreFrame Order SSCS Service Specific Convergence Sublayer USB Universal Serial Bus WPAN Wireless Personal Area Network 11

12 1. Introdução Sem dúvida nenhuma a tendência nas comunicações é obtermos redes implementadas em dois grandes grupos: um utilizando fibras ópticas e outro utilizando a tecnologia wireless (sem fio). Muitas das redes que conhecemos hoje, principalmente as instaladas em nossas casas, faculdades, empresas e indústrias, utilizam como base, cabos metálicos, sendo elas substituídas por fibras ópticas e dispositivos wireless com a medida do tempo. Esses dois meios de comunicações tiveram um desenvolvimento bastante relevante em sua velocidade e capacidade (transferência de dados, alcance, etc), tendo em vista a necessidade de comunicação interpessoal, o crescente aumento do número de usuários conectados à rede e a maior necessidade de transferência de dados, por exemplo, músicas e filmes. Junto com ao desenvolvimento, o custo para implementar uma rede com essas tecnologias obteve um aumento considerável. E este alto custo muito é comparado às redes que utilizam cabos metálicos ou cabos coaxiais. [18] Pensando em atender a necessidade do mercado em ter um padrão efetivo nas redes de acessos pessoais (PAN Personal Area Network), com segurança na transferência de dados, que não necessite de uma grande quantidade na transferência de dados, de fácil implementação e principalmente baixo custo, foi criado pela IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) o padrão Unido ao Zigbee Alliance temos o modelo que foi desenvolvido para satisfazer um mercado crescente de redes PAN visando a utilização de pequenos dispositivos, de sensores e de pequenos controladores. Nesse capítulo vai ser vai ter uma breve descrição do que é ZIGBEE, seus organizadores, sua capacidade e os motivos para sua criação (necessidades do mercado). No capítulo 2 será descrito o problema, a necessidade e o porque essa tecnologia foi escolhida para solucionar o problema. No capítulo 3 será uma introdução à tecnologia Zigbee e suas camadas, seus pacotes e como funciona para transmitir os dados, troca de pacotes, associação e dissociação de dispositivos. No capítulo 4 será apresentado um projeto de hardware para desenvolver o dispositivo de comunicação. No capítulo 5 será descrito um modelo para o gerenciador de

13 13 impressões e juntamente com um pseudocódigo. Nesse trabalho a parte referente a tecnologia do Zigbee é uma livre tradução com referência a Zigbee Specification juntamente com documentos e apresentações da Zigbee Alliance, seus responsáveis e de empresas promotoras dessa tecnologia Evolução do Padrão WPAN As redes de celulares são uma extensão natural das redes de telefonia fixa, na evolução das telecomunicações do final do século 20. Devido o aumento da necessidade do usuário em ganhar mobilidade e baixar o custo para implementação de redes de telefonia fixa, com novas tecnologias, por exemplo, fibra óptica, surge a motivação de criar um novo sistema pessoal independente de conexão, também em crescimento. Com isso foram desenvolvidos sistemas que cobrem grandes áreas onde os vizinhos se comunicam para criar uma rede sem emenda. Os exemplos dessas redes são os padrões G/M, IS-136 e IS-95. Os padrões celulares visavam basicamente facilitar a comunicação de voz em uma região metropolitana. Durante os anos 80, fora dessa grande rede (ampla cobertura), havia a necessidade de criar redes que também fornecessem altas taxas de transferências. Havia grande densidade de usuários, mas que não possuíssem uma área de cobertura tão grande. A IEEE então fundou um grupo para discussões sobre essas redes WPANs (Wireless Personal Area Network), criou-se então, o para desenvolver um padrão wireless de rede em área local. O padrão IEEE foi desenvolvido com as características da velocidade de ethernet, com o alcance de 100 metros, complexidade para assegurar uma rede sem emendas, encaminhamento de mensagem, throughput (vazão) de dados de 2-11Mbps, onde a WPANs são focalizadas em um espaço em torno da pessoa ou objeto que estenda em até 10 metros em todos os sentidos. [18] O foco das WPANs é o baixo custo, a baixa capacidade de transferência de dados, a pequena escala e tamanho. O grupo IEEE foi gerado para criar o padrão WPAN. Este grupo atualmente tem definido três classes da WPAN que são diferenciadas pela sua taxa de transmissão de dados, pelo seu consumo de bateria e pela qualidade de serviço (QoS). A taxa de dados elevada WPAN (IEEE ) é apropriada para aplicações multimídia que requerem altos níveis de QoS (Quality of Service). A taxa média das WPANs (IEEE /Bluetooth) segurará uma variedade de tarefas que podem ser desde telefones

14 14 (handfrees), às comunicações de PDAs e possuem um QoS apropriado para comunicações de voz. As WPANs, com baixas taxas de transferência (IEEE /LR-WPAN), foram desenvolvidas para servir a uma gama de aplicações industriais, residenciais e médicas, com um consumo de potência muito baixo comparado aos outros modelos. Outras características do IEEE é a baixa taxa de transferência de dados e um baixo nível de QoS requerido. A taxa de dados baixa permite que o LR-WPAN consuma um valor muito baixo de energia. [2] 1.2. Padrão IEEE O Instituto de Engenharia Elétrica e Eletrônica (IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers) teve como responsabilidade criar um grupo de trabalho, com a função de criar as normas para Redes Pessoais Sem Fio (WPAN Wireless Personal Area Network) chamado de O grupo contém vários subpadrões de acordo com diversas aplicações, velocidades e distâncias em que as redes possam ser utilizadas. O modelo IEEE é constituído por uma arquitetura que compatibiliza com as normas que a regem. Sua arquitetura real não apresenta diferença com as arquiteturas dos padrões anteriores como, por exemplo, token ring e Ethernet. O Hardware do IEEE fica na camada física, e acima desta foi introduzida à camada lógica. Podemos observar que o IEEE pode operar isoladamente por não precisar roteamento, o que é diferente da tecnologia Zigbee que funciona apenas nas camadas superiores onde existe roteamento, figura 1.1. Figura 1.1 Camadas do Padrão.

15 Zigbee Alliance Formada por uma aliança, chamada de Zigbee Alliance, que tem como membros promotores, e mais de 120 empresas participantes e membros que adotaram esse padrão. Em destaque nas tabelas abaixo, as empresas promotoras, tabela 1.1, e na tabela 1.2, algumas das empresas participantes. [21] Tabela 1.1 Promotores.

16 16 Tabela 1.2 Patrocinadores. O Zigbee é um protocolo projetado para efetuar comunicação sem fio confiável, com baixo consumo de energia e baixas taxas de transmissão para aplicações de monitoramento e controle. Para implementar as camadas MAC (Medium Access Control) e PHY (Physical Layer) o ZigBee utiliza a definição do IEEE, que opera em bandas de freqüência livres que serão apresentadas em seções 2.2 deste trabalho. Os membros fundadores formam o conselho de direção, e há atualmente 10 promotores e 1 um responsável por gerir essa direção. Existem também as empresas que desejam fazer contribuições, essas empresas ganham acesso prévio às especificações e ajudam a moldar o Zigbee. A Aliança define os Perfis de Aplicações (Application profiles) permitem que os dispositivos fabricados por diversos fabricantes possam trocar dados entre si de maneira fácil e sem necessidade de uma reorganização para um dispositivo reconhecer outro de fabricantes diferentes. É da responsabilidade da Aliança elaborar testes para a conformidade dos produtos para que estes sejam certificados e gerenciados com a marca Zigbee. [20] Além dos patrocinadores, estão ainda os participantes, membros que desejam ou se interessam em fazer contribuições técnicas ou aqueles convidados para fazer parte de grupos técnicos. Os participantes têm acesso breve nas especificações e devem apenas trabalhar nos grupos de sub-comites da aliança; ajudam formalmente no desenvolvimento tecnológico do protocolo para aplicações na indústria e conexões residenciais. A Zigbee Alliance se dispõe em grupos de trabalho como os grupos pertencentes ou responsáveis na: - Arquitetura; - Estrutura física do protocolo; - Desenvolvimento da conexão da rede wireless; - Segurança; - Interoperabilidade; - Marketing. A norma estabelece camadas superiores e suas capacidades, são suportadas nas camadas inferiores que pertencem a IEEE O protocolo Zigbee é um padrão de comunicação de

17 17 redes sem fio entre sensores colocados em dispositivos que não necessitam de grande largura de banda com consumo reduzido de energia. O nome Zigbee Alliance é dado pela aliança que empresas patrocinadoras formaram em volta da especificação IEEE com aprovação no primeiro trimestre de O nome Zigbee foi inspiração no método utilizado pelas abelhas para de comunicarção entre si sobre a localização de uma nova fonte de alimentação com os demais membros da colméia. Os produtos Zigbee estão apostados no baixo custo e a escalabilidade com as outras aplicações e na venda comercial abrangente. Conforme as especificações da Zigbee, um dispositivo pode permanecer um longo tempo sem a necessidade de se comunicar. Além disso, o tempo de acesso à rede é muito pequeno, tipicamente 30 ms (milisegundos). Outra característica importante é o tamanho reduzido dos pacotes de dados que trafegam na rede. [22] 1.4. Necessidades A tecnologia IEEE e o seu padrão Zigbee foram criados para satisfazer o mercado crescente de produtos de redes com controle e monitorizarão [22]. Produtos estes que apresentam características diversas como: - Interoperabilidade, diferentes fabricantes produzindo equipamentos que se comunicam entre si sem necessidade de conversores; - Padronização para que todos os fabricantes operem para um padrão único; - Baixo custo para implementar o sistema por parte dos fabricantes em equipamentos e dispositivos; - Viabilidade e garantida de que os dados transmitidos sejam transportados com segurança e que cheguem ao destino sem ocorrência de erros, falhas nos dados e interferências causadas pelos múltiplos caminhos na transmissão; - Mobilidade dos nós, para usuários moveis, possibilitando não apenas usuários fixos em uma determinada área, como na rede metálica. Outra vantagem é na instalação de um novo ponto na rede, que não precisa levar cabo até a área, basta esse novo ponto estar dentro da região de cobertura; - Modestas taxas de dados para redes que não necessitam de grande capacidade de transferência de dados e de tempo de transmissão;

18 18 - Baixo consumo de energia, para dispositivos que são abastecidos por fontes de energia não ligadas na rede elétrica, permitindo assim um consumo mais prolongado de baterias; - Flexibilidade, para que os nós mantenham a rede em diferentes ambientes e em diversas condições especiais; Portanto, a norma IEEE junto ao padrão do ZigBee foi homologada em maio de 2003, e ainda é pouco conhecido no Brasil. O padrão é composto por um simples protocolo de pacote de dados com características especificamente projetadas para ter flexibilidade, vida longa de baterias, sensores distribuídos e controle de sistemas e redes. O Zigbee surgiu de uma necessidade do mercado que não estava sendo coberta por nenhum outro padrão. Na figura 1.2 mostra a localização do Zigbee e onde as outras tecnologias wireless se encontram. Figura 1.2 Localização do Zigbee entre as tecnologias wireless.

19 2. Descrição do problema Cada vez um número maior de usuários de redes de computadores tem optado por soluções baseadas em topologias sem fio (wireless), ao invés de redes com cabeamento convencional, especialmente quando se trata de ampliação ou melhoria de uma rede existente. Os recentes avanços das tecnologias de redes sem fio possibilitaram o surgimento de várias alternativas e padrões de implementação, mas até recentemente a grande maioria tinha como premissa principal prover um conjunto de protocolos que garantissem a qualidade para a transmissão de voz ou de dados com altas taxas de transferência, isso tornava os equipamentos bastante caros e pouco atraentes para outras aplicações mais simples. Ainda são poucos os padrões de redes sem fio para aplicações em redes locais utilizando sensores e outros dispositivos do controle. O que temos são basicamente sistemas proprietários, desenvolvidos para atender redes específicas, como as redes de automação industrial. Temos então, por exemplo, aplicações com sensores (de temperatura, de umidade, gases, etc) e dispositivos de controle (chaves, relés, etc) que não necessitam de uma largura de banda elevada para funcionarem, mas necessitam de uma latência baixa e consumo de energia igualmente baixo para preservar a vida útil das baterias. Nesses casos, os sistemas wireless foram projetados para atenderem às exigências específicas dessas aplicações Ambiente HP (Hewlett Packard) Atualmente as impressoras HP ainda não apresentam suporte para a tecnologia Zigbee. Muitas das novas impressoras desenvolvidas pela HP, como por exemplos impressoras LazerJets, DesignJets e até as que imprimem diretamente fotos das câmeras fotográficas digitais, já apresentam suporte direto de seu hardware para redes Wi-Fi (IEEE ) e também para Bluetooth (IEEE ). Alem disso a HP também disponibiliza produtos que podem integrar as impressoras que não possuam esses serviços, por exemplo, JetDirect (marca registrada HP),

20 20 que possibilita que as impressoras possam ser acessadas por redes que compartilhem essa tecnologia. [19] Analisando a nessa necessidade de incluir os produtos HP para suportarem esse padrão, tenho como proposta elaborar um esboço, e como meio de comunicação um Gerenciador de Impressora utilizando o padrão Zigbee. Para iniciar o projeto foi proposto determinar um ambiente e um modelo de impressora Ambiente Pensando no mercado futuro e em desenvolver um produto para incluir as impressoras HP em mais um padrão de rede, este trabalho tem como proposta apresentar uma possível solução que utiliza o padrão Zigbee, tendo em vista o trabalho desenvolvido a partir da estrutura de uma pequena empresa. Para determinar o modelo de impressora temos em mente como ela será utilizada e suas necessidades, sendo que em um ambiente corporativo temos a necessidade de que ela seja rápida para imprimir os dados recebidos. Neste caso não há necessidade de uma impressora colorida, ou com muitos recursos, e sim apenas uma que garanta uma grande quantidade de impressões com qualidade. Para determinar qual impressora será utilizada nesse trabalho, foi determinado que o ambiente para o dispositivo deverá satisfazer o seguinte ambiente: uma empresa de pequeno porte, com em média trinta funcionários ou uma empresa de médio/grande porte onde em um setor da empresa com a média de trinta a quarenta funcionários que dividem uma mesma impressora. A topologia dessa rede foi projetada para ser em estrela, onde temos a impressora no centro da rede e os usuários (dispositivos) têm acesso solicitando a impressão de documentos. Esse modelo de topologia pode ser utilizado para os dois ambientes citados acima.

21 21 Figura 2.1 Topologia em Estrela Modelo da impressora Através de contato com o setor de vendas da HP e o setor de Embedded Solutions, foi pesquisado o modelo recomendado para empresas que apresentem um ambiente semelhante ao descrito anteriormente (seção 2.2). Os resultados da pesquisa mostram as impressoras da série 42XX e 43XX da HP. Esses modelos são ideais para ambientes empresariais, pois apresentam um ótimo retorno sobre investimento. Estas imprimem em preto e branco com baixos valores de desperdício de tinta e possuem entrada USB, que é fundamental para nosso dispositivo. Elas não possuem HD interno como algumas impressoras multifuncionais, logo elas não possuem recurso para armazenar fila de impressão. Abaixo uma tabela com as principais características dessas impressoras. [19] Na seção 8.4 (anexos) é possível ver as características das impressoras da série 42XX e 42XX Proposta Este trabalho tem como proposta o estudo de uma nova tecnologia, com a finalidade de empregar tal ferramenta para criação de um dispositivo de gerenciamento de dados, tendo ligação com a impressora através de dispositivo USB (Universal Serial Bus) e seu recebimento de dados por Zigbee (IEEE ). Neste trabalho após profunda pesquisa sobre essa nova tecnologia, e por obter o padrão foi desenvolvido pela IEEE em 2003, faço um estudo sobre suas características e possibilidades de utilização da mesma. Será escolhido um CHIP com os protocolos de comunicação Zigbee,

22 22 junto dele será colocado um MicroControlador que fará o gerenciamento dos dados. Além disso, terá uma memória para armazenamento dos dados, e por fim um dispositivo USB para fazer a interface com a impressora e um regulador de tensão para alimentação de todos os equipamentos do dispositivo. Foi escolhido o Zigbee com o padrão de comunicação pelo seu crescimento no mercado, e como foi descrito anteriormente, esse padrão a pouco foi reconhecido pela IEEE e atualmente estão surgindo chips de fabricantes adotando esse padrão. Outros motivos para a escolha do zigbee são: fácil implementação, ótimo drivers e a possibilidade de expansão da rede, previsão de crescimento no mercado e grande quantidade de dispositivos numa rede.

23 23 3. Solução proposta - Zigbee 3.1. Topologia As principais características do Zigbee são: flexibilidade da rede, baixo custo e consumo de energia baixo, baixas taxas de transferência de dados em uma rede Ad-Hoc auto-organizável entre dispositivos fixos, portáteis e sensores baratos. Foi criado para aplicações com poucas exigências de throughput que não podem manter o consumo de energia em pilhas de protocolos pesados. Vejamos a seguir os componentes de uma rede Zigbee Componentes da WPAN Um sistema Zigbee consiste em diversos componentes, tendo como base o dispositivo (simples ponto de comunicação). Um dispositivo pode ser classificado por Dispositivo de Função Total (FFD - Full-function Device) ou Dispositivo de Função Reduzida (RFD - Reducedfunction Device). Uma rede PAN (Personal Area Network) exigirá pelo menos a presença de um FFD, operando como coordenador da PAN. O coordenador é quem vai deter as informações dos pontos da rede e quem direcionará as informações na rede. [23] Conforme as especificações, o FFD pode operar de três modos: como coordenador da PAN; um coordenador; ou um dispositivo Dispositivos Os dispositivos podem ser alimentados por baterias ou pilhas, colocadas ou não em modo de espera por longos períodos, ou diretamente na rede elétrica com utilização de redutores de tensão. O ciclo para comunicação nas redes com o IEEE é muito curto, isso faz com que os dispositivos sejam alimentados com média de consumo considerada baixa em relação a outras plataformas.

24 24 Figura 3.1 Representação dos dispositivos de rede. O modo de operação convencional do MAC da IEEE indica que todos os dispositivos devem competir pelo meio, sendo este reservado para aquele que inicie primeiro a transmissão ou inicialização; assim os outros escutam o meio antes de acessar podendo aguardar caso ele esteja ocupado. Existem ainda aplicações práticas que não têm interesse de competir pelo meio, estes requerem ao coordenador espaços de tempos dedicados designados ou os chamados Slots de Tempo com Garantia (GTS - Guaranteed Time Slots). O Padrão IEEE tem um esquema de endereçamento que suporta 255 nós ativos e nela funcionam 3 dispositivos importantes: [23] O coordenador da PAN (PAN Coordinator), também conhecido como coordenador de rede; preserva e mantém todo conhecimento da rede; define o canal que será usado e ao mesmo tempo gerencia os nós; para sua própria segurança usa memórias auxiliares se necessário para melhor processamento de dados. O coordenador é um dispositivo único numa WPAN com responsabilidade da criação do beacon e este por sua vez, é reenviado pelos outros dispositivos até chegar aos nós que existem no extremo da rede: É de sua responsabilidade a escolha da maneira que será acessado o meio, usando ou não o beacon permitindo que os outros nós entrem na rede com funcionamento perfeito. Podem ser ligados para suportar grandes redes podendo conter mais de 4000 nós numa única rede com confiabilidade alta. Dispositivo de Função Total (FFD - Full Function Device); são os roteadores que possuem várias funcionalidades em todos os aspetos de segurança que determinam seu padrão, sendo assim a adição de memória com capacidade computacional faz com que o trafego seja fácil para as funções de roteamento. São responsáveis também pelo encaminhamento das

25 25 mensagens entre os nós da rede, conectados nos terminais desta através do mundo real. Estes dispositivos podem funcionar em toda a topologia do padrão, desempenhando a função de coordenador da rede (coordenador da PAN) e conseqüentemente, ter acesso a todos os outros dispositivos. Trata-se de dispositivos de construção mais complexa. Dispositivo de Função Reduzida (RFD - Reduced Function Device); são terminais, usados pelo padrão para as portadoras com funcionalidades limitadas. São dispositivos normalmente simples, onde a comunicação é feita apenas entre dois nós. Controlam especialmente custos e complexidade da rede. Estão impossibilitados de fazer roteamento por isso não podem ser conectados às extremidades da rede ou de serem o último ponto (sensor). Limita-se a uma configuração com topologia em estrela, não podendo atuar como um coordenador da rede. Pode comunicar-se apenas com um coordenador de rede. São dispositivos de construção mais simples. Conforme a IEEE um RFD é atribuído para aplicações que são extremamente simples e não necessitam emitir grandes quantidades de dados. O FFD pode comunicar-se com qualquer dispositivo independentemente da função (seja vários RFDs como um outro FFD) e tem como função sincronizar a rede. Os RFDs são apenas dispositivos de implementações e só podem comunicar-se com os coordenadores (FFD) Topologia de Redes Redes da IEEE A IEEE suporta dois modelos de topolofias para as redes, são elas Topologia de Estrela (Star) e a Topologia de Ponto-a-Ponto (Peer-to-Peer). [4] [10] Topologia Estrela (Star) Na topologia estrela, a comunicação é estabelecida entre os dispositivos com uma única unidade central de controle, chamado de coordenador da PAN. Este modelo de rede apresenta um ponto negativo, pois possui somente um coordenador e se este sofrer falha, a rede estará comprometida. Nessa topologia, toda informação que vai de um nó para outro será obrigado a passar pelo coordenador, atuando como um roteador, tornando o processo muito mais eficaz, porque os dados não irão passar por todas as estações.

26 26 Depois de um FFD ser ativado pela primeira vez, pode estabelecer sua própria rede e estabelece o coordenador de PAN. Cada rede estrela, no começo, escolhe um identificador da PAN (identificador de rede), que não esteja sendo utilizado atualmente por nenhuma outra rede dentro da esfera de rádio da sua influência. Com isso, permite que cada rede estrela opere independentemente das outras redes. As aplicações que se beneficiam desta topologia incluem a automatização de casas, os periféricos de computadores pessoais (PCs), brinquedos e jogos. Figura 3.2 Representação da topologia Estrela Topologia Ponto-a-Ponto (Peer-to-Peer) Na topologia do Ponto-a-Ponto, há também a existência de um coordenador PAN. No contraste à topologia da estrela, todo dispositivo pode comunicar-se com qualquer outro dispositivo. Devido a essa comunicação entre todos dispositivos, todos os nós podem escutar continuamente o meio, isso acarreta num gasto maior de energia [4]. Uma rede Ponto-a-Ponto pode ser Ad-Hoc, auto-organizável (self-organizing) e autocabeçalho (self-heading). As aplicações tais como controle industrial e monitoramento, sensores de redes wireless, recursos e inventários beneficiam-se co essa topologia. Permite também que os múltiplos Hops distribuam mensagens de todos os dispositivos a qualquer outro dispositivo na rede. Pode fornecer a confiabilidade pela distribuição multipath.

27 27 Figura 3.3 Representação da topologia Ponto-a-Ponto Redes do Zigbee Pensando nisso as topologias suportadas pelo padrão IEEE , os modelos de redes são operados nas topologias estrela, cluster Tree e Mesh. [4] [10] O IEEE utiliza o SSCS que serve para redefinir as topologias fixadas por ele. O padrão Zigbee não utiliza o SSCS e para efeito permite criar topologias nas formas Cluster Tree e Mesh, mantendo apenas a topologia estrela pertencente ao IEEE Os componentes integrantes da rede são o coordenador, os roteadores e os dispositivos finais (sensores). O Coordenador inicia a rede definindo o canal de comunicação usado, gerencia os nós da rede e armazena informações sobre eles. Os Roteadores são responsáveis pelo encaminhamento das mensagens entre os nós da rede. Já um dispositivo pode ser bem mais simples, só se comunicando com outro nó da rede. Com isso o Zigbee por definição usa as topologias Cluster Tree, Mesh e Estrela. A topologia estabelece que o coordenador de rede tenha maiores recursos computacionais que os outros dispositivos finais (End Devices). Assim, o coordenador pode ser chamado como Cluster Head ou coordenador Zigbee de primeira linha da área de rede. O tipo de encaminhamento difere conforme o tipo de topologia a ser utilizada visto que na topologia Cluster Tree utiliza-se um algoritmo de Routing hierárquico e na topologia Mesh o encaminhamento deve ser feito através de orientação de uma tabela Ad Hoc on Demand Distance Vector Routing (AOVD) visto em seções anteriores. A topologia Zigbee permite que os FFD intermediários (roteadores) tornem-se Clusters heads assumindo assim um número primário como identificadores de rede; existem vantagens de se criar vários clusters devido ao aumento de cobertura que eles podem proporcionar, desse

28 28 aumento, surge a preocupação com a latência, constituindo desvantagem com a topologia cluster aplicada no Zigbee. [10] Topologia Mesh A topologia Mesh (Figura 3.4), permite que a rede se ajuste automaticamente em sua inicialização, na entrada de novos dispositivos ou perda de dispositivos. Os receptores de radio nos coordenadores devem estar sempre ativos, possivelmente devido a topologia ser implementada utilizando ligações ponto a ponto do IEEE Nesta situação existem múltiplos caminhos entre os diferentes nós e a rede é autosuficiente para otimizar o tráfego de dados. Usando esta configuração podemos ter redes muito extensas, cobrindo largas áreas geográficas. Figura 3.4 Representação de uma rede Mesh Topologia Cluster (Tree) A rede Cluster é um exemplo especial de uma rede Ponto-a-Ponto, em que a maioria dos dispositivos são FFDs e um RFD pode conectar-se a uma rede do Cluster como um nó de licença da extremidade de uma filial. Todo FFD pode agir como um coordenador, e fornecer serviços de sincronização a outros dispositivos e coordenadores. Somente um deles, entretanto, é o coordenador da PAN. O coordenador da PAN dá forma ao primeiro conjunto, e estabelece ser para si o Cabeça do Cluster (CLH Cluster Head) com um Identificador do Cluster (CID Cluster Identifier) de zero, chamado de CID0, escolhendo frames de um identificador da PAN não usado e transmitindo do coordenador da PAN aos dispositivos vizinhos. Um dispositivo candidato, novo dispositivo, recebe um frame convite para juntar-se a rede no CLH. Se o

29 29 coordenador da PAN permitir que o dispositivo junte-se a rede, este adicionará este novo dispositivo como sendo um dispositivo novato em sua lista de dispositivos vizinhos. O dispositivo recentemente incluindo na rede, adicionará o CLH como seu PAI em sua lista de vizinhos e então este dispositivo começará transmitir pacotes periódicos tais que outros dispositivos do candidato podem então se juntar à rede nesse dispositivo. Uma vez que as exigências da aplicação ou da rede são encontradas com o coordenador da PAN pode instruir um dispositivo para transformar-se em CLH de um novo cluster adjacente do primeiro. A vantagem desta estrutura aglomerada é a área de cobertura que abrange uma maior superfície com baixo custo no aumento de mensagens [4]. Figura 3.5 Representação de uma rede Cluster Tree LR-WPAN arquitetura do dispositivo A figura 3.6 mostra um dispositivo de LR-WPAN. O dispositivo compreende uma camada física (PHY), que contenha o transceptor de freqüência de rádio (RF Radio Frequency) junto ao seu mecanismo de baixo nível do controle, e um subnível do MAC que forneça o acesso à camada física para todos os tipos de transferências. As camadas superiores consistem em uma camada de rede, que fornece a configuração de rede, a manipulação e a distribuição de mensagens, e na camada de aplicação, que fornece a função pretendida (objetivo) pelo dispositivo. Um Logical Link Control da IEEE (LLC) pode alcançar a subcamada do MAC através da subcamada específica de convergência do serviço (SSCS). [1]

30 Figura 3.6 Arquitetura de um dispositivo da LR-WPAN. 30

31 3.2. Camada Física IEEE A camada física, também conhecida como camada PHY (Physical Layer), fornece dois serviços: o serviço dos dados de PHY e a gerência de PHY prestando serviços de manutenção da conexão à entidade de gerência da camada física (PLME Physical Layer Management Entity). O serviço de dados da camada física permite a transmissão e a recepção das unidades de dados de protocolo da PHY (PPDU PHY Protocol Data Unit) através do canal físico do rádio. Sua principal tarefa é controlar a comunicação entre o meio físico com os transceivers. As características do PHY são de ativação e desativação do transceptor de rádio (transceivers), detecção de energia (ED), indicação da qualidade da ligação (LQI), seleção de canal, avaliação de desobstrução de canal (CCA) e transmissão bem como, a recepção de pacotes através do meio físico [1]. A camada física pode operar em um determinado canal através do pedido feito pelas camadas superiores, isto porque a camada tem capacidade de operar em 27 canais diferentes. O padrão oferece duas opções de PHY baseada na faixa de freqüência. Ambos são baseados no espectro direto da propagação da seqüência (DSSS). A taxa de dados é de 250kbps com 2.4 GHz, 40kbps em 915 MHz e de 20kbps em 868 MHz. A taxa de dados mais elevada é em 2.4 GHz e atribuída a um a alta ordem de modulação. Uma freqüência mais baixa fornece uma escala mais longa devido a perdas mais baixas da propagação. O baixo valor na taxa pode ser traduzido na sensibilidade melhor e na maior área de cobertura. Uma taxa mais elevada significa um throughput mais elevado e uma latência mais baixa ou um ciclo mais baixo. Esta informação é representada na tabela 3.1. Tabela 3.1 Tabela das freqüências.

32 32 Há um único canal entre 868 MHz e Mhz, 10 canais entre as freqüências MHz e MHz, e 16 canais entre 2.4 e GHz como mostrado na tabela 3.1 (logo asima). Diversos canais em faixas de freqüências diferentes permitem a habilidade de realocar dentro do espectro. O padrão permite também a seleção dinâmica de canal, uma função de seleção através de uma lista dos canais suportados na busca da Beacon, detecção de enegia do receptor, indicação da qualidade da conexão, switching de varredura do canal. Nas tecnologias sem fio o meio está sempre compartilhado com várias redes, com isso a camada física tem como responsabilidade avaliar o estado do canal e poder efetuar detenções de energia quando um determinado canal de transmissão estiver ocupado. A detenção de energia possibilita os dispositivos obterem certos picos de energia, selecionando assim o canal que pode ser usado, e ao mesmo tempo ou nestes instantes a camada MAC deve descartar os quadros que chegarem impossibilitando o envio de beacon. A banda 2.4 Ghz esta regularizada especialmente para o uso mundial, mas países Europeus como a França, Espanha entre outros, o uso desta freqüência não é permitido devido à existência de outras bandas alternativas disponíveis como, por exemplo, as bandas de freqüências de 868 Mhz. A banda de 902 Mhz tem melhor propagação em ambientes industriais, pois opera em menor freqüência com propagações de 10 vezes mais a distância em edifícios com metais quando comparada com às bandas de 2.4 Ghz. [1] As bandas 868 Mhz e 915 Mhz são consideradas por estas apresentarem baixo consumo de energia em relação a de 2.4 Ghz [14]. Neste contexto, existe a possibilidade de que varias tecnologias sem fio (wirelless) operem nas mesmas freqüências e com isso pode haver interferências oriundas de alguns aparelhos elétricos, permitindo aos dispositivos mudarem o canal que usam no espetro. Para este modelo, o desenvolvimento de aplicações foi designado especialmente para o uso de perfis de aplicação enquanto a aplicação da interface foi desenvolvida para perfis gerais. As sensibilidades do receptor são de -85dBm para 2.4 GHz e de -92dBm para 868/915 MHz. A vantagem de 6 à 8dB vem da vantagem de uma taxa mais baixa. A escala realizável é uma função da sensibilidade do receptor e do poder do transmissor. O máximo no poder de transmissão se estabelece com o regulamento da rede local. Um dispositivo mudará seu valor nominal de transmissão indicado pelo parâmetro PHY, phytransmitpower.

33 33 Figura 3.7 Operação das bandas de freqüências. A transmissão de dados na camada física é feita através da modulação QPSK e BPSK onde sinais são transmitidos através do modelo OSSS, e neste, o sinal a ser codificado deve ser multiplicado por um sinal pseudo-aleatório com freqüência superior em relação ao sinal de origem. [14] O IEEE exige que os dispositivos obedeçam a seus requisitos tendo estes, capacidade de avaliar o estado do canal através do processo designado como CCA ou Clear Chanel Assegment. [1] Detecção de energia do Receptor ED A medida de detecção de energia do receptor (ED) é pretendida para o uso de um canal de rede como a parte do algoritmo de seleção desse canal. É uma estimativa do poder do sinal de recepção com a largura da faixa do canal da IEEE Nenhuma tentativa é feita para identificar ou decodificar os sinais dos canais. O tempo do ED deve ser igual a 8 períodos dos símbolos. O resultado do ED será relatado como um inteiro de 8 bits que varia de 0x00 à 0xff. O valor mínimo do ED é zero (0) que indicará um poder de recebimento menor que 10dB acima da sensibilidade especificada para o receptor. A escala do poder recebido medido pelos valores do ED será menos de 40dB. Dentro desta escala, mapeado pelo poder recebido em decibéis, os valores do ED, serão lineares com uma exatidão de +-6dB.

34 Indicador de Qualidade de Conexão LQI Acima da recepção de um pacote, o PHY emite um longo PSDU, PSDU por si só e qualidade de conexão (LQ) na primitiva PD-DATA indication. A medida do LQI é uma caracterização de um pacote de força e/ou qualidade do receptor. A medida pode ser executada usando o receptor ED, uma estimação do sinal ou uma combinação destes métodos. O uso do resultado do LQI é até as camadas de rede ou de aplicação. O resultado do LQI deve ser relatado como um inteiro que varia de 0x00 à 0xff. O mínimo e o máximo valor do LQI devem ser associados com o mais baixo e a qualidade mais elevada do IEEE sinais detectáveis pelo receptor, e valores de LQ devem ser uniformemente distribuídos entre estes dois limites Avaliação de Desobstrução de Canal CCA A avaliação de desobstrução de canal (CCA) é executada de acordo com pelo menos um desses três seguintes métodos: 1 Método - foi criado para definir níveis de energia acima de limites em que o meio deve ser condicionado ou classificado como ocupado. Com este modo funcionam apenas as freqüências de 2,4 Ghz com sensibilidade de 75 dbm e as freqüências de 915 Mhz com sensibilidade de 82 dbm. 2 Método - foi designado para efeitos de detenção de portadoras, onde o CCA sinaliza o estado ocupado do canal através de um sinal que usa modulação e difusão apenas do padrão IEEE Método - foi designado quando acontece a situação descrita nos métodos 1 e 2 ao mesmo tempo Formato PPDU A estrutura do pacote de PPDU é ilustrada pela figura 3.8. Cada pacote de PPDU consiste nos seguintes componentes básicos: SHR, que permite que um dispositivo de recepção sincronize e trave dentro do bit stream. RAP, que contém a informação do comprimento do frame.

35 35 Um payload de comprimento variável, que carregue o frame do subnível do MAC. Figura 3.8 Formato do PPDU Modulação Segundo IEEE para codificar os dados de uma portadora é necessário que estes sejam submetidos a um tipo de modulação. O processo de modulação vem do resultado da conversão de 4 bits (cada byte esta dividido em 2 símbolos e cada um deste em 4 bits) para um símbolo e que este posteriormente convertido num chip (uma seqüência binária de ruído pseudoaleatório) com o fim de reduzir erros de transmissão. O símbolo menos significativo deve ser transmitido primeiro e através dos campos de múltiplos bytes, o último byte deve ser o primeiro a ser transmitido exceto nos campos de segurança, os mais significativos. A dimensão do chip varia conforme a banda em que é transmitido e a transmissão deve terminar com a modulação da seqüência binária na portadora. Basicamente a modulação no IEEE é feita nas banhas de 2.4 Ghz e 868/902 Mhz como indicado na tabela 3.1 (no item 3.2) Modulação nas bandas de 2.4 GHz Na banda de 2.4 Ghz, a modulação é realizada com o tipo de modulação QPSK ou Offset Quadrature Phase Shift Keying, sendo este, uma variação da modulação QPSK. Este tipo de modulação efetua o agrupamento de bits (2 bits) em blocos, ou seja, 00, 01, 10 e 11; cada bloco apresenta uma fase e ângulo, separados e distribuídos igualmente entre si, que são transmitidos de forma senoidal com freqüências e amplitudes constantes. O QPSK lembra a dupla transmissão em canais separados e ele garante duplicidade da largura de banda, ou seja, pode transmitir dois bits de uma só vez. O QPSK vulgarmente utilizado em comunicações satélites é o formato de modulação do IEEE para a banda de 2.4 Ghz. Na pratica este tipo de modulação apresenta uma forma de metade da onda senoidal parecendo-se com a modulação MSK ou Minimum Shift Keying,

36 36 com a fase dividida pela metade, ou seja, o canal é atrasado por 0.2 bit para evitar que as transações de fase sejam maiores que 90º, ou seja, o sinal deve ser parecido com sinais binários para permitir melhor amplificação resultando em menos gastos em consumo de energia. [14] Do processo de modulação resulta a conversão de 4 bits que eqüivalem a 1 símbolo, este é convertido por chip que é uma seqüência binária de ruído pseudo-aleatório com fins de reduzir os erros de transmissão e sua dimensão varia conforme o tamanho da banda onde se efetua a transmissão. A transmissão dos dados só é terminada depois com a modulação da seqüência binária enviada Modulação nas bandas de 868/915 MHz No modo 868/915 Mhz, os bits 0 e 1 são convertidos para uma seqüência de 15 chips, sendo assim uma seqüência o complemento para 0 da outra ou o resultado XOR dos seus chips. Nestas bandas o sinal é modulado via BPSK que não apresenta boa eficiência como o QPSK (usado na banda de 2.4Ghz) que não se pode usar aqui devido a banda muito estreita. Na modulação BPSK, a fase da portadora sofre uma inversão de 180º mediante a mudança do fluxo binário. Qualquer mudança do estado binário dos bits acontecera uma mudança de fase na modulação Banda e Freqüência Funcionais do padrão IEEE Os produtos que funcionam com estas freqüências citadas anteriormente operam em bandas com alcances mundiais ainda não licenciados incluindo 3 (três) bandas que suportam um total de 27 canais especificados. O alcance de transmissão está momentaneamente em faixas que vão de 10 a 100 m dependendo do fornecimento de energia para alimentá-los e as características do meio em que se encontra. Existe potencial de interferências em todas as bandas, fato pela qual os comitês da IEEE estão preocupados e tratam a questão procurando solucionar questões de coexistência nas redes da plataforma: De 2.4 GHz com 16 canais com taxas de transmissão de 250 kbps; De MHz com apenas um canal com taxa de transmissão de 20 kbps; De 902 a 928 MHz com 10 canais e suporta taxas de transmissão de 40 kbps;

37 37 O MAC emprega 64 bits, especificados pela IEEE e 16 bits para os endereços dos níveis baixos. O resultado do volume da rede apresenta cifras que não alcançam os 264 nós e se caso for superior a isto será necessário aumentar. Nele efetua-se o uso de endereços locais e testes de conexões para mais de nós e podem ser configurados com endereços de overheads reduzidos. A aliança definiu protocolos de camada superior, camada de aplicação e de rede contando com os perfis que os determinam, contrário aqueles definidos pela IEEE que define simplesmente as camadas de nível inferiores como o MAC e a camada física. A camada física opera nas freqüências descritas na tabela 3.1 (seção 3.2) e usa diferentes modulações, canais, distâncias de hamming e taxas de velocidades variáveis; freqüências usadas nesta camada são definidas de acordo com as normas regionais Seleção de canal Para prevenir a interferência entre os padrões e b recomenda-se usar os canais que se localizam na guarda de banda entre duas (2) adjacentes dos três (3) canais do padrão b ou então acima delas conforme a figura 3.9. [14] Figura 3.9 Seleção de canais entre e b. Enquanto a carga neste espaço da guarda da borda não for zero isto é, ser inferior à energia entre os canais, a rede será operante em um destes canais e minimiza a interferência entre os sistemas. Contudo se a rede ficar operante por mais espaço dos quatro canais o funcionamento do padrão já não será necessário.

38 3.3. Camada MAC IEEE A subcamada MAC fornece dois serviços: o serviço de dados do MAC e o serviço de gerência do MAC, fazendo a interface entre a entidade de gerência da subcamada MAC (MLME) com o serviço de ponto de acesso (SAP) (MLME-SAP). O serviço de dados MAC permite a transmissão e a recepção das unidades de dados do protocolo do MAC (MPDU) através do serviço de dados do PHY. As características da subcamada MAC são: gerência de beacon, acesso do canal, gerência de GTS, validação do frame, envio de acknowledged frame, associação e dissociação Estrutura do SuperFrame A LR-WPAN permite o uso opcional de uma estrutura do superframe. O formato do superframe é definido pelo coordenador da PAN. O superframe é limitado pelo beacon da rede e dividido em 16 slots de mesmo tamanho. O frame beacon é emitido no primeiro slot de cada superframe. Se um coordenador não quiser usar a estrutura do superframe, então, pode-se desligar as transmissões do beacon. Os beacons são usados para sincronizar os dispositivos envolvidos na rede, para identificar a PAN e descrever a estrutura do supreframe. O superframe pode ter uma parcela ativa e outra inativa. Estando a parcela inativa, o coordenador não interagirá com a PAN e pode entrar em um modo low-power (baixo consumo de energia ou também conhecido como descanso, um modo onde não há um gasto muito elevado de energia). A parcela ativa consiste no Período de Acesso de Competição (CAP Contention Acess Period) e no Período Livre de Competição (CFP Contention Free Period). Todo dispositivo que deseja comunicar-se durante o CAP competirá com outros dispositivos usando um mecanismo de slot CSMA-CA. Por outro lado, o CFP contém slots de tempo garantidos (GTSs Guaranteed Time slots). Os GTSs aparecem sempre na extremidade do superframe ativo que começa no limite de slot imediatamente após o CAP. O coordenador da PAN pode alocar até 07 desses GTSs e cada GTS pode ocupar mais de um período do slot. A duração de diferentes porções de um superframe é descrita pelo valor do macbeaconorder e macsuperframeorder. O macbeaconorder descreve o intervalo em que o coordenador transmitirá seus beacons frames. O intervalo de beacon, BI, é relacionado ao

39 39 macbeaconorder, BO, como segue: BI = abasesuperframeduration2 BO, 0 BO 14. O superframe é ignorado se BO = 15. O valor do macsuperframeorder descreve o tamanho (comprimento) da parcela ativa do superframe. A duração do superframe, SD, é relacionada ao macsuperframeorder, SO, como segue: SD = abasesuperframeduration2 SO, 0 SO 14. Se SO = 15, o superframe não deve permanecer ativo após o beacon. A parcela ativa de cada superframe é dividida dentro de um anumsuperframeslots, igualmente espaçados em duração de 2 SO abaseslotduration e é composto de 03 partes: um beacon, um CAP e um CFP. O beacon é transmitido no início do slot 0 (zero) sem o uso de CSMA. O inicio do CAP é imediatamente após o beacon. O CAP será, pelo menos, símbolos do amincaplength, a menos que ocorra uma adição no espaço necessário para acomodar, temporariamente, o aumento no comprimento do frame da baliza para executar a manutenção do GTS. Todos os frames exceto os de reconhecimento (acknowledgement) ou todos os frames de dados que imediatamente seguem o acknowledgement de um comendo de pedido (data request) são transmitidos no CAP sendo usado o CSMA-CA slot para acessar o canal. Uma transmissão no CAP será um período completo do IFS antes da extremidade do CAP. Se isso não for possível, é adiada sua transmissão até o CAP do seguinte superframe. Um exemplo da estrutura de um superframe é mostrado na figura Figura 3.10 Representação da estrutura de um Superframe. O CFP, se presente, começará imediatamente após o término do CAP e estende-se à extremidade da parcela ativa do superframe. O comprimento do CFP é determinado pelo comprimento total de tudo que é combinado com o GTS. Não há transmissão com o CFP usando

40 40 o mecanismo CSMA-CA. Um dispositivo transmitindo em CFP assegurará que sua transmissão esta completa em um período IFS antes do final de um GTS. [1] O tempo do IFS é a quantidade de tempo necessária para processar o pacote de recebimento pelo PHY, frames transmitidos seguidos pelo período IFS. O comprimento do IFS depende apenas do tamanho do frame que foi transmitido. Os frames de amaxsifsframesize em comprimento serão seguidos por um SIFS visto que os frames de um comprimento maior serão seguidos de um LIFS. As PANs que não desejam usar o superframe numa rede configurada, como não beaconativado, ajustarão o macbeaconorder e o macsuperframeorder para o valor 15. Neste tipo de rede, um coordenador não transmitirá nenhum beacon, todas as transmissões exceto os acknowledgement frame serão usadas sem o slot de CSMA-CA para acessar o canal e os GTSs não serão permitidos Algoritmo CSMA-CA Se a estrutura do superframe for usada na PAN, então o slot CSMA-CA será utilizado. Se os beacons não estivessem sendo utilizados pelo PAN ou se um deles não puder ser utilizado em uma rede beacon-ativado, a rede será configurada para atuar sem o slot do algoritmo CSMA-CA. Em ambos os casos, o algoritmo é executado usando unidades de período chamados de períodos de backoff que é igual ao símbolo do aunitbackoffperiod. No mecanismo de acesso do canal do slot CSMA-CA, os limites do período do backoff de cada dispositivo na PAN são alinhados com os limites do slot do superframe do coordenador da PAN. No slot CSMA-CA, cada vez que um dispositivo deseja transmitir frames de dados durante o CAP, esse será localizado no limite do próximo período do backoff. Em redes sem slot de CSMA-CA o período de backoff de um dispositivo não necessita ser sincronizado ao período de backoff de outro dispositivo. Cada dispositivo tem três variáveis: NB, CW e BE. NB é o número de vezes que o algoritmo CSMA-CA foi requerido pelo backoff ao tentar a transmissão atual. Ele é inicializado em 0 (zero) antes de cada nova transmissão. CW é a contenção do comprimento da janela, que define o número de períodos do backoff que necessitam estarem desobstruídos da atividade antes que a transmissão possa começar. Ele é inicializado com valor 2 (dois) antes de cada tentativa de transmissão e reiniciada em 2 antes do canal ser alterado para ocupado. CW é usado somente pelo slot CSMA-CA. BE é o intérprete do backoff, que é relacionado a quantos períodos do

41 41 backoff um dispositivo esperará antes de tentar acessar o canal. Embora o receptor do dispositivo esteja permitido durante a parcela da avaliação do canal deste algoritmo, o dispositivo rejeitará todos os frames recebidos durante este tempo. [1] Conforme a Zigbee Alliance inserido o CSMA-CA, os valores de NB, CW e BE são inicializados e o limite do próximo período de backoff é localizado. Se não inserido (sem slot) CSMA-CA, as variáveis NB e BE são inicializadas (1 passo). A camada MAC atrasará para um número aleatório de períodos completos do backoff na escala 0 (zero) a 2 BE 1 (2 passo), então é aí que a PHY executa um CCA (Clear Channel Assessment) (3 passo). A camada MAC prosseguirá então se permanecer no algoritmo CSMA-CA a transmissão do frame, e todo acknowledgement pode ser completado antes do final do CAP. Se a camada MAC não puder prosseguir, esperará até o começo do CAP no próximo superframe e repetirá a avaliação. Se o canal é avaliado para ser ocupado (4 passo), a camada MAC incrementará o NB e BE por um, assegurando-se que BE não será mais que amaxbe. Inserindo CSMA-CA, CW pode ser restaurado como 2. Se o valor de NB é menor ou igual ao macmaxcsmabackoffs, o CSM A- CA irá retornar para o 2 passo, mas o CSMA-CA irá terminar com status (estado) de falha no acesso do canal. Se o canal for avaliado para ser idle (5 passo), ao inserir CSMA-CA, o canal MAC assegurará que a janela da disputa seja expirada antes de começar a transmissão. Para isto, a camada MAC, primeiramente, vai decrementar CW por um. Se CW não é igual à zero, vai direto para o 3 passo outro iniciará a transmissão no limite do próximo período de backoff. Não inserindo CSMA-CA, a camada MAC iniciará a transmissão imediatamente se o canal for avaliado para ser idle. O algoritmo CSMA-CA é ilustrado na figura 3.11.

42 Figura 3.11 Representação do Algoritmo CSMA-CA. 42

43 Modelo de Transferência de Dados Conforme descrito pela Zigbee Alliance, existem três tipos de transações para transferência de dados: de um coordenador para um dispositivo, de um dispositivo a um coordenador e entre dois dispositivos. O mecanismo para cada uma destes modelos de transferência depende do que o modelo de rede suporta na transmissão de beacons. Quando um dispositivo deseja transferir dados em uma rede não beacon-ativado, ele simplesmente transmite seus frames de dados, usando CSMA-CA, ao coordenador. Há também um acknowledgement opcional na extremidade, como mostrado na figura Figura 3.12 Comunicação para um coordenador em uma rede beacon-ativado. Quando um dispositivo deseja transmitir dados para um coordenador em uma rede beacon-ativado, ele primeiro escuta o beacon da rede. Quando o beacon é achado, ele sincroniza com a estrutura do superframe. No tempo certo, ele transmite seus frames de dados, utilizando CSMA-CA, ao coordenador. Há também um acknowledgement opcional na extremidade, como mostrado na figura Figura 3.13 Comunicação para um coordenador em uma rede não beacon-ativado.

44 44 Segundo a Zigbee Alliance, as aplicações de transferências são completamente controladas pelos dispositivos em uma PAN, e executam essa tarefa melhor do que pelo coordenador. Isto fornece a característica de conservação de energia da rede Zigbee. Quando um coordenador deseja transferir dados a um dispositivo em uma rede beacon-ativado, ele indica um beacon da rede que a mensagem de dados está pendente. O dispositivo escuta periodicamente os beacons da rede e transmite um comendo MAC que pede estes dados, usando o CSMA-CA. O coordenador reconhece a transmissão deste pacote. O frame pendente dos dados é emitido então, usando um slot CSMA-CA. O dispositivo reconhece a recepção com sucesso dos dados transmitindo um acknowledgement frame. Logo ao receber o acknowledgement, a mensagem é removida da lista de mensagens pendentes do beacon como mostrado em figura Figura 3.14 Comunicação de um coordenador em uma rede beacon-ativado. Quando um coordenador deseja transferir dados a um dispositivo em uma rede não beacon-ativado, armazena os dados para que o dispositivo apropriado faça o contato e solicite os dados. Um dispositivo pode fazer o contato transmitindo um comando MAC, solicitando os dados a seu coordenador em uma taxa aplicação-definida, usando-se frame sem slot CSMA-CA. O coordenador reconhece este pacote. Se os dados forem pendentes, o coordenador transmite frame de dados utilizando um frame sem slot CSMA-CA. Se os dados não forem pendentes, o coordenador transmite um frame de dados com comprimento zero no payload para indicar que nenhum dado estava pendente. O dispositivo reconhece este pacote como mostrado em figura 3.15.

45 45 Figura 3.15 Comunicação de um coordenador em uma rede não beacon-ativado. Em uma rede ponto-a-ponto, cada dispositivo pode comunicar-se com todo o outro dispositivo em seu raio da transmissão. Há duas opções para esta, no primeiro caso, o nó escutará constantemente e transmitirá seus dados usando frame sem slot CSMA-CA. No segundo caso, os nós sincronizam com outros nós de modo que possam conservar o poder Iniciando e Mantendo PANs Uma PAN será iniciada por um dispositivo FFD somente após um canal ser ativado ou uma varredura no canal ED ser executada e uma seleção apropriada do identificador da PAN for feita como mostrado na figura A varredura ativa permite que o FFD encontre todos os frames transmissores de beacons do coordenador dentro de seu Espaço de Operação Pessoal (POS Personal Operating Space). Uma varredura ativa do canal é solicitada sobre um especificado ajuste dos canais lógicos. Para cada canal lógico, o dispositivo primeiramente comutará para um canal e emitirá um comando de pedido de beacon. O dispositivo ativará então seu receptor para o maior símbolo de abasesuperframeduration (2n +1), onde n está entre 0 e 14. Durante este tempo, o dispositivo rejeitará todos os frames do não beacon e gravará a informação contida em todos os beacons originais em uma estrutura do decriptador da PAN. Se o coordenador de uma PAN beacon-ativado receber o comando de pedido do beacon, ignorará o comando e continuará transmitindo suas beacons como usuais. Se o coordenador de uma não beacon ativado a PAN receber este comando, ele transmitirá um único beacon frame utilizando um frame sem slot CSMA-CA.

46 46 Figura 3.16 Seqüência inicial de comunicação da PAN. A varredura ativa em um canal particular termina quando o número dos decriptadores da PAN armazenados se iguala ao máximo da implementação-especificado de símbolos do abasesuperframeduration (2n + 1), onde n está entre 0 e 14, tiver transcorrido. A varredura inteira terminará quando o número dos decriptadores da PAN armazenados se iguala ao máximo de implementação-especificado ou cada canal sobre os canais disponíveis estiver feito a varredura. Então selecionado um identificador da PAN apropriado da lista dos decriptadores da PAN, pela análise do coordenador da PAN, retornados da varredura do canal ativo é para a aplicação. Uma varredura ED permite que o FFD obtenha uma medida do pico de energia que cada canal necessita. Durante a varredura ED, o subnível MAC rejeitará todos os frames recebidos sobre o serviço dos dados de PHY. Uma varredura ED é executada sobre um canal lógico. Para cada canal lógico, é executado repetidamente a medição do ED para o abasesuperframeduration (2n + 1) onde n é o valor do scanduration. A máxima medida do ED

47 47 obtida durante este período será anotada antes de mover-se no canal seguinte na lista de canais. A varredura ED terminará quando o número das medidas ED do canal armazenar o valor igual ao máximo de implementações-especificado ou quando a energia medida em cada uma dos canais lógicos especificados. Uma situação poderia ocorrer, por exemplo, se duas bandejas estivessem na mesma posição e com o mesmo identificador da PAN. Se este conflito acontecer, o coordenador e seus dispositivos executarão o procedimento da definição do conflito do identificador da PAN. O coordenador da PAN concluirá que há um conflito do identificador da PAN se, ou um beacon frame estiver recebido pelo coordenador da PAN com o subespaço do coordenador da PAN ajustado em 1, isto é transmitido pelo coordenador da PAN, e pelo identificador da PAN é igual ao macpanid ou um comando de notificação de conflito de identificador da PAN foi recebido pelo coordenador da PAN de um dispositivo em sua PAN. O dispositivo concluirá que um conflito do identificador da PAN está acontecendo se um beacon frame for recebido pelo dispositivo com o subespaço do coordenador da PAN ajustado em 1, o identificador igual ao macpanid, um endereço da PAN que não seja igual aos maccoordshortaddress e aos maccoordextendedaddress. Na detecção de conflito do identificador da PAN por um dispositivo, ele gerará o comando de notificação e emitirá ao coordenador da PAN. Se o comando for recebido corretamente, o coordenador da PAN emitirá um ack e resolverá o conflito. Na detecção de conflito do identificador da PAN por um coordenador, o coordenador executará primeiramente uma varredura e selecionará então um novo identificador da PAN baseado na informação da varredura. O coordenador transmitirá então o comando de realinhamentação do coordenador que contém um novo identificador da PAN com o campo deste de fonte igual ao valor no macpanid. Uma vez que o campo do realinhamentação do coordenador foi emitido ajustará o macpanid ao novo identificador da PAN Geração de Beacon Dependendo dos parâmetros da premissa MLME-START.request, o dispositivo FFD pode, operar em uma modalidade beaconless ou pode começar as transmissões de beacon, ou como um coordenador da PAN ou como um dispositivo em uma PAN previamente estabelecida. Um FFD que não seja o coordenador da PAN começará a transmitir beacons frames somente quando estiver associado com sucesso em uma PAN. Esta premissa inclui também os parâmetros

48 48 do macbeaconorder e do macsuperframeorder que determinam a duração do intervalo do beacon e a duração das parcelas ativas e inativas. A tempo da transmissão do beacon mais recente será gravado no macbeacontxtime e computado de modo que seu valor seja tomado do mesmo limite do símbolo em cada beacon frame, posição que é específica da execução Associação e Dissociação Um FFD pode indicar sua presença em uma PAN para os outros dispositivos transmitindo beacons frames. Isto permite que outros dispositivos executem o processo de descoberta do dispositivo (perform device discovery). Um FFD que não seja um coordenador da PAN começará a transmitir beacons frames somente quando associado com sucesso a uma PAN. A associação de um dispositivo começa logo em seguida que completada uma varredura no canal ativo ou uma varredura passiva no canal. A varredura passiva, como uma varredura ativa, permite que um dispositivo encontre todos os frames transmissores de beacons do coordenador dentro de sua POS, visto que, o comando de pedido de beacon não é requerido pela varredura passiva. Os resultados da varredura do canal são usados então para escolher uma PAN apropriada. Um dispositivo tentará associar-se somente com uma PAN que esteja atualmente permitindo associações. Depois da seleção de uma PAN apropriada para se associar, as camadas superiores pedem que o MLME configure: o phycurrentchannel para o canal lógica apropriado, o macpanid para o identificador da PAN e de maccoordextendedaddress ou de maccoordshortaddress ao endereço do coordenador com que ele associou. Um dispositivo não associado iniciará o procedimento da associação emitindo um comando de pedido de associação ao coordenador de uma PAN existente. Se o comando de pedido da associação for recebido corretamente, o coordenador emitirá um reconhecimento (ack). Este reconhecimento, entretanto não significa que o dispositivo tenha sido associado pelo coordenador. O coordenador necessita de um tempo para determinar se as fontes atuais, disponíveis em uma PAN, são suficientes para permitir que um outro dispositivo associe-se. Esta decisão deve ser feita dentro dos símbolos de aresponsewaittime. Se recém associado, o dispositivo remove todas suas informações. Se os recursos suficientes estiverem disponíveis, o coordenador alocará um endereço curto ao dispositivo e gerará um comando de resposta de associação que contem o endereço novo para indicar o status de associação bem sucedida. Se não

49 49 houver recursos suficientes, o coordenador gerará um comando de resposta da associação que contem um status que indica ocorrência de falha. Esta resposta é emitida ao dispositivo usando a transmissão indireta (pendente, pedido, etc). [1] No outro lado, o dispositivo, após ter começado o frame de reconhecimento (acknowledgement frame), espera pela resposta dos símbolos do aresponsewaittime. Ele verifica os beacons na rede beacon-ativado ou extrai o comando de resposta da associação do coordenador após o símbolos aresponsewaittime. Na recepção do comando de resposta da associação, o dispositivo emitirá um reconhecimento (ack). Se a associação for bem sucedida e armazena o endereço do coordenador com que associou. O procedimento da associação é mostrado na figura 3.17 ao lado do coordenador e na figura 3.18 ao lado do dispositivo.

50 Figura 3.17 Associação de um dispositivo: processo do coordenador. 50

51 51 Figura 3.18 Associação de um dispositivo: processo do dispositivo. Conforme as normas da Zigbee Alliance, quando um coordenador quer que um de seus dispositivos associados deixe a PAN, ele emitirá o comando de notificação de desassociação (disassociation notification command) ao dispositivo usando a transmissão indireta. Na recepção

52 52 do pacote, o dispositivo deve emitir o frame do reconhecimento (ack). Mesmo se o ack não for recebido, o coordenador considerará o dispositivo desassociado. Se um dispositivo associado quiser sair da PAN, ele emitirá um comando de notificação de desassociação ao coordenador. Em cima da recepção, o coordenador emite o ack. Mesmo se o ack não for recebido, o dispositivo se considerará desassociado. [1] Um dispositivo associado deve desassociar a si mesmo removendo todas as referências para PAN. Um coordenador deve desassociar um dispositivo removendo todas as referências existentes sobre esse dispositivo Sincronização Para PANs que suportam beacons, a sincronização é executada recebendo e decodificando frames de beacon. Para as PANs que não suportam beacons, a sincronização é executada pela votação do coordenador para dados. Em uma rede beacon-ativado, dispositivos deverão ser permitidos para adquirirem a sincronização somente com os beacons que contenham o identificador da PAN especificado no macpanid. Seguindo isso é especificado na primitiva MLME-SYNC.request, assim o dispositivo tentará adquirir o beacon e manter-se seguido pela ativação regular e oportuna de seu receptor. Seu receptor permitirá antes a transmissão prevista do frame seguinte ao beacon, isto é, imediatamente antes do começo do superframe seguinte. Se o seguinte não for especificado, o dispositivo tentará adquirir somente uma vez o beacon. Para adquirir a sincronização do beacon, um dispositivo permitirá seu receptor e procurará pelo maior símbolo de abasesuperframeduration * (2 n + 1), onde n é o macbeaconorder. Se um frame beacon contém o atual identificador da PAN do dispositivo e não for recebido, o MLME repetirá a busca. Uma vez que o número de beacons faltantes alcançou amaxlostbeacons, o MLME notifica a camada superior seguinte emitindo MLME-SYNC-LOSS.indication com uma reason BEACON-LOSS. [1] O MLME deve timestamp a cada frame recebido da baliza no mesmo limite do símbolo dentro de cada frame, a posição de que é específico da execução. Em uma rede não beacon-ativo, os dispositivos poderão ser votados pelo coordenador para dados na descrição da camada superior seguinte. No recibo da primitiva MLME-POLL.request, os MLME seguem o procedimento para extração durante os dados do coordenador.

53 53 Um outro problema com sincronização são os dispositivos órfãos (orphaned device). Se a camada superior seguinte receber repetidas falhas de comunicação depois de seus pedidos de transmissão de dados, ele concluirá que estará se tornando um órfão. Uma única falha de comunicações ocorre quando uma transação de dispositivos não alcança o coordenador, isto é, um acknowledgement não está sendo recebido depois que um amaxframeretries tentar emitir dados. Se a camada superior seguinte concluir o dispositivo órfão pode ou restaurar o subnível MAC e para executar o procedimento de associação ou executar o procedimento de realinhamento do dispositivo órfão. Se a decisão for para o alinhamento do dispositivo órfão, a varredura do órfão é executada. Durante a varredura do órfão, o subnível MAC rejeitará todos os frames recebidos sobre o serviço dos dados de PHY, que não são frames do comando MAC de realinhamentação do coordenador. Para cada excesso do canal lógico sobre a especificação dos canais lógicos, o dispositivo emite um comando de notificação do órfão. O dispositivo permitirá então, seu receptor ir para o maior símbolos do aresponsewaittime. Se o dispositivo receber com sucesso um comando de realinhamento do coordenador dentro deste tempo, o dispositivo incapacitará seu receptor. [1] Se um coordenador receber o comando de notificação de órfão (orphan notification command), ele procurará sua lista de dispositivos pelo dispositivo que emite o comando. Se o coordenador encontrar um registro do dispositivo, emitirá um comando do realinhamento do coordenador ao dispositivo órfão, se não, ele ignorará o pacote. A varredura de órfãos termina quando o dispositivo receber um comando do realinhamento do coordenador ou quando a especificação de ajuste dos canais lógicos tiver sido procurada Transmissão, recepção e Acknowledgement Para transmitir um dado, um beacon ou um frame de comando MAC, o subnível MAC deve copiar o valor do masdsn a seqüência numérica dentro do campo MHR do frame, que parte e incrementa-o então por um. O campo de endereço da fonte conterá o endereço do dispositivo emissor do frame. Se o dispositivo for alocado com um endereço curto, ele usará esse endereço na preferência a seu endereço estendido 64 bit. Se o campo de endereço da fonte não estiver presente, o dispositivo que gerou o frame estará assumindo a posição de um coordenador da PAN e o endereço de destino irá conter o endereço do receptor. O endereço de destino conterá o endereço do receptor pretendido do frame, que poderá ser um endereço curto de 16 bit ou um

54 54 endereço estendido de 64 bit. Se o campo de endereço do destino não estiver presente, o receptor do frame assumirá para ser o coordenador da PAN. O endereço do destino e o endereço da fonte podem estar em diferentes PANs, que é identificado pelos campos do identificador da PAN. [1] Em uma PAN beacon-ativado, o dispositivo transmissor tentará encontrar o beacon antes de transmitir. Se não puder encontrar o beacon, ele usará um frame sem o slot CSMA-CA. Uma vez que o beacon é encontrado, transmite em uma parcela apropriada do superframe. A transmissão no CAP usará o slot CSMA-CA e aquelas em GTS não usarão o CSMA-CA. Em uma rede não beacon-ativado, os frames são transmitidos usando um slot sem CSMA-CA. Em cima da recepção dos pacotes, o subnível MAC rejeitará todos seus frames recebidos que não contenham um valor correto em seu campo do FCS no MFR. Conforme a Zigbee Specification, o receptor é importante se analisarmos o consumo de energia do dispositivo, onde o mesmo pode escolher se o subnível MAC deve ativar seu receptor durante períodos inativos (idle). Durante estes períodos inativos, o subnível MAC abaixará a quantidade de pedidos de tarefas do transceptor de serviço da camada superior. Na conclusão de cada tarefa do transceptor, o subnível MAC solicitará que o PHY permita ou incapacite seu receptor, dependendo se o macrxonwhenidle estiver ajustado para verdadeiro (TRUE) ou falso (FALSE), respectivamente. Se o beacon for permitido, o valor do macrxonwhenidle será considerado somente durante períodos inativos do CAP. Uma outra característica para a conservação de energia do padrão do IEEE é a característica indireta da transmissão. As transações começam pelos dispositivos entre eles mesmos melhor que pelo coordenador. Ou seja, nem o coordenador não necessita indicar em sua beacon quando as mensagens são pendentes para dispositivos, nem os dispositivos entre eles mesmos necessitam aprovação do coordenador para determinar se têm quaisquer mensagens pendentes. Um dispositivo numa PAN beacon-ativado pode determinar se alguns frames são pendências para ele, examinando os conteúdos do frame recebido do beacon. Se o endereço do dispositivo for contido no campo da lista de endereços do frame do beacon, o MLME do dispositivo emitirá um comando do pedido dos dados ao coordenador durante o CAP. Em cima da recepção deste comando, o coordenador emitirá um ack. Ele indica se algum dado é pendência para esse dispositivo no frame do ack. No recibo do ack, o dispositivo permitirá a seu receptor receber: o maior símbolos no CAP de amaxframeresponsetime em uma PAN beaconativado ou símbolos em uma PAN não beacon-ativado, do frame correspondente do

55 55 coordenador. Se houver um dado pendente, o coordenador deve emitir um frame de solicitação e outro frame que contenha o payload de comprimento zero, indicando que nenhum dados está faltando. O frame dos dados é transmitido sem usar o CSMA-CA, se o subnível MAC puder começar a transmissão do frame dos dados entre o aturnaroundtime e os símbolos de aturnaroundtime + aunitbackoffperiod e também se houver tempo restante no CAP para a mensagem, IFS apropriado e reconhecimento usando o CSMA-CA de outra maneira. Um frame transmitido com o campo do pedido de acknowledgement ajustado em 1 será reconhecido pelo receptor. Se o receptor pretendido receber corretamente o frame, gerará e emitirá um frame de acknowledgement contendo o mesmo DSN dos dados ou do frame de comando MAC que está sendo reconhecido. A transmissão do ack começará entre o aturnaroundtime e os símbolos do aturnaroundtime + aunitbackoffperiod após a recepção do último símbolo dos dados ou do frame de comando MAC. [1] [4] Alocação de GTS e Gerenciamento Um GTS permite que um dispositivo opere sobre o canal, dentro de uma parcela do superframe que é dedicado exclusivamente a esse dispositivo. Um dispositivo tentará alocar e usar um GTS somente se ele estiver atualizado segundo os beacons. Um GTS será alocado somente pelo coordenador da PAN e ele será usado somente para comunicações entre o coordenador da PAN e um dispositivo. Um único GTS pode estender sobre um ou mais slots do superframe. O coordenador da PAN pode alocar até sete GTSs ao mesmo tempo, desde que haja capacidade suficiente no superframe. Um GTS poderá ser alocado antes mesmo de ser usado. Pelo com o coordenador da PAN decide se alocar um GTS baseado nos requerimentos do GTS requisitado (GTS request) ou a capacidade disponível atual no superframe. GTS pode ser alocado na base primeiro-vindoprimeiro-serve (first-come-first-server) e todos os GTSs poderam ser alocados continuamente até o fim do superframe e após o CAP. Cada GTS poderá ser desalocado quando o GTS não é continuamente requerido, e um GTS pode ser desalocado em qualquer tempo na discretização do coordenador da PAN ou pelo dispositivo que originalmente requisitou os GTSs. Um dispositivo que aloca um GTS também pode operar em CAP.

56 56 A gerência do GTSs será empreendida somente pelo coordenador da PAN. Para cada GTS, o coordenador da PAN será habilitado para armazenar seus slots de partida, comprimento, sentido e endereço de dispositivo associado. A direção do GTS é especificada como sendo: transmitir ou receber. Cada dispositivo pode pedir um transmissor GTS (transmite GTS) e/ou um recebe GTS (receive GTS). Para cada GTS alocado, o dispositivo será habilitado a armazenar seus slots de partida, comprimento e sentido. Se um dispositivo for alocado para receber GTS (receive GTS), ele habilitará seu receptor do GTS por completo. Da mesma maneira, um coordenador da PAN habilitará seu receptor por completo do GTS se um dispositivo for alocado como transmite GTS (transmite GTS). Conforme a IEEE um dispositivo é instruído para pedir o alocamento de um novo GTS com o comando de pedido de GTS, com características de GTS (sentido, comprimento, etc) ajustando de acordo com as exigências da aplicação pretendida. No recibo deste comando, o coordenador da PAN emitirá um frame do reconhecimento (acknowledgement). Depois da transmissão do ack, o coordenador da PAN deve primeiramente verificar se há capacidade disponível no atual superframe baseado no comprimento restante do CAP e no comprimento desejado do GTS pedido. O superframe terá capacidade disponível se o número máximo de GTSs não for alcançado e se alocando um GTS de comprimento desejado não reduzir o comprimento do CAP menor que amincaplength. O coordenador da PAN fará sua decisão dentro dos agtsdescpersistencetime do superframes. No recibo do ack do coordenador, o dispositivo continuará a seguir os beacons e a esperar pelos agtsdescpersistencetime do superframes. Se não houver nenhum GTS decriptador no superframe, ele notificará a camada superior sobre a falha. Quando o coordenador determina a capacidade que está disponível para o pedido de GTS, ele gera um GTS decriptador com as especificações pedidas e o endereço curto do dispositivo pedido. Indica o comprimento e o começo do GTS no superframe e notifica a camada superior de um novo GTS alocado. Se não houver uma capacidade suficiente para alocar o GTS pedido, o slot inicial será ajustado para 0 e o comprimento dos GTSs mais largos que podem ser suportados atualmente. Este GTS decriptador permanecerá no beacon frame para agtspersistencetime do superframes. No recibo do beacon frame, o dispositivo deve processar o decriptografador e notificará a camada superior seguinte do sucesso ocorrido.

57 57 Da mesma maneira, um dispositivo é instruído a pedir a desalocação de um GTS existente com o comando do pedido de GTS, usando as características do GTS que deseja ser desalocado. A partir deste ponto, o GTS para ser desalocado não será utilizado pelo dispositivo. Então um ack do coordenador da PAN é enviado para o dispositivo. O coordenador da PAN então desaloca o pedido das características de GTS nos pacotes combinados daqueles em seu alocamento. O coordenador da PAN deve assegurar que todos os gaps (aberturas) que ocorrem no CFP, aparecendo devido a desalocação de um GTS, sejam removidos para maximizar o comprimento do CAP. O MLME do coordenador da PAN tentará também detectar quando um dispositivo parou de usar um GTS usando as seguintes regras: Para transmitir um GTS frame, o MLME do coordenador da PAN deve supor que o dispositivo não está mais usando o GTS se um frame dos dados não for recebido pelo menos 2*n superframes. Para receber GTSs, o MLME do coordenador da PAN deve supor que o dispositivo não está mais usando seu GTS se um akcnowledgement frame não for recebido pelo menos 2*n superframes. O valor de n é igual a 2 8-macBeaconOrder se 0 macbeaconorder 8 e 1 se 9 macbeaconorder 14. [1] Formato do Frame MAC O formato geral do frame do MAC é dado na figura Cada frame do MAC consiste nos seguintes componentes básicos: Figura 3.19 Representação do frame do MAC. MHR, que compreende o controle do frame, o número de seqüência, e a informação do endereço. Um MAC payload de comprimento variável, que contem as informações especificas do tipo de frame. Os Acknowledgements frames não contêm um payload. A MFR, que contem o FCS.

58 58 LR-WPAN define 4 estruturas do frame: beacon frame (figura 3.20), data frame (figura 3.21), acknowledgement frame (figura 3.22), MAC command frame (figura 3.23). Figura 3.20 Representação do Frame de Beacon (Beacon Frame). Figura 3.21 Representação do Frame de Dados (Data Frame). Figura 3.22 Representação do Frame de Acknowledgement (ACK frame).

59 Figura 3.23 Representação do Frame de Comando MAC (MAC Command Frame). 59

60 3.4. Camada de roteamento Zigbee O algoritmo de roteamento ZigBee pode ser pensado como uma estratégia de roteamento hierárquico com otimização table-driven aplicados onde for possível. A camada de roteamento é dita, para começar, com um anúncio bem-estudado do algoritmo de domínio publico Ad hoc no vetor da distância da demanda (AODV Ad hoc On Demand Distance) e o algoritmo Cluster- Tree AODV: Ad hoc On Demand Distance Vector O AODV é um algoritmo de aquisição da rota sobre demanda, onde os nós que não se encontram em trajetos ativos, nem mantêm toda a informação de distribuição nem participam em qualquer tabela de distribuição periódica trocam. Mas, um nó não deve descobrir e manter uma rota a um outro nó até que haja a necessidade de dois comunicarem-se, a menos que o nó anterior esteja oferecendo serviços como uma estação intermediária do encaminhamento para mantendo uma conexão entre outros dois nós. Os objetivos primários do algoritmo são transmitir pacotes de descoberta somente quando necessário, distinguí-los entre a gerência local de conectividade e a manutenção geral da topologia e disseminar a informação sobre mudanças no local de conectividade para aqueles nós móveis da vizinhança, que provavelmente necessitam da informação. Quando um nó da fonte necessita se comunicar com um outro nó e para que não tenha nenhuma informação de distribuição em sua tabela, o processo da descoberta do trajeto (Path Discovery) é iniciado. Todo nó mantém dois contadores separados: número de seqüência (Sequence Number) e identificação da transmissão (broadcast id). O nó da fonte inicializa a descoberta do trajeto por envio de um pacote de pedido da rota (RREQ Route Request) para seus vizinhos, que incluem o addr da fonte (source addr), número de seqüência da fonte (source sequence), identificação da transmissão (broadcast id), addr do destino (dest addr), número de seqüência do destino (dest sequence number), hop cnt. O número de seqüência da fonte é para manter atualizado sobre a informação da rota reversa onde o número de seqüência do destino é para manter atualizado sobre a rota para o destino antes que possa ser aceito pela fonte. [1] O par source addr, broadcast ID identifica unicamente uma transmissão uma RREQ, o qual uma broadcast ID é incrementada sempre que a fonte emite um RREQ. Quando um nó

61 61 intermediário recebe um RREQ, se já tenha recebido um RREQ com o mesmo endereço da identificação (broadcast ID) e da fonte da transmissão (source address), ele deixa cair o RREQ redundante e não o re-transmite. Se não, o re-transmite a seus próprios vizinhos após ter aumentado hop cnt. Cada nó mantém a seguinte informação: IP ADDRESS do destino, IP ADDRESS da fonte, identificação da transmissão, tempo da expiração para a entrada reversa da rota do trajeto e número de seqüência do nó da fonte. Enquanto o RREQ viaja de uma fonte para os destinos, automaticamente ajusta o trajeto reverso de todos os nós após a fonte. Para ajustar um trajeto reverso, um nó grava o endereço de seu vizinho, de quem ele recebeu a primeira cópia de RREQ. Estas rotas reversas do trajeto são mantidas pelo tempo necessário para que o RREQ atravesse a rede e para produzir uma resposta ao remetente. Quando o RREQ chegar em um nó, possivelmente o destino de si próprio que possui a rota atual do destino, o nó de recepção primeiramente irá verificar se o RREQ foi recebido sobre uma ligação bidirecional. Se este nó não for destinado, mas tem rota para o destino, ele determinará se a rota é atual por acompanhamento do número de seqüência do destino em sua própria entrada da rota para o número de seqüência do destino no RREQ. Se o número de seqüência do RREQ para o destino for maior do que aquele gravado pelo nó intermediário, o nó intermediário não deve usar esta rota para responder ao RREQ, substituindo reenvio de um RREQ. Se a rota tiver um número de seqüência do destino que seja maior ou igual do que aquele contido no RREQ, mas um valor menor do que a contagem hop, ele pode não dar um pacote de resposta da rota (RREP route reply packet) de volta para seu vizinho que recebeu um RREQ. Um RREP contém a seguinte informação: addr da fonte, addr do destino, número de seqüência do destino, hop cnt e tempo de vida (lifetime). Enquanto o RREP viaja de volta para a fonte, cada nó ao longo do trajeto ajusta o ponteiro para o nó de que o RREP veio, atualiza sua informação do intervalo de parada (timeout) para entradas da rota a fonte e ao destino, e grava a última seqüência do destino para o destino pedido.

62 62 Figura 3.24 Formação do caminho direto e reverso pelo protocolo AODV. Os nós que estão ao longo do trajeto determinado pelo intervalo RREP do ponto de escolha do RREP depois que o temporizador expirar o pedido da rota, suprimirão os ponteiros reversos desde que não estejam no trajeto da fonte ao destino como mostrado acima (figura 3.24). O valor deste tempo de intervalo depende do tamanho da rede Ad Hoc. Também há um intervalo de parada caching da distribuição que é associado com cada entrada da distribuição para mostrar o tempo depois que a rota é considerada ser inválida. Uma entrada da rota é usada cada vez para transmitir dados de uma fonte para um destino, o intervalo de parada para a entrada é restaurada ao tempo atual mais o active-route-timeout. O nó da fonte pode começar a transmissão de dados assim que o primeiro RREP for recebido, e pode mais tarde atualizar sua informação de distribuição se ele aprender uma rota melhor. Cada entrada da tabela de distribuição inclui os seguintes campos: destino, hop seguinte, número de hops (métricas), número de seqüência para o destino, vizinhos ativos para esta rota, tempo da expiração para a entrada da tabela da rota. Para a manutenção do trajeto, cada nó mantém o endereço dos vizinhos ativos através de pacotes entregues ao destino que são recebidos e são mantidos. Este vizinho é considerado ativo se ele originar ou retransmitir pelo menos um pacote para que o destino com o último período do ativo-intervalo. Uma vez que o hop seguinte no trajeto da fonte ao destino tornar-se não alcançável (mensagens de HELLO não são recebidas por um certo tempo, mensagens de HELLO asseguram que somente os nós com conectividade bidirecional estejam considerados com os vizinhos, conseqüentemente cada mensagem de HELLO incluindo os nós de que o nó

63 63 tenha escutado), o nó de upstream da ruptura propaga um RREP não solicitado com uma atualização do número de seqüência e contagem de infinitos hops para todos nós upstream ativos. Este processo continua até que todos os nós ativos da fonte estejam notificados. Assim, recebendo a notificação de uma ligação quebrada, os nós da fonte podem reiniciar o processo de descoberta se eles ainda requererem uma rota para o destino. Se eles decidirem que é necessário de reconstruir a rota para o destino, ele envia para fora um RREQ com o número de seqüência do destino maior que o número de seqüência previamente conhecido, para assegurar que ele construa uma nova rota, viável e que nenhum nó responda se considerar ainda a rota precedente como válida Algoritmo Cluster-Tree O protocolo da Cluster-Tree é um protocolo das camadas lógicas de ligação e de rede que usa pacotes de ligação-estado para dar forma única à rede do cluster ou uma rede potencialmente maior da rede cluster-tree. A rede basicamente auto-organizável e suporta redundâncias da rede para alcançar um grau de resistência a falhas e auto-reparos. Os nós selecionam um Cluster Head e dão forma ao cluster de uma maneira autoajustável. Então os clusters autodesenvolvidos se conectam com outros utilizando o dispositivo designado (DD Designated Device) Rede Cluster simple O processo da formação do cluster começa com a seleção do Cluster Head (CH). Depois que um Cluster Head é selecionado, o próprio expande as ligações com outros nós membros para dar forma a um cluster. Depois de um nó ser ativado, faz a varredura pelos canais para procurar uma mensagem de HELLO de outros nós (mensagens de HELLO correspondem às beacons na camada MAC da IEEE ). Se não puder pegar nenhuma mensagem de HELLO por algum tempo, então ele volta para um Cluster Head como mostrado na figura 3.25 e emite uma mensagem de HELLO para seus vizinhos. O novo Cluster Head espera pelas respostas dos vizinhos por algum tempo. Se não receber nenhum pedido de conexão, ele retorna para um nó regular e escuta outra vez. A Cluster Head pode também ser selecionada em parâmetros armazenados de cada nó, como a escala de transmissão, a capacidade do poder, a habilidade computacional ou a informação da posição.

64 64 Figura 3.25 Seleção do processo do Cluster Head. Após transformar o Cluster Head (CH), o nó irá transmitir uma mensagem periódica de HELLO que contenha uma parte do MAC address do Cluster Head e do nó ID 0 que indica o Cluster Head. Os nós que recebem esta mensagem emitem uma mensagem de pedido de conexão (connection request) ao Cluster Head. Quando o CH recebe, ele responde ao nó com uma mensagem de resposta de conexão (connection response) que contenha um nó ID para o nó (o nó ID corresponde ao curto endereço na camada MAC). O nó que é atribuído a um nó ID, responde com uma mensagem ACK ao Cluster Head. A troca da mensagem é mostrada em figura Figura 3.26 Troca de mensagens entre o Cluster Head e o dispositivo. Se todos os nós forem locados no alcance do Cluster Head, a topologia da conexão transforma-se uma estrela e os nós membros são conectados ao Cluster Head com um hop. Um cluster pode expandir em uma estrutura multihop quando cada nó suporta múltiplas conexões. A troca da mensagem para o cluster multihop ajustado é mostrada na figura 3.27.

65 65 Figura 3.27 Processo de ajuste do Cluster Multi Hop. Se o Cluster Head funcionar fora de todos os nós IDs ou o cluster alcançar algum outro limite definido, ele deve rejeitar os pedidos de conexão dos novos nós. A rejeição é como a atribuição de um ID especial ao nó. A entrada da lista vizinha e das rotas é atualizada pela mensagem periódica de HELLO. Se um nó não atualiza e entrar até um determinado limite do intervalo de parada, ele deve ser eliminado. Um nó pode receber uma mensagem HELLO de um nó que pertença a um cluster diferente. Nesse caso, o nó adiciona o cluster ID (CID) do nó transmissor na lista vizinha e então emite um relatório do estado da ligação (link state report) ao CH, de modo que o CH fique sabendo que os clusters de seu cluster tem interseção. A mensagem de relatório do estado da ligação (link state report) também contém a lista de ID dos nós vizinhos para que o CH saiba a topologia completa e poder fazer a topologia otimizada. Se a mudança na topologia for requerida, então o CH emite uma mensagem de atualização da topologia (topology update). Se um membro receber uma mensagem de atualização da topologia (topology update) que um nó pai diferente está ligado, isso ocasiona na mudança do nó pai como indicado na mensagem e também grava os seus nós filhos e os nós abaixo dele na árvore. Se um nó membro tiver o problema e tornar-se incapaz de se comunicar, a rota da árvore do cluster vai ser re-configurada. O CH sabe que a presença de um problema pelo reporte do

66 66 estado da ligação (link state report). Quando o Cluster Head tem um problema, a distribuição de mensagens de HELLO é paralisada e todos os nós membros sabem que perderam o CH. O cluster será re-configurado da mesma maneira que o processo da formação dele Rede Multi-Cluster Para dar forma a uma rede, um dispositivo designado (DD Designated Device) é necessário. O DD tem a responsabilidade de atribuir um único ID cluster a cada Cluster Head. Este ID cluster combinado ao ID nó que o Cluster Head atribui a cada nó dentro dos formulários de um cluster em um endereço lógico é usado para distribuir pacotes. Outro papel do DD é de calcular a rota mais curta do cluster e informá-la a todos os nós dentro da rede. Quando o DD se junta à rede, age como o CH (Cluster Head) do cluster 0 e começa emitir mensagens de HELLO à vizinhança. Se um CH receber esta mensagem, emite outra de pedido de conexão e se junta ao cluster 0. Após isto, o CH pede um CID para o DD, neste caso, o CH está há um nó da beira que tem dois endereços lógicos. Um para o membro do cluster 0 e o outro é para um CH. Quando o CH começa um novo CID, ele informa a seus nós membros por uma mensagem de HELLO. Se um membro receber uma mensagem HELLO do DD, ele adiciona CID 0 em suas lista de vizinhos e relata para seu CH. O CH relatado seleciona o nó do membro como um nó da beira a seu cluster pai e emite a uma mensagem de pedido de conexão da rede ao nó do membro para ativar uma conexão com o DD. O nó da beira pede uma conexão e junta o cluster 0 como seu nó membro. Então emite uma mensagem de pedido de CID (CID REQUEST) ao DD. Após a chegada da mensagem de resposta de CID (CID RESPONSE), o nó da beira emite a mensagem de resposta de conexão de rede que contém um novo CID ao CH. Quando o CH recebe o novo CID, ele informa a seus nós membros pela mensagem de HELLO. [1] Os clusters que não são bordas do cluster 0 usam clusters intermediários para receber um CID. Novamente, um CH transforma-se em um nó da beira de seu cluster pai ou o CH nomeia um nó membro como beira de seu cluster pai. Estes processos são mostrados em figuras 3.28, 3.29, 3.30 e 3.31.

67 67 Figura 3.28 Representação da Tarefa CID 1. Figura 3.29 Representação da Tarefa CID 2.

68 68 Figura 3.30 Representação da Tarefa CID 3. Figura 3.31 Representação da Tarefa CID 4. Cada nó membro do cluster tem que gravar seu cluster pai, cluster filho e o IDs do nó da beira associado com ambos pai e filho clusters. O DD deve armazenar a estrutura da árvore dos clusters. Como os nós nos clusters há o relatório do CHs sobre suas informações do estado de suas ligações ao DD. O CH emite periodicamente uma mensagem do relatório do estado da ligação da rede que contenha sua lista CID de cluster vizinho ao DD. Então esta informação pode ser usada para calcular a rota otimizada e atualizar periodicamente a topologia para a redundância da rede.

69 69 Da mesma maneira, o DD pode emitir a mensagem de atualização da topologia para informar a rota atualizada do DD para os clusters. Um DD de apoio (BDD Backup DD) pode ser preparado para impedir a rede de parar ou de ter sua capacidade diminuir devido ao problema do DD. Uma comunicação Inter-Cluster, como é mostrada na figura 3.32, é realizada pelo roteamento. Os nós da beira agem como os roteadores que conectam os clusters e enviam os pacotes entre os clusters. Quando um nó da beira recebe um pacote, examina o endereço de destino, então o envia ao nó seguinte da beira do cluster adjacente ou ao nó de destino dentro do cluster. Somente o DD pode emitir uma mensagem para todos os nós presentes na rede. A mensagem é enviada ao longo da rota da árvore dos clusters. O nó da beira deve enviar o pacote da transmissão do cluster pai para o cluster filho. Figura 3.32 Uma rede multi cluster e os nós das bordas.

70 3.5. Codificação O padrão IEEE usa codificação de Espalhamento Espectral por Seqüência Direta ou também conhecida por DSSS (Direct Sequence Spread-Spectrum). Nesta técnica uma seqüência pseudo-aleatória de valores 1 e -1, numa freqüência mais elevada, é multiplicada ao sinal original, causando espalhamento da energia do sinal numa banda mais larga; apresenta maior transferência de dados do que a contraparte FHSS, devido à menor sobrecarga do protocolo. A DSSS é uma forma de modulação spread-spectrum que gera um padrão redundante de bits para cada bit transmitido. O acesso do canal é feito em função de coordenação conhecida como CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) com acknowlegmente positivo dos pacotes que chegam ao destino com sucesso. Ou seja, quando um nó deseja fazer transmissão ele envia um sinal de aviso por tempo suficiente para que todos os componentes da rede o recebam e só assim que os dados são transmitidos. Este método é obrigatório para todos os Pontos de Acessos (AP Access Point) onde os serviços fornecidos pela coordenação são usados para transmissão de tráfego assíncrono. O mecanismo tem um esquema de acesso randômico com sensor do meio que tenta evitar colisões através de um backoff time aleatório. [4] [2] Quando o meio estiver inativo pelo menos na duração DIFS (DCF Inter Frame Space), uma estação pode acessar o meio imediatamente permitindo que um atraso de acesso curto permaneça. Mas, tão logo mais e mais estações tentarem acessar o meio, outros mecanismos de controle são necessários. Se o meio estiver ocupado, estações têm que esperar pela duração de DIFS, e depois têm que entrar numa fase de contenção. Cada estação escolhe um backoff time aleatório, dentro de uma janela de contenção (Contention Windows), e tenta acessar o meio depois de passado esse intervalo de tempo aleatório. Se, passado esse intervalo de tempo, o meio estiver ocupado, essa estação perdeu este ciclo e tem que esperar até a próxima chance, ou seja, até que o meio esteja inativo novamente por um período de pelo menos DIFS. Mas, ao contrário, se passado o intervalo de tempo aleatório, o meio estiver ainda inativo, essa estação pode acessar o meio imediatamente.

71 71 Esse tempo de espera aleatório é escolhido como sendo um múltiplo de um time slot (dentro de um tamanho máximo da janela de contenção) que é derivado do atraso de propagação do meio, atraso da transmissão e outros parâmetros dependentes do meio físico. Se durante uma transmissão um sinal de aviso for detectado, o emissor interrompe o envio da mensagem, reiniciando a tentativa de transmissão após um período aleatório, com colisões opcionais de tempo escalonado ou time slots. Para interferências existe ainda o padrão de bits, chamado chip ou código de chip, que permite aos receptores filtrarem os sinais que não utilizam o mesmo padrão, incluindo ruídos ou interferências. [2] O código de chip cumpre duas funções principais: O transmissor gera um código que é inserido nos dados transmitidos e apenas o receptor estará habilitado a identificar e decifrar os dados enviados. O receptor receber os dados identifica como sendo de seu transmissor e decifrar as informações. O código de chip distribui os dados pela largura de banda disponível, fazendo isso o padrão permite uma maior probabilidade de recuperação dos dados originais. Se durante a transmissão um ou mais bits do chip sejam danificados, esse modelo recupera os dados originais usando técnicas estatísticas para recuperar a informação original sem necessidade de retransmissão do mesmo. Sinais não desejados em banda estreita ignoram os sinais de DSSS, considerando-os como ruídos de baixa potência em banda larga: Modulação QPSK; Taxas de transmissão ou de transferência chegam até 250 kbps; Suporta picos de informação de aproximadamente 128 kbps; O tempo de conexão para unir-se a rede é de 30 milisegundos com atrasos de mudança típica de 15 milisegundos ou seja muito mais rápido para a correção da latência; Protocolos são empilhados com até 28 kbits; Protocolo é otimizado para aplicações em tempos críticos. Uma das principais vantagens desse protocolo frente aos outros modelos utilizados nas redes WPAN é a capacidade de poder formar uma rede grande, podendo expandir sua quantidade de nós para mais de [2]

72 72 O nó principal da rede pertencente ao coordenador (coordenador da PAN) que pode ser ativado com o tempo estimado de 30 milisegundos. Existem ainda os nós que estão em silêncio, também conhecidos como nós que entram em modo de espera, que podem ser ativados em 15 milisegundos. O coordenador da PAN coordena a entrada destes nós na rede de modo enumerado permitindo assim que os outros nós entrem na rede por um período de tempo curto. Quando neste curto período de tempo houver uma requisição para um nó se juntar à rede, o coordenador deve autorizar a entrada do mesmo na rede. [1]

73 3.6. Confiabilidade Sabemos que o ar não é um meio de transmissão muito confiável, pois temos um ambiente muito susceptível a dispersões, degradações, dependência de freqüências, diversos caminhos múltiplos e tantas outras situações que perturbam a segurança do sistema. Fora a possível ocorrência da presença de um dispositivo não desejado. Em cada camada do modelo ISO, há mecanismos de combate a essas degradações para otimizar a transmissão de dados onde através da camada física temos a disponibilidade do Direct Sequence com Frequency Agility (DS/FA) que usa uma seqüência especial de um chip. Quanto maior a quantidade de chips por símbolos, maior a capacidade do sistema de rejeitar multicaminhos e interferências. A Frequency Agility (FA), consiste na habilidade de trocar de freqüências para evitar interferência de alguma fonte de sinal. Além do DS temos na camada MAC, esta através do coordenador, supervisiona as transmissões efetuadas com sucesso verificando-as retornando um ACK; se o ACK não for recebido, o pacote é retransmitido após um timeout. O Coordinator buffering consiste em o nó coordenador da rede que tem como objetivo armazenar as mensagens para nós adormecidos até eles acordarem novamente. A rede, em particular na topologia Mesh, permite que dados sejam transmitidos por diferentes caminhos e a subcamada de suporte e aplicação conserva a segurança afastando os outros dispositivos que possam interromper os sinais da rede Segurança do IEEE Sabemos que o Zigbee foi desenvolvido para atuar em rede PAN visando à utilização de rede que necessitam de taxas de transferências modestas e suas aplicações podem ocorrer em diversos lugares, sofrendo alterações geográficas, já que é um modelo wireless. Sua utilização pode se em diferentes ambientes, por exemplo, podendo ser utilizado de casas até ambientes industriais, com diversas aplicações, desde sensores de iluminação chegando até sendo utilizado para sensores de proteção residencial e patrimonial. O importante objetivo de evitar ataques ou interferências em nossas redes é para manter nossas informações intactas, sem alterações nos dados, para que quando elas forem interpretadas não ocasionem numa mudança de informação e ocasionando num erro de informação.

74 74 Na IEEE existem alguns mecanismos de segurança para evitar que ocorra esses casos de interferências, como por exemplo a capacidade individual de cada nó conviver com falhas e a implementação de mecanismos de segurança na fase do desenho das redes. [2] As redes que usam sensores simples, que apenas enviam suas informações para o coordenador, normalmente são feitas para operar por períodos longos, sem intervenção de usuários, implicando uma nova ótica de programas (softwares) bem elaborados que farão com que os sistemas sejam simples e corretos no seu funcionamento. O protocolo de segurança da camada de aplicação lógica apresenta quatro tipos de segurança básica que se considera como: Controle de Acesso: evita que partes não autorizadas entrem e usem a rede. A integridade do sistema garante que as mensagens não foram modificadas durante o processo de transmissão e recepção em transito; Integridade das Mensagens: garantias dadas através do código de autenticação de mensagem designado por FCS ou por MIC (Message Integrity Code) incluído em cada pacote; Confidencialidade: autenticação de mensagens, é realizada por encriptação e a proteção contra repetição; ambas são efetuadas por inclusão nos quadros com seqüência incremental; Proteção e Repetição; feita na subcamada MAC, muito embora esta seja apenas ativada pelas camadas superiores dando a ela vários perfis de proteção para os dados que oferecem garantias distintas. Além dos 4 tipos de segurança salientados existem ainda vários perfis de segurança usados com especial observação. [2] Perfil de ativação por defeitos ou designados apenas como NENHUM; Perfil destinado apenas para a encriptação chamado de AES-CTR; Perfil destinado para a autenticação ou AES-CBC-MAC; Perfil destinado para autenticação e encriptação ou AES-CCM. Os perfis que garantem autenticação permitem um grau de configuração do número de bits que usam para definir o CRC. Os dispositivos dispõem de uma tabela de Access Control List (ACL) que escolhe um perfil de proteção que se baseia no endereço de origem e destino. A encriptação é feita através da inclusão ou adição de um valor único, e este dará a variabilidade do algoritmo de encriptação, ou seja, o valor é uma agregação do contador de

75 75 quadros, chaves e de blocos. As venerabilidades do IEEE advêm de 3 fontes distintas relacionando-se com o valor único, a gestão das chaves e a falta de proteção da integridade [7] Segurança da camada Zigbee A camada MAC faz o processamento de segurança, mas quem controla esse processo de segurança são as camadas superiores, ajustando as chaves de criptografia e determinando os níveis de segurança que deverão ser utilizados. Quando a camada MAC transmite (ou recebe) um frame, verifica o destino (a fonte do frame), recupera a chave associada com esse destino (fonte), e usa então esta chave para processar o frame de acordo com a rotina de segurança designada para a chave que está sendo usada. Cada chave é associada a uma única rotina de segurança e o cabeçalho do frame MAC possui um bit que especifica se a segurança para o frame está habilitada ou não. A camada MAC utiliza o padrão AES (Advanced Encryption Standard) como seu algoritmo de criptografia, descrevendo uma variedade de rotinas de segurança. Estas rotinas têm como objetivo prover a confidencialidade, a integridade e a autenticidade dos quadros da camada MAC. [4] Futuro do IEEE e Zigbee Conforme a Zigbee Alliance continua em aberto o desenvolvimento do padrão e atualmente há um grupo de trabalho que se encontra a desenvolver a versão 4a que visa criar uma camada física relacionada diretamente com o padrão USB. As condições de precisão e localização serão melhoradas para um metro, taxas escalonáveis com alcance melhorado de entre 20 à 40 metros no interior e até 1 km no exterior com o consumo de energia reduzido [4]. Além da versão 4a, existe ainda o grupo 4b que encontra-se a desenvolver a versão também chamada de 4b que planeja ter outras bandas alternativas disponíveis, bem como, corrigir problemas não tratados nas versões anteriores. A Texas Instruments comprou a Chipcon (fabricante do chip CC2420) e pretende lançar no mercado um novo chip que alem de proporcionar as mesmas características do CC2420 já vai trazer no mesmo dispositivo um microcontrolador para poder realizar melhores atividades e diminuir a necessidade da compra de componentes. O futuro do Zigbee depende da expansão dos mercados em que são usadas redes sensoriais, sendo a maior motivação com objetivo de ainda melhorar e aumentar a eficiência da gestão dos negócios [21].

76 76 Atualmente a Zigbee Alliance realiza experiências para utilização de sensores Zigbee alimentados por energia solar; com isto leva-nos a crer que num futuro próximo os sensores poderão funcionar de forma contínua, desfazendo-se da dependência das baterias tradicionais. A estimativa é que no futuro alguns sistemas poderão usar o IEEE como suporte sem a utilização do Zigbee ou possuir um grau de interoperabilidade [16].

77 77 4. Projeto do Hardware Para o projeto do hardware, primeiramente foi realizada uma pesquisa sobre os chips que possuem suporte para o padrão IEEE Na pesquisa foram encontrados dois chips que apresentavam as necessidades básicas para realização desse projeto. Existem dois fabricantes dos chips que já trazem o Zigbee. Para desenvolvimento do hardware, foi determinado que ele possuirá um chip responsável pela comunicação Zigbee. Haverá um microcontrolador que será responsável pelo software de gerenciamento de impressão (seção 5 deste trabalho), onde o mesmo terá uma lista de impressão e um relatório de impressão. Para armazenar os dados que serão impressos, o dispositivo contará com o auxilio de uma memória externa (SD card). Para realizar a comunicação do dispositivo com a impressora, será utilizada a porta USB da impressora, e para realizar essa comunicação, será utilizado o FT232BM. No dispositivo haverá um TLV3V3 que regulará a tensão da entrada do UBS para 3,3 Volts que alimentará os demais componentes. impressão. Figura 4.1 Diagrama do Hardware. Segue abaixo um maior detalhamento de cada componente do gerenciador de

78 Chip CC2420 (Smart card RF) O CC2420 é um chip desenvolvido pela Chipcon Products a pouco tempo comprado pela Texas Instruments e tem como objetivo satisfazer as premissas da ZIGBEE, oferecendo comunicação wireless utilizando os princípios do padrão IEEE Ele terá a freqüência 2.4 GHz como banda e proporcionando ao usuário um dispositivo de baixo consumo de energia de baixas taxas de transferências (250 kpbs). O CC2420 é uma solução de baixo custo e altamente integrada para comunicações wireless na faixa de 2.4 GHz com os regulamentos da rede mundial, como por exemplo, EN de ETSI e por EN classe 2 (Europa), parte 15 do FCC CFR47 (E.U.) e ARIB STD-T66 (Japão). O CC2420 fornece a sustentação extensiva para os pacotes com segurança, dados de buffering, estouro de transmissões, dados encriptados, autenticação dos dados, avaliação de desobstruída do canal, indicação da qualidade da ligação e informação do sincronismo do pacote. Estas são características que reduzem a carga no controlador do host e permite que CC2420 se conecte a um microcontrolador. A relação da configuração e a transmissão/recepção FIFOs do CC2420 são alcançadas através de uma relação de SPI. Em uma aplicação típica CC2420 será usado junto com a microcontrolador e alguns componentes passivos externos. [22]

79 79 Figura 4.2 Desenho da pinagem do CC2420. Características Transceptor de 2400 MHz MHz de RF; Propagação direta da seqüência de espectro (DSSS); Taxa de dados de 250 kbps, 2 MChip/s taxa do chip; O-QPSK com meio pulso do seno dando forma à modulação; Consumo muito baixo de RF (RX: 18.8 miliampères, TX: 17.4 miliampères); Sensibilidade elevada (-95 dbm); Elevado canal de rejeição adjacente (30/45 db); Elevado canal de rejeição alternativo (53/54 de DB); No Microchip VCO, LNA e PA; Suporte de baixa tensão ( ) com o regulador de tensão no microchip; Saída de energia programável; I/Q baixo-if decisão de recepção; I/Q direta conversão de transmissão;

80 80 Separação de transmissão e recepção de dados; 128 byte de transmissão de dados FIFO; 128 byte de recepção de dados FIFO; Baixa necessidade com componentes externos: Apenas referência com cristal e um número mínimo de agentes passivos; Não há necessidade de filtros externos; Fácil configuração de interface: Relação de 4 saídas SPI; Pulso de disparo de série de até 10 megahertz; Circuito CC2420 Figura 4.3 Diagrama de Bloco do CC2420. O Chip CC2420 segue a regulamentação da IEEE , como descrito na seção X.X. Junto ao chip existe também um software disponibilizado pela chipcon chamado de SmartRF Studio, para plataforma window, onde o usuário configura as características do chip.

81 81 O CC2420 caracteriza-se pelo baixo-se de receptor. O sinal recebido do RF é amplificado pelo Amplificador Low Noise (LNA) e convertido para quadratura (I e Q) a freqüência intermediária (SE). Em SE (2 megahertz), o complexo sinal de I/Q é filtrado, amplificado e digitalizado então pelo ADCs. Automático ganho de controle filtra o sinal do canal, correlação e símbolo de byte a sincronização é executada digitalmente. Quando o pino de SFD vai alto, este indica que foi detectado o começo do delimitador do frame. CC2420 protege os dados recebidos em 128 byte ao receber o FIFO. O usuário pode ler o FIFO através de uma relação em modo SPI. O CRC é verificado no hardware. RSSI e os valores da correlação são adicionados ao quadro. CCA está disponível em um pino que recebe dentro modalidade. As modalidades (sem buffer) de série dos dados estão disponíveis para finalidades do teste. O transmissor CC2420 é baseado em conversão direta. Os dados são protegidos em 128 byte que o CC2420 transmite FIFO (separar da recepção FIFO). O preâmbulo (seqüência de bits para sincronizar) e o começo do delimitador do frame que é gerado pelo hardware. Cada símbolo (4 bits) é espalhado usando o IEEE que espalha seqüência a 32 microchips e saída aos conversores digital/analógicos (DACs). Um filtro passa-baixas análogo passa o sinal ao conversor de quadratura (I e Q) misturado. O sinal do RF é amplificado no amplificador de energia (PA Power Amplifier) e alimenta a antena. Os circuitos internos do interruptor de T/R fazem relação e combinar com antenas de fáceis instalações. A conexão do RF é diferencial. Uma simples antena pode ser usada para single-ended. O sincronizador da freqüência está incluído dentro do próprio chip e uns divisores de fases. Um cristal deve ser conectado a XOSC16_Q1 e XOSC16_Q2 e para fornecer a freqüência de referência para sincronização. Um sinal digital de fechamento é disponível pelo PLL. A banda base digital inclui suporte para o quadro handling, reconhecimento de endereço, dados buffering e segurança do MAC. [22]

82 VCC 3V3 0 C 3 X1 C 4 R 3 C2 U VC O_GUAR D AV DD _VC O AV DD _PR E AV DD _R F1 GN D R F_P C C 2420 TXR X_SW ITC H R F_N GN D AV DD _SW N C N C Antena (50 ohms) C1 L3 R 2 L2 R1 L1 0 0 N C D VDD _R AM SO SI SC LK C Sn FI FO FI FOP C C A SFD D VDD 1.8 D VDD 3.3 N C AVD D_RF 2 AVD D_IF2 N C AVD D_AD C D VDD _AD C D GN D_GU AR D D GU ARD R ESETn D GN D D SUB_PAD S D SUB_COR E AV DD _C HP ATEST1 ATEST2 R_BIAS A VDD _I F1 VREG_I N VR EG_OUT VR EG_EN N C XOSC 16_Q1 XOSC 16_Q2 AVD D _XOSC16 VREG_E N 3V3 SO SI SCLK CSn FIFO FIFOP CC A SDF RESETn Figura 4.4 Representação do circuito de um CC2420. Abaixo segue a lista de componentes do circuito do CC2420, na tabela 4.1. Item R1 R2 R3 C1 C2 C3 C4 L1 L2 L3 X1 Descrição Resistor 43K Resistor 43K Resistor 43K Capacitor CERÂMICO 56pF Capacitor ELETROLÍTICO 0,1µF Capacitor CERÂMICO 27pF Capacitor CERÂMICO 27pF Indutor 8,2MH Indutor 22MH Indutor 1,8MH Cristal 16MHZ

83 83 U1 Chip CC2420 da Chipcon Tabela 4.1 Lista de componentes do circuito CC2420. Figura 4.5 Representação da comunicação do CC2420 com o Microcontrolador. O chip já trás completo suporte as necessidades para segurança das operações na camada MAC, como por exemplo, encriptação e autenticação dos dados. Outras funções já inseridas são como RSSI / Detecção de energia, indicação da qualidade do link, entre outros mecanismos para assegurar aos usuários qualidade de serviço do Zigbee. Para maiores informações sobre o CC2420 e suas características, você pode encontrar nesse link o data sheet: No data sheet você poderá encontrar maiores informações sobre suas caraterísticas, comunicação, dados sobre segurança da informação, informações sobre a interface com o microcontrolador, tempos de transmissão, configurações entre outras informações.

84 PIC18F2620 (Microcontrolador) Para ser o micro controlador do dispositivo será utilizado o PIC18F2620 da Microchip Technology Inc. Esse dispositivo possui 28 bits, com 10 bits de conversor A/D com tecnologia nanowatts, sendo ele Nele será armazenada a aplicação desenvolvida na seção 5 deste trabalho a cabe a ele fazer a recepção dos dados do CC2420, armazenar e administrar os dados do SD card e enviá-los pelo USB (FT232BM) para impressora. Para receber a aplicação do gerenciador, esse dispositivo possui em espaço interno, onde será gravado através de (detalhar linguagem) a programação do gerenciador. Figura 4.6 Desenho da pinagem do PIC18F2620. O PIC18F2620 cuidará da comunicação e armazenamento dos dados. Ao receber os dados do CC2420, essas informações será armazenadas na memória e a aplicação armazenada no PIC cuidará para que os dados no momento certo sejam entregues a impressora para que a mesma possa realizar a tarefa de impressão. Para comunicação com o CC2420 será utilizada a porta B. Para comunicação com o SD Card será utilizada alguns pinos da porta A e para o FT232BM (comunicação USB) será utilizado alguns pinos da porta C. Logo abaixo, segue um desenho extraído do data sheet do PIC18F2620 com a representação do diagrama de blocos do Chip.

85 Figura 4.7 Diagrama de Bloco do PIC18F

86 86 VCC 3V3 RESETn SDF CC A FIFO P RB7/KBI3/PGD RB6/KBI2/PGC RB5/KBI1/PGM RB4/KBI0/AN11 U12 MCLR/Vpp/RE3 R A0/AN0 R A1/AN1 RA2/AN2/Vref-/CVref R6 1k CLK DAT 0-3 CMD SD Card USB CMD CMD VCC 3V3 F IF O CSn SI SO RB3/AN9/C CP2 RA3/AN3/Vref+ RB2/INT2/AN8 RA4/T0CKI/C1OUT RB1/INT1/AN10 RA5/AN4/SS/HLVDIN/C2OUT RB0/INT0/FLT0/AN12 Vss Vdd OSC1/CLKI/RA7 Vss OSC 2/CLKO/RA6 RC7/RX/D T RCO/T1OSO/T1ECKI RC6/TX/CX RC1/T1O SI/CCP X2 C8 C RC5/SDO RC4/SDI/SDA RC2/CCP1 RC S3/SCK/SCL VREG_EN SCLK 4.2. Figura 4.8 Diagrama de conexão do PIC18F Abaixo segue a lista de componentes do circuito do PIC18F2620, na tabela Item R6 C8 C9 X2 Descrição Resistor 1K Capacitor CERÂMICO 56pF Capacitor CERÂMICO 56pF CRISTAL 6Mhz U12 Chip PIC18F2620 da Microchip Tabela 4.2 Lista de componentes do circuito PIC18F2620. Abaixo segue a lista de componentes do circuito do PIC18F2620, na tabela 4.2. Para maiores informações sobre o PIC18F2620 e suas características, você pode encontrar nesse link o data sheet: No data sheet você encontrará maiores informações sobre seu funcionamento, sua programação, suas portas de entradas e saídas, posição de memória interna entre outras informações.

87 SD Card (memória) Para memória do hardware será utilizado um SD Card. Estes cartões são memórias flash, altamente integradas com potencialidade de acesso de série e aleatório. É acessível através de uma relação de série dedicada otimizada para a transmissão rápida de dados e de confiança. Esta relação permite que diversos cartões sejam empilhados para operar de modo que o usuário possa obter maior capacidade de armazenamento. O sistema de cartão do SD é um novo sistema de memória de massa baseado em inovações na tecnologia de semicondutor. Foi desenvolvido para fornecer um meio de armazenamento barato, mecanicamente robusto no formulário do cartão para aplicações multimídia do consumidor. O cartão do SD permite o projeto de hardware que necessitem de memória para aplicações móveis extremamente baratas e que apresentem necessidade da armazenar dados. Um consumo de potência baixo e uns favores largos de uma escala da tensão de fonte móveis, uma aplicação que utilizam bateria como alimentação tal como tocadores de áudio (MP3 players), agendas eletrônicas, palmtops, livros eletrônicos, enciclopédia e celulares. Abaixo segue um esquemático do diagrama de blocos do SD Card. O Cartão pode ser ligado de duas maneiras. Modo SD Card, e Modo SPI. O sistema de Host pode escolher qualquer uma das modalidades. A modalidade do cartão do SD permite 4 bit de transferência de dados de alto desempenho. A modalidade de SPI permite a relação fácil e comum para o canal SPI. A desvantagem desta modalidade é a perda de desempenho, relativamente à modalidade do SD.

88 88 Figura 4.9 Diagrama de Bloco do SD Card. Todas as unidades do cartão SD são cronometradas por um gerador de pulso de disparo interno. A unidade do driver da relação sincroniza os sinais de DAT e de CMD de CLK externo ao pulso de disparo usado sinalização interna. O cartão é controlado pelas seis linhas de relação do cartão do SD que contem os sinais: CMD, CLK, DAT0 até DAT3. Para a identificação do cartão do SD em uma pilha do cartão do SD, há um registro da identificação do cartão (CID) e um relativo a e um registro de endereço (RCA) são requisitados. Um registro adicional contém diferentes tipos de parâmetro da operação e esse registro é chamado (CSD). A comunicação que usa o cartão do SD alinha para alcançar ou o campo da memória ou o registro é definido pelo padrão do cartão do SD. O cartão tem sua própria unidade que detecta energia. Não há nenhum modo de reset após o dispositivo estiver alimentado. O SD está protegido contra curto-circuito durante a inserção e a remoção do mesmo quando o sistema estiver ligado. Não há necessidade de fonte de programação externa de tensão. A tensão de programação é gerada no cartão. Este sustentação do cartão SD cria uma segunda modalidade da operação da relação a modalidade da relação de SPI. A modalidade de SPI é ativa se o sinal do CS estiver afirmado (negativo) durante a recepção do comando da restauração (CMD0).

89 89 O barramento SPI permite uma linha de dados por 2 canais (dados In e Out). A modalidade compatível de SPI permite que os sistemas do Host MMC utilizem o cartão de SD com pouca mudança. A modalidade do SPI é de transferência dos bytes. Todos os símbolos de dados são múltiplos dos bytes (8 bit) e sempre do byte alinhado ao sinal do CS. A vantagem da modalidade de SPI é a redução do projeto do Host no esforço. Especialmente, o Host do MMC pode ser modificado com pouca mudança. A desvantagem da modalidade de SPI é a perda do desempenho contra a modalidade do cartão do SD. Abaixo segue a tabela com os pinos e a descrição no modo SPI. O barramento do SD permite a configuração dinâmica do número da linha dos dsts de 1 ao sinal bidirecional de 4 dados. Depois que a alimentação do SD foi realizada, o cartão do SD usará somente DAT0. Após a iniciação, o host pode mudar a largura da barramento. As conexões multiplicadas dos cartões do SD estão disponíveis ao host. As conexões do sinal da terra comum V CC, do V SS, e do CLK são disponíveis na conexão múltipla. Entretanto, o comando, responde e a linha de dados (DAT0~DAT3) será dividida para cada cartão do host. Esta característica permite um comércio fácil entre os custos do hardware e do desempenho do sistema. Uma comunicação sobre o barramento do SD é baseada no fluxo de bits do comando e de dados iniciado por um bit de inicialização terminando pelo bit de finalização. CLK: com cada ciclo deste sinal transferido de um bit nas linhas do comando e de dados é feito. A freqüência pode variar entre zero e a freqüência de pulso de disparo máxima. O mestre do barramento do cartão SD está livre para gerar estes ciclos sem limitação na escala de 0 a 25Mhz. CMD: Os comandos são transferidos em série na linha de CMD. Um comando é um símbolo de começo de uma operação do host ao cartão. Comandos emitidos a um único cartão de endereço (comando do endereço) ou a todos os cartões conectados (comando do boardcast). As respostas são transferidas em série na linha de CMD. Uma resposta é um símbolo a responder de um comando precedente. As respostas são emitidas de um único cartão ou de todos os cartões conectados. DAT0~3: Os dados podem ser transferidos do cartão ao host ou vice-versa. Os dados são transferidos através da linha de dados.

90 90 VCC 3,3 R4 R5 C MD MC D AT 0-3 C LK C5 C6 C7 U RSV CS D I Vss1 Vcc CLK Vss2 DO RSV Figura 4.10 Diagrama da conexão do SD Card. O SD card é comercializado com diferentes tamanhos de armazenamento na memória. Isso possibilita que o usuário escolha o tamanho da memória conforme sua necessidade. As memórias são comercializadas nos tamanhos: 32MB, 64MB, 128MB, 256MB, 256MB, 512MB, 1GByte e várias empresas já comercializam memória no padrão SD. Abaixo segue a lista de componentes do circuito do SD Card, na tabela 4.3. Item R4 R5 C5 C6 C7 U11 Descrição Resistor 100K Resistor 100K Capacitor CERÂMICO 10pF Capacitor CERÂMICO 10pF Capacitor CERÂMICO 10pF SD Card da Kingmax de 128MB Tabela 4.3 Lista de componentes do circuito do SD Card.

91 4.4. FT232BM (USB) O FT232BM é a 2 geração de FTDIs da USB UART I.C. Este dispositivo adiciona, não somente as funcionalidades extras de seu predecessor FT8U232AM e reduz a contagem de componente externos, mas também reduz o número de pinos, fazendo com isso uma diminuição no custo (compra de mais componentes) e um ganho na área de implementação possibilitando um aumento do potencial do componente para ser utilizado em áreas de novas aplicações. Figura 4.11 Desenho da pinagem do FT232BM. Características: Transferência de dados de série assíncrona para um único Chip USB; Data rate 300 => 3M Baud (TTL); Data rate 300 => 1M Baud (RS232); Data rate 300 => 3M Baud (RS422/RS485); 384 Byte no buffer de recepção / 128 Byte no buffer de transmissão; Buffer Timeout do TX ajustável; Assistência completa ao hardware ou X-On /X-Off;

92 92 Sustentação In-Built para eventos com caracteres e condições quebradas; Auto controle na transmissão de buffer para RS485; Suporte para USB suspende / resume through nos pinos SLEEP# e RI#; Suporte para dispositivos no barramento com necessidade de energia elevado através do pino de PWREN#; Integrado conversor de level no UART e os sinais de controle para interface de 5V e 3.3V; Integrado regulador de 3.3V para USB IO; Circuito integrado de Power-On-Reset; Integrado 6MHz - 48Mhz de clock do multiplicador PLL; Volume do USB ou modalidades isocrônicas de transferência de dados; 4.35V a 5.25V de operação da fonte; UHCI / OHCI / EHCI compatível com o controlador do host; Compatível com USB 1.1 e USB 2.0; USB VID, PID, número de série e descrição do produto na parte externa da EEPROM; EEPROM programável através do USB; Pacote compacto do 32-LD LQFP; Figura 4.12 Diagrama de Blocos do FT232BM.

93 93 Para o FT232BM é necessário ter uma EEPROM (93C66), com capacidade de 256 x 16 Bit, que irá conter o Drive do USB para realizar a interface entre o dispositivo (gerenciador) com a impressora. Outra componente existente nesse diagrama é a existência de um regulador de tensão TLV 3V3. Com ele o dispositivo, conectado na impressora receberá 5Volts na entrada do USB, e para alimentar os demais componentes é necessário 3,3 Volts. Sendo assim o TLV irá regular a tensão para alimentar os demais componentes. Também há existência de dois LEDs que indicaram a comunicação. U16 TLV 3V3 1 IN OU T 3 GND Saída 3V3 Vcc circuito R R14 U14 1 CS VCC SK DIN DOUT NC NC G ND Saída USB VCC DM BP GND V 0 C14 0 R 7 R8 R 9 C 13 R 10 0 D 1 D 2 0 R11 R12 U 13 1 EESK EEC S EEDATA VCC TEST AVVC R ESET# R STO UT# 3V3OU T U SBDP U SBDM G ND SLEEP# R XLED # TXLED# VCCIO PWR CTL PWR EN # TXD EN AG ND XTOUT XTIN VCC TXD RXD RTS# CTS# DTR# DSR# D CD# RI# GND C11 X3 C12 0 R 15 C 10 0 CMD CMD MC 0 Figura 4.13 Diagrama de conexão do FT232BM. Abaixo segue a lista de componentes do circuito do FT232BM, na tabela 4.4. Item R7 R8 R9 Descrição Resistor 1K Resistor 27K Resistor 27K

94 94 R10 Resistor 1K5 R11 Resistor 220 R12 Resistor 220 R13 R14 Resistor 10K Resistor 2K2 R15 Resistor 470 C10 C11 C12 C13 C14 LED1 LED2 X3 U16 U13 Capacitor CERÂMICO 100pF Capacitor CERÂMICO 27pF Capacitor CERÂMICO 27pF Capacitor POLIESTER 10n Capacitor POLIESTER 22n LED 3MM AMARELO LED 3MM VERDE CRISTAL 4Mhz Regulador de tensão TLV KC da Texas Instruments Chip FT232BM da FTDI Chip U14 EEPROM 93C66 da Atmel Tabela 4.4 Lista de componentes do circuito do FT232BM. Para maiores informações sobre o FT232BM e suas características, você pode encontrar nesse link da FTDI Chip o data sheet: No data sheet você encontrará maiores informações sobre seu funcionamento, sua programação, utilização da EEPROM juntamente com o driver do USB e como converter no próprio Chip para comunicação serial RS232. No Link da Atmel poderá ser encontrado o data sheet da EEPROM 93C66 juntamente com suas características. E no link abaixo, da Texas Instruments, sobre o TLV3V3 (regulador de tensão).

95 BOM List (Bill of Material) OBSERVAÇÃO: Os valores a seguir foram pesquisados entre Maio e Junho de Seus valores estão em reais e os componentes elétricos (resistores, capacitores, indutores, LEDs, cristais) foram pesquisados em lojas especializadas. Já os componentes específicos, como CC2420, PIC18F2620, FT232BM, SD Card, seus preços foram retirados dos sites dos respectivos fabricantes e na tabela não estão incluídos os valores das taxas de transporte e importação. Os valores são aproximados, podendo sofrer alterações de loja para loja. Para o SD Card foi estimado um cartão de 128MB. Item Resistor Descrição Preço R$ (Junho de 2006) R1 Resistor 43K 0,10 R2 Resistor 43K 0,10 R3 Resistor 43K 0,10 R4 Resistor 100K 0,10 R5 Resistor 100K 0,10 R6 Resistor 1K 0,10 R7 Resistor 1K 0,10 R8 Resistor 27K 0,10 R9 Resistor 27K 0,10 R10 Resistor 1K5 0,10 R11 Resistor 220 0,10 R12 Resistor 220 0,10 R13 Resistor 10K 0,10 R14 Resistor 2K2 0,10 R15 Resistor 470 0,10

96 96 Capacitor C1 Capacitor CERÂMICO 56pF 0,30 C2 Capacitor ELETROLÍTICO 0,1µF 0,20 C3 Capacitor CERÂMICO 27pF 0,10 C4 Capacitor CERÂMICO 27pF 0,10 C5 Capacitor CERÂMICO 10pF 0,30 C6 Capacitor CERÂMICO 10pF 0,30 C7 Capacitor CERÂMICO 10pF 0,30 C8 Capacitor CERÂMICO 56pF 0,30 C9 Capacitor CERÂMICO 56pF 0,30 C10 Capacitor CERÂMICO 100pF 0,30 C11 Capacitor CERÂMICO 27pF 0,10 C12 Capacitor CERÂMICO 27pF 0,10 C13 Capacitor POLIESTER 10nF 0,25 C14 Capacitor POLIESTER 22nF 0,15 Indutor L1 Indutor 8,2MH 0,90 L2 Indutor 22MH 0,90 L3 Indutor 1,8MH 0,90 LED D1 LED 3MM AMARELO 0,35 D2 LED 3MM VERDE 0,35 Cristal X1 Cristal 16MHZ 7,70 X2 Cristal 6Mhz 1,80 X3 Cristal 4Mhz 3,40 U16* Regulador de tensão TLV KC da Texas Instruments 1,80 U1* Chip CC2420 da Chipcon 9,00

97 97 U13* Chip FT232BM da FTDI Chip 10,00 U11* SD Card da Kingmax de 128MB 46,00 U12* Chip PIC18F2620 da Microchip 18,00 U14* EEPROM 93C66 da Atmel 5,00 Placa Placa FENOLITE 10X15 DUPLA FACE 3,70 Conector USB* Conector SD Card* Conector USB 3,00 Conector simples para ligar o SD card 5,00 Proteção Proteção de plástico 10,00 Tabela 4.1 lista da Bill of Material. PREÇO ESTIMADO: 132,40 * - preços que tiveram seus valores convertidos de dólar para reais.

98 98 5. Projeto do Software Para o software de gerenciamento das impressões, primeiramente, será apresentado um diagrama com os passos da aplicação, e logo em seguida uma breve descrição das atividades que a aplicação vai realizar separadas em rotinas. Figura 5.1 Diagrama do Gerenciador de Impressão.

99 Estado do Dispositivo A impressora pode se encontrar em dois estados: Ligada ou com Erro. Para obter essa informação, o dispositivo irá acessá-la e obterá essa informação acessando o EWS (Embedded Web Server), na memória da impressora, onde encontrará um registro do estado em que a impressora se encontra (pronta para imprimir ou com erro). Sendo assim, o dispositivo tendo a informação do estado da impressora, registrará essas informações como sendo sua própria informação de estado (DES estado do dispositivo). Quando o usuário tentar contatar a impressora, o dispositivo enviará uma mensagem indicando o atual estado da impressora para o Usuário. Caso o estado esteja em Erro, o dispositivo enviará ao usuário uma mensagem indicando o erro em que ela se encontra. O dispositivo registra o erro ocorrido e envia informando para o usuário. Outra informação que o dispositivo busca na impressora é se a mesma está Livre ou Ocupado. Essa informação também será registrada pelo dispositivo (DR dispositivo pronto para impressão), e ele permitirá que os dados sejam enviados para serem armazenados na lista de impressões (LI). Se a impressora estiver desligada, conseqüentemente o dispositivo também estará desligado. O usuário ao tentar se comunicar após um tempo (timeout) o próprio dispositivo de rede (zigbee) avisará que o mesmo se encontra inacessível JOB (Dados para impressão) O gerenciador tendo posse da informação sobre o estado da impressora (pronta ou com erro) sabe que a mesma está pronta para receber um documento para impressão, também chamado de JOB. O usuário após receber um aviso de que a impressora está pronta e esperando um JOB, vai enviar os dados que serão armazenados na memória auxiliar. Com o dado armazenado na memória, o dispositivo analisa se esse dado está ocupando um espaço que não seja a primeira posição da lista. Se o dado estiver, por exemplo, na segunda posição ou em alguma posição diferente da primeira, a aplicação enviará para o endereço de destino do JOB (solicitante de impressão) uma mensagem informando que o pedido de impressão foi

100 100 armazenada na lista de impressão e solicitando que o usuário aguarde por uma outra mensagem informando que os dados foram enviados para serem impressos. Se estiver pronta para imprimir, o gerenciador então mudará o estado de impressão para ocupado (DR = ocupado), assim fazendo com que ao receber novos JOBs, eles sejam armazenados na lista de impressão (LI). Se a posição desse novo JOB se encontrar diferente da primeira posição, então o dispositivo envia uma mensagem informando ao usuário (como foi descrito anteriormente). Esse JOB fica armazenado até que a impressão do primeiro JOB seja executada com sucesso (resposta da impressora), e o gerenciador altere o estado do dispositivo. No caso de estado ocupado a gerenciador fica em um loop tentando imprimir o JOB. Mudado o estado para ocupado o dispositivo busca na lista de impressões o JOB que estiver ocupando a primeira posição. Já com os dados prontos para serem impressos, o gerenciador registra as informações num relatório de solicitação de impressão (comentado na seção 5.4) e em seguida envia os dados (JOB) para impressora. Após imprimir o JOB, o dispositivo acessa o JOB History (através do Chai) para saber o resultado da impressão. Se a impressão estiver com a informação de Sucesso, o dispositivo executará quatro atividades seguintes: Primeiro; O gerenciador registrará no relatório de impressão a informação de que o JOB foi impresso com sucesso. Essa informação ao dispositivo pode conseguir acessando a impressora. Segundo; Enviará para o endereço de destino (solicitante da impressão) um evento ACK informando que a impressão foi realizada com sucesso. Terceiro; Comparará o nome do JOB recém impresso com sucesso com o nome do primeiro JOB da lista. Se for o mesmo nome, então o gerenciador apagará esse JOB da primeira posição e passará o segundo JOB para primeira posição e assim com o restante da lista que diminuirá uma posição (posição da lista menos 1). Quarto; Mudará o estado do gerenciador (DR) de ocupada para livre permitindo assim que o mesmo envie os próximos trabalhos para impressora. Se existir JOB na pilha, esse será enviado para ser o próximo a ser impresso, repetindo o processo de impressão. Sendo assim, ele evita que ao imprimir um JOB, seja impresso um novo JOB recém chegado ao gerenciador, logo após esse tenha sido alterado. Esse JOB vai entrar na pilha (última posição), enquanto o próximo JOB a ser impresso será o que estava em segundo lugar durante a impressão.

101 Acesso ao gerenciador O administrador da rede tem acesso ao microcontrolador, onde é permitido que esse possa visualizar a lista de JOBs na memória alterar a ordem da lista. Todos os usuários da rede poderão acessar o gerenciador para visualizar a lista dos JOBs, mas apenas o administrador da rede terá permissão para fazer alterações na lista. Ele poderá alterar a posição dos JOBs,exceto o primeiro, para que não ocorra o caso de imprimir duas vezes o mesmo JOB e de cancelar alguns JOBs da lista. Os demais usuários da rede também poderão cancelar JOBs, desde que estes não estejam na primeira posição, pois estará sendo impresso. Figura 5.2 Diagrama dos Acessos a Lista de impressão Relatório de Impressão O administrador da rede terá acesso a uma lista de registro, e sua aplicação registrará as entradas e as saídas. O administrador acessando o microcontrolador vai ter acesso a um relatório onde ele poderá encontrar as seguintes informações: os JOBs numerados em ordem de solicitação, as informações do usuário que solicitou, endereço de destino da impressão, quantidade de folhas, tamanho do arquivo, quantidade de papel, data entre outras informações. Será registrado nesse gerenciador tudo que for para impressora e os resultados dela.

102 102 Todo JOB que for enviado será registrado com o resultado de sucesso ou falha. Quando ocorrer falha, esse erro será registrado nesse relatório com o motivo da falha. Sempre que for executado o loop de acesso à impressora e for reportado o erro, essa informação será registrada no relatório. Figura 5.3 Diagrama dos Registros no Relatório de Impressão Caso de erro Caso ocorra um erro o gerenciador avisará o usuário que solicitou a impressão registrando essa ocorrência no relatório de impressões e vai capturar o erro ocorrido na impressora acessando o JOB History através do Chai. Enviará esse erro para o endereço de destino informando que ocorreu erro durante a impressão e avisando o motivo do erro, e o usuário será informado se sua impressão já está pronta, ou havendo erro, ele será informado para corrigi-lo. Se houver mais JOBs na lista de impressão, o gerenciador enviará uma mensagem informando que esta encontra-se com erro. Esta mensagem será enviada para todos os usuários que possuem dados na lista, e eles poderão responder se desejam manter os dados na lista de impressão ou apagar a solicitação de impressão. Caso o usuário decida por apagar os dados, o gerenciador acessa a lista e apaga o JOB. Sendo assim, mesmo havendo problema com a impressora, os JOB que chegarem logo após a ocorrência de falha poderão ser armazenados na memória do

103 103 gerenciador. A impressora estará com estado de ocupado por ter ocorrido erro e permanecerá com esse estado até que alguém corrija. Se houver dados nas filas de impressão, o gerenciador enviará uma mensagem para todos os endereços de destino dos dados que estão na lista, assim todos que solicitaram impressão algo serão avisados de que ocorreu erro e sua impressão pode demorar. Após corrigir o erro, ela mudará seu estado e o gerenciador após acessar o EWS da impressora e também mudará seu estado para pronto/livre. A impressora tem como função, ao ocorrer falha na impressão de um arquivo, tentar imprimir este mesmo arquivo novamente depois de corrigido o problema. Para isso ela tem um pequeno espaço de memória onde automaticamente após o problema ser corrigido, ela tenta imprimir o JOB. Pela aplicação do gerenciador, após ocorrer uma impressão com sucesso, esta armazena essa informação no relatório e verifica o nome do primeiro JOB da pilha na memória. Se for o mesmo nome, a gerenciador apaga esse JOB e faz a lista diminuir um número. Como os JOBs enviados durante o período de ocupado são armazenados na memória, após mudar o estado da impressora para pronto/livre, o gerenciador passa a enviar para ela o próximo JOB. Essas falhas de impressão podem ser ocasionadas por diversos fatores, mas os principais são: Falta de Papel, Paper Jam, Tonner Baixo, Porta Aberta, etc Pseudocódigo Pseudocódigo é uma forma genérica de escrever um algoritmo, utilizando uma linguagem simples (nativa a quem o escreve, de forma a ser entendido por qualquer pessoa) sem necessidade de conhecer a sintaxe de nenhuma linguagem de programação. Como o nome indica, é um pseudocódigo e, portanto, não pode ser executado num sistema real (computador) de outra forma deixaria de ser pseudo. Comunicação (1) Loop (verificação do estado da impressora); Dispositivo acessa Impressora; Busca o dado sobre estado da impressora IES (Ligada/Erro); Busca o dado se a impressora está pronta e esperando dados para impressão IR ( Livre/Ocupada );

104 104 Registra esse dado como sendo do próprio dispositivo (DES= Ligada/Erro e DR= Livre/Ocupada); Checa solicitação de impressão pelo usuário: Se SIM; Chama função (2); Se NÃO; Chama função (1); Dados usuário (2) Dispositivo envia informações para o usuário sobre seu estado (DES); Se DES = LIGADA (estado de ligada); Solicita que envie os dados; Checa se usuário envio dos dados; chama função (3); Se DES = ERRO (estado com erro); Acessa impressora para obter código do erro; Envia mensagem para usuário informando sobre o erro, na mesma mensagem pergunta se usuário deseja mandar mesmo assim os dados para serem armazenados; Checa resposta do usuário; Se SIM; Dispositivo recebe os dados e armazena na lista de impressões; Envia mensagem para usuário informando que dados está na lista de impressões e para aguardar mensagem confirmando envio para impressão; Checa mudança de estado da impressora, chama função (1); Se NÃO Checa mudança de estado da impressora, chama função (1); Recebendo dados (3) Dispositivo receberá os dados do Usuário e armazenará dados numa memória auxiliar (lista de impressões); -> posição inicial 1 na lista, se ocupando, posição atual + 1; Ao armazenar., o dispositivo verifica posição de armazenamento; Se posição = 1; Chama função (4); Se posição > 1; Envia mensagem para usuário informando que dados está na lista de impressões e para aguardar mensagem confirmando envio para impressão; Checa mudança de estado da impressora, chama função (1);

105 105 Analise do estado de impressão (4) O dispositivo verifica de o valor de DR; Se DR = LIVRE; O dispositivo busca dados da primeiro posição da lista de impressões; Chama função Processo de impressão (JOB) (5); Se DR = OCUPADA; Checa mudança do estado para impressão, chama função (1); Impressão de JOBs (5) Inicializa processo de impressão; O Dispositivo modifica estado; DR = OCUPADA; Busca na lista de impressões o dado que está na primeira posição (Posição = 1); Registra solicitação no Registro de Impressões; Envia mensagem para usuário informando que documento foi enviado para impressão; Envia dados para impressora; O dispositivo checa resposta da impressora (RI) (6); Impressão Impressora recebe os dados do dispositivo e executa sua tarefa de imprimir os dados, realizada a impressão, a mesma cria um evento informando se impressão ocorreu com sucesso ou com falha; Resposta da impressora (6) Loop (resultado da impressão); O dispositivo tenta acessar resposta da impressora; Há presença de um timeout caso a impressora não responda; Se resposta impressora, RI = SUCESSO; Registra no Relatório de Impressões a impressão com sucesso; Envia mensagem para endereço de destino informando da impressão com sucesso; O dispositivo verifica se o nome do primeiro JOB na lista é igual ao recém impresso; Se for igual; Apaga com o JOB da lista e passa a posição atual da lista por -1 (Posição - 1); Se NÃO for igual; Muda estado, DE = LIVRE; Executa processo de impressão de JOB, chama função (5) Se resposta impressora, RI = FALHA;

106 106 Registra no Relatório de Impressões a impressão com erro; Registra no estado com ERRO (DES = ERRO) no dispositivo (conseqüentemente para de imprimir); Envia mensagem para endereço de destino informando e erro na impressão; Envia mensagem para o administrador da rede informando e erro na impressão; Verifica Lista de Impressões; Se existir posição > 1; Chama função (7); Se NÃO existir Posição >1; Chama função (1); Resposta do Erro (7) Envia mensagem para todos os endereços dos dados que estão na lista de impressões informando sobre o erro e pergunta para usuário se deseja cancelar JOB; Se usuário responder, EUR = SIM (cancelar JOB); Gerenciador registra na fina de impressão solicitação de cancelamento do usuário; O dispositivo apaga o JOB da lista de impressões; Envia mensagem para usuário informando que foi cancelado o JOB; Reorganiza a lista (Posição da lista 1); Checa mudança de estado da impressora, chama função (1); Se usuário responder, EUR = NÃO (não cancelar JOB); Checa mudança de estado da impressora, chama função (1); 5.7. Diagrama de Casos Figura 5.4 Diagrama de Impressão com Sucesso.

107 107 Figura 5.5 Diagrama de Impressão com Erro. Figura 5.6 Diagrama de Impressão com mais de um JOB.

108 Figura 5.7 Tentativa de Impressão com impressora em estado de Erro. 108

109 Conclusões Zigbee é um novo padrão que se deve olhar com muita atenção. Foi desenvolvida a partir de uma necessidade do mercado de obter um meio de comunicação wireless que atende a requisitos como baixo consumo de energia, baixas taxas de transferência, mobilidade, prático, de fácil instalação e com um custo muito baixo em relação às outras tecnologias. Como podemos analisar pelo trabalho o padrão Zigbee não foi desenvolvido para substituir uma tecnologia já existente, e sim projetado para alcançar um mercado que o bluetooth e o wi-fi não fornecem para seus usuários. Como foi desenvolvida a pouco tempo (2003) a Zigbee ainda não alcançou um grande mercado, pouco difundido pela mídia e pela comunidade acadêmica, mas as mais de 120 empresas que compõem a Zigbee Alliance prometem difundir mais essa tecnologia que procura solucionar os problemas existentes nas redes de automações industriais. Como se trata de uma tecnologia recém criada, ela ainda está sofrendo algumas alterações em suas especificações técnicas. Outro ponto importante para ser ressaltado é que recém as empresas estão se organizando para desenvolver produtos com essa capacidade. A Texas Instruments, grande empresa de equipamentos e dispositivos tecnológicos comprou a chipcon, empresa responsável pelo desenvolvimento do chip de RF desse trabalho, e está preparando para 2007 lançar no mercado um chip, que vai trazer suporte ao zigbee juntamente com um microprocessador integrados. Ela também garantiu que promoverá maiores informações para que o zigbee seja bem difundido e mais empresas adotem esse padrão. A Zigbee Alliance estima que em 2008 o zigbee alcance o número de 200 milhões de nodos sendo utilizados pelo mercado de rede wireless. Adotando o Zigbee, a empresa Hewlett Packard, estará não só incluindo em seus produtos essa tecnologia como também fornecendo serviços, nessa que poderá se tornar uma das redes mais utilizadas nas casas dos usuários já que foi desenvolvida para atuar como uma rede pessoal, redes com pouca transmissão de dados e visando a automação de casa, empresas, lojas, mercados.

110 110 Esse trabalho não pode ser implementado por diversos motivos, sendo um deles o alto custo para produzir a placa, já que a mesma possui componentes muito pequenos e as trilhas só poderiam ser feitas utilizando equipamentos apropriados. Para trabalhos futuros fica em aberto a implementação do dispositivo detalhado nesse trabalho e desenvolvimento do gerenciador para mais de uma impressora.

111 Referências Bibliográficas [1] Zigbee Specification, Zigbee Alliance, [2] KINNEY, Patrick. ZigBee Technology: Wireless Control that Simply Works, Kinney Consulting LLC, [3] Tuan, Khanh. Designing a ZigBee-ready IEEE compliant radio transceiver, Next Generation Wireless, [4] HOFFERT, Joe; KLUES, Kevin; ORJIH, Obi. Configuring the IEEE MAC Layer for Single-sink Wireless Sensor Network Applications, Washington University, St. Louis, [5] PEKHTERYEV, Georgiy; SAHINOGLU, Zafer; ORLIK, Philip; BHATTI, Ghulam. Image Transmission over IEEE and ZigBee Networks, Mitsubishi Electric Research Laboratories, TR , [6] Unleashing Revenue with Zigbee, Zigbee Alliance and Cambridge Consultants, [7] CARVALHO, Paula; PASSARELA, Lucas; SANTOS, Daniel. ZIGBEE, Apresentação trabalho de transmissão de Dados, [8] GUTIERREZ, José. IEEE Std Enabling Pervasive Wireless Sensor Networks, Embedded Systems & Communications Group, Innovation Center, EATON, [9] NAEVE, Marco. IEEE MAC Overview, EATON Corporation, Milwaukee, [10] MARTIN, Frederick; GORDAY, Paul; ADAMS, Jon. IEEE PHY Capabilities, Motorola Inc. and Freescale Ins., Milwaukee, [11] Tecnologias Wireless, Curso do Centro de Informatica, DIEBOLD PROCOMP,

112 [12] MACEDO, Daniel Fernandes. Segurança em Redes Sem Fio, Apresentação da cadeira segurança em Sistemas Distribuídos, [13] CALLAWAY, Ed. Low Power Consumption Features of the IEEE /Zigbee LR-WPAN Standard, Motorola Labs, Florida Communication Research Lab, [14] CORNETT, Ken. IEEE Zigbee, Motorola Labs, Wireless Access Research Lab, Plantation, FL, [15] HEILE, Bob. CES 2004 / Zigbee Alliance Wireless Control that Simply Works, Zigbee Alliance, [16] GREGORI, Erik. You can do more with the IEEE wireless standard then blink a LED or control a light, Freescale semiconductor, [17] NISHIMURA, Naomi. Pseudocode, Cornell University Computer Science, [18] BRANDÃO, Carlos; AGUIAR, Daniel, ROCHA, Luciana; PRADO, Paulo. WPAN Wireless Personal Area Network, Apresentação da cadeira Tópicos de Redes, Universidade da Bahia, [19] HP Printing and Digital Imaging Products IRG - March 1, 2006 June 30, 2006, Hewlett-Packard, [20] Zigbee Alliance Member Companies, Zigbee Alliance, [21] página da Texas Instruments, acesso em maio e junho de [22] DATA SHEET CC2420, Chipcon and Texas Instruments Incorporated, versão 1.3, [23] DATA SHEET SD Card, Kingmax Digital inc., versão 1.1,2005. [24] DATA SHEET FT 232 BM, FTDI Chip, versão 1.8, [25] DATA SHEET PIC18F2620, Microchip, versão 2, revisado em [26] acesso em fevereiro 2006 [27] acesso em março 2006

113 113 [28] acesso em abril 2006 [29] acesso em março 2006 [30] acesso em abril 2006 [31] acesso em junho 2006 [32] acesso em maio de 2006 [33] acesso em abril de 2006 [34] acesso em maio de 2006 [35] acesso em maio de 2006 [36] acesso em abril de 2006 [37] DATA SHEET EEPROM 93C66, da Atmel Corporation, revisado em [38] DATA SHEET TLV2217, da Texas Instruments Incorporated., revisado em

114 Anexos 8.1. Pinagem dos componentes. CC2420 Figura 8.1 Pinos do CC2420. Pin Name Type Description - AGND Ground (analog) Exposed die attach pad. Must be connected

115 115 1 VCO_GUARD Power (analog) to solid ground plane Connection of guard ring for VCO (to AVDD) shielding 2 AVDD_VCO Power (analog) 1.8 V Power supply for VCO 3 AVDD_PRE Power (analog) 1.8 V Power supply for Prescaler 4 AVDD_RF1 Power (analog) 1.8 V Power supply for RF front-end 5 GND Ground (analog) Grounded pin for RF shielding 6 RF_P RF I/O 7 TXRX_SWITCH Power (analog) 8 RF_N RF I/O Positive RF input/output signal to LNA/from PA in receive/transmit mode Common supply connection for integrated RF front-end. Must be connected to RF_P and RF_N externally through a DC path Negative RF input/output signal to LNA/from PA in receive/transmit mode 9 GND Ground (analog) Grounded pin for RF shielding 10 AVDD_SW Power (analog) 1.8 V Power supply for LNA / PA switch 11 NC - Not Connected 12 NC - Not Connected 13 NC - Not Connected 14 AVDD_RF2 Power (analog) 15 AVDD_IF2 Power (analog) 16 NC - Not Connected 17 AVDD_ADC Power (analog) 18 DVDD_ADC Power (digital) 1.8 V Power supply for receive and transmit mixers 1.8 V Power supply for transmit / receive IF chain 1.8 V Power supply for analog parts of ADCs and DACs 1.8 V Power supply for digital parts of receive ADCs 19 DGND_GUARD Ground (digital) Ground connection for digital noise isolation 20 DGUARD Power (digital) 1.8 V Power supply connection for digital noise isolation 21 RESETn Digital Input Asynchronous, active low digital reset 22 DGND Ground (digital) Ground connection for digital core and pads 23 DSUB_PADS Ground (digital) Substrate connection for digital pads 24 DSUB_CORE Ground (digital) Substrate connection for digital modules

116 DVDD3.3 Power (digital) 3.3 V Power supply for digital I/Os 26 DVDD1.8 Power (digital) 1.8 V Power supply for digital core 27 SFD Digital output 28 CCA Digital output 29 FIFOP Digital output 30 FIFO Digital I/O SFD (Start of Frame Delimiter) / digital mux output CCA (Clear Channel Assessment) / digital mux output High when number of bytes in FIFO exceeds threshold / serial RF clock output in test mode High when data in FIFO / serial RF data input / output in test mode 31 CSn Digital input SPI Chip select, active low 32 SCLK Digital input SPI Clock input, up to 10 MHz 33 SI Digital input 34 SO Digital output (tristate) SPI Slave Input. Sampled on the positive edge of SCLK SPI Slave Output. Updated on the negative edge of SCLK. Tristate when CSn high. 35 DVDD_RAM Power (digital) 1.8 V Power supply for digital RAM 36 NC - Not Connected 37 AVDD_XOSC16 Power (analog) 1.8 V crystal oscillator power supply 38 XOSC16_Q2 Analog I/O 16 MHz Crystal oscillator pin 2 39 XOSC16_Q1 Analog I/O 40 NC - Not Connected 41 VREG_EN Digital input 16 MHz Crystal oscillator pin 1 or external clock input Voltage regulator enable, active high, held at VREG_IN voltage level when active 42 VREG_OUT Power output Voltage regulator 1.8 V power supply output 43 VREG_IN Power (analog) 44 AVDD_IF1 Power (analog) Voltage regulator 2.1 to 3.6 V power supply input 1.8 V Power supply for transmit / receive IF chain 45 R_BIAS Analog output External precision resistor, 43 kω, ± 1 % 46 ATEST2 Analog I/O Analog test I/O for prototype and production testing 47 ATEST1 Analog I/O Analog test I/O for prototype and production testing 48 AVDD_CHP Power (analog) 1.8 V Power supply for phase detector and charge pump Tabela 8.1 Pinos do CC2420.

117 Figura 8.2 Dimensões do CC

118 118 SD Card Figura 8.4 Pinos do SD Card. Pin Name Type Description 1 CS IN Chip Select (Neg. True) 2 DI IN Data In 3 VSS1 S Ground 4 VCC S Supply Voltage 5 CLK IN Clock 6 VSS2 S Ground 7 DO OUT Data Out 8 RSV - 9 RSV - Tabela 8.2 Pinos do SD Card.

119 Figura 8.5 Dimensões do SD Card. 119

120 120 PIC18F2620 Figura 8.6 Pinos do PIC18F2620. Pin Name Type Description MCLR VPP RE3 RA0 AN0 RA1 AN1 RA2 AN2 VREFCVRE F RA3 AN3 VREF+ RA4 T0CKI C1OUT RA5 AN4 SS HLVDIN C2OUT I P I I/O I I/O I I/O I I O I/O I I I/O I O I/O I I I O Master Clear (Reset) input. This pin is an active-low Reset to the device. Programming voltage input. Digital input. Digital I/O. Analog input 0. Digital I/O. Analog input 1. Digital I/O. Analog input 2. A/D reference voltage (low) input. Comparator reference voltage output. Digital I/O. Analog input 3. A/D reference voltage (high) input. Digital I/O. Timer0 external clock input. Comparator 1 output. Digital I/O. Analog input 4. SPI slave select input. High/Low-Voltage Detect input. Comparator 2 output.

121 121 8 VSS P Ground reference for logic and I/O pins OSC1 CLKI RA7 OSC2 CLKO RA6 RC0 T1OSO T13CKI RC1 T1OSI CCP2(2) RC2 CCP1 RC3 SCK SCL RC4 SDI SDA RC5 SDO RC6 TX CK RC7 RX DT I I I/O O O I/O I/O O I I/O I I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I I/O I/O O I/O O I/O I/O I I/O ST buffer when configured in RC mode; CMOS otherwise. External clock source input. Always associated with pin function OSC1. (See related OSC1/CLKI, OSC2/CLKO pins.) General purpose I/O pin. Oscillator crystal output. Connects to crystal or resonator in Crystal Oscillator mode. In RC mode, OSC2 pin outputs CLKO which has 1/4 the frequency of OSC1 and denotes the instruction cycle rate. General purpose I/O pin. Digital I/O. Timer1 oscillator output. Timer1/Timer3 external clock input. Digital I/O. Timer1 oscillator input. Capture 2 input/compare 2 output/pwm 2 output. Digital I/O. Capture 1 input/compare 1 output/pwm 1 output. Digital I/O. Synchronous serial clock input/output for SPI mode. Synchronous serial clock input/output for I2C mode. Digital I/O. SPI data in. I2C data I/O. Digital I/O. SPI data out. Digital I/O. EUSART asynchronous transmit. EUSART synchronous clock (see related RX/DT). Digital I/O. EUSART asynchronous receive. EUSART synchronous data (see related TX/CK). 19 VSS P Ground reference for logic and I/O pins. 20 VDD P Positive supply for logic and I/O pins RB0 INT0 FLT0 AN12 RB1 INT1 AN10 I/O I I I I/O I I 23 RB2 I/O Digital I/O. Digital I/O. External interrupt 0. PWM Fault input for CCP1. Analog input 12. Digital I/O. External interrupt 1. Analog input 10.

122 INT2 AN8 RB3 AN9 CCP2 RB4 KBI0 AN11 RB5 KBI1 PGM RB6 KBI2 PGC RB7 KBI3 PGD I I External interrupt 2. Analog input 8. I/O Digital I/O. I Analog input 9. I/O Capture 2 input/compare 2 output/pwm 2 output. I/O Digital I/O. I Interrupt-on-change pin. I Analog input 11. I/O Digital I/O. I Interrupt-on-change pin. I/O Low-Voltage ICSP Programming enable pin. I/O Digital I/O. I Interrupt-on-change pin. I/O In-Circuit Debugger and ICSP programming clock pin. I/O Digital I/O. I Interrupt-on-change pin. I/O In-Circuit Debugger and ICSP programming data pin. Tabela 8.3 Pinos do PIC18F2620.

123 Figura 8.7 Dimensões do PIC18F

124 124 PIC18F2620 Figura 8.8 Pinos do FT232BM. Pin Name Type Description 1 EESK OUT 2 EEDATA I/O 3 VCC PWR 4 RESET# IN Clock signal to EEPROM. Tri-State during device reset, else drives out. Adding a 10K pull down resistor onto EESK will cause the FT232BM to use USB Product ID 6004 (hex) instead of 6001 (hex). All of the other USB device descriptors are unchanged. EEPROM Data I/O Connect directly to Data-In of the EEPROM and to Data-Out of the EEPROM via a 2.2K resistor. Also, pull Data-Out of the EEPROM to VCC via a 10K resistor for correct operation. Tri-State during device reset. 3.3 volt Output from the integrated L.D.O. regulator This pin should be decoupled to GND using a 33nF ceramic capacitor in close proximity to the device pin. Its prime purpose is to provide the internal 3.3V supply to the USB transceiver cell and the RSTOUT# pin. A small amount of current (<= 5mA) can be drawn from this pin to power external 3.3v logic if required. Can be used by an external device to reset the FT232BM. If not required tie to VCC.

125 125 5 RSTOUT# OUT 6 3V3OUT OUT 7 USBDP I/O Output of the internal Reset Generator. Stays high impedance for ~ 5ms after VCC > 3.5V and the internal clock starts up, then clamps its output to the 3.3v output of the internal regulator. Taking RESET# low will also force RSTOUT# to drive low. RSTOUT# is NOT affected by a USB Bus Reset. 3.3 volt Output from the integrated L.D.O. regulator This pin should be decoupled to GND using a 33nF ceramic capacitor in close proximity to the device pin. Its prime purpose is to provide the internal 3.3V supply to the USB transceiver cell and the RSTOUT# pin. A small amount of current (<= 5mA) can be drawn from this pin to power external 3.3v logic if required. USB Data Signal Plus ( Requires 1.5k pull-up to 3V3OUT or RSTOU#) 8 USBDM I/O USB Data Signal Minus. 9 GND PWR Device - Ground Supply Pins 10 SLEEP# OUT Goes Low during USB Suspend Mode. Typically used to power-down an external TTL to RS232 level converter i.c. in USB <=> RS232 converter designs 11 RXLED# O.C. LED Drive - Pulses Low when Receiving Data via USB 12 TXLED# O.C. LED Drive - Pulses Low when Transmitting Data via USB 13 VCCIO PWR 14 PWRCTL IN 15 PWREN# OUT +3.0 volt to volt VCC to the UART interface pins , and When interfacing with 3.3V external logic in a bus powered design connect VCCIO to a 3.3V supply generated from the USB bus. When interfacing with 3.3V external logic in a self powered design connect VCCIO to the 3.3V supply of the external logic. Otherwise connect to VCC to drive out at 5V CMOS level. Bus Powered Tie Low / Self Powered Tie High (to VCCIO) Goes Low after the device is configured via USB, then high during USB suspend. Can be used to control power to external logic using a P-Channel Logic Level MOSFET switch. Enable the Interface Pull-Down Option in EEPROM when using the PWREN# pin in this way. 16 TXDEN OUT Enable Transmit Data for RS GND PWR Device - Ground Supply Pins 18 RI# IN Ring Indicator Control Input. When the Remote Wakeup option is enabled in the EEPROM, taking RI# low can be used to resume the PC USB Host controller from suspend. 19 DCD# IN Data Carrier Detect Control Input

126 DSR# IN Data Set Ready Control Input / Handshake signal 21 DTR# OUT Data Terminal Ready Control Output / Handshake signal 22 CTS# IN Clear To Send Control Input / Handshake signal 23 RTS# OUT Request To Send Control Output / Handshake signal 24 RXD IN Receive Asynchronous Data Input 25 TXD OUT Transmit Asynchronous Data Output 26 VCC PWR volt to volt VCC to the device core, LDO and non-uart interface pins. 27 XTIN IN Input to 6MHz Crystal Oscillator Cell. This pin can also be driven by an external 6MHz clock if required. Note : Switching threshold of this pin is VCC/2, so if driving from an external source, the source must be driving at 5V CMOS level or a.c. coupled to centre around VCC/2. 28 XTOUT OUT Output from 6MHz Crystal Oscillator Cell. XTOUT stops oscillating during USB suspend, so take care if using this signal to clock external logic. 29 AGND PWR Device - Analog Ground Supply for the internal x8 clock multiplier 30 AVCC PWR Device - Analog Power Supply for the internal x8 clock multiplier 31 TEST IN Puts device in I.C. test mode must be tied to GND for normal operation. 32 EECS I/O EEPROM Chip Select. For 48MHz operation pull EECS to GND using a 10K resistor. For 6MHz operation no resistor is required. Tri-State during device reset. Tabela 8.4 Pinos do FT232BM.

127 Figura 8.9 Dimensões do FT232BM. 127

128 Figura 8.10 Esquema Elétrico Completo. 5V U1 6 TLV 3V 3 1 IN OUT 3 GND 0 D1 R8 0 S aíd a 3 V3 R13 R1 2 R U1 3 E ES K E EDA TA V CC RE SE T# RS TOUT# 3V 3OUT US BDP US BDM GND S LE EP # RXL ED# TX LE D# V CCIO P WRCTL P WRE N# EE CS T ES T AV VC A GND XTOUT XT IN V CC TXD RXD RTS # CTS # DTR# DS R# DCD# RI # C11 0 C1 0 R6 1k 0 0 C7 R U11 8 RS V 7 DO 6 V ss 2 5 CL K 4 V cc 3 V ss 1 2 DI 1 CS 9 RS V DSUB _CORE DS UB_ PA DS 2 2 DGND RE S ET n DGUARD 1 9 DGND_GUARD DV DD_ADC AV DD_ ADC 1 6 NC A VDD_I F A VDD_RF 2 NC 1 3 DV DD3. 3 DV DD1. 8 NC S FD A VDD_S W CCA GND F I FOP RF _N F I FO TX RX_S WI T CH CS n RF_ P S CLK GND S I A VDD_RF 1 S O A VDD_P RE DV DD_RAM AV DD_V CO NC V CO_GUA RD A VDD_X OS C1 6 X OSC16 _Q2 X OSC16 _Q1 NC V REG_E N V REG_OUT V REG_I N A VDD_I F 1 R_B I AS A TE S T2 A TE S T1 A VDD_CHP U1 CC R1 A nte na ( 50 ohm s) J1 1 CON Esquema elétrico completo TX DEN GND S aíd a U SB J P HE A DE R 0 C C1 3 R7 R9 D2 R1 0 R U14 CS SK DI N V CC NC NC 4 DOUT GND X3 C12 0 R15 0 U RB 7/ KB I 3/ PGD MCLR/ V pp/ RE RB 6/ KB I 2/ PGC RA 0/ A N0 26 RB 5/ KB I 1/ PGM RA 1/ A N RB 4/ KB I 0/ AN1 1 RA 2/ A N2 / Vref -/ CVre f RB 3/ AN9/ CCP 2 RA 3/ A N3/ Vre f + 23 RB 2/ INT 2/ AN8 RA 4/ T0 CK I / C1OUT RB 1/ INT 1/ AN1 0 RA 5/ AN4 /S S /HL VDI N/ C2OUT 21 RB 0/ INT 0/ FL T0/ A N12 Vs s 8 20 V dd OS C1/ CLK I/ RA V ss OS C2/ CLKO/ RA 6 18 RC7/ RX/ DT RCO/ T1OS O/T 1E CKI RC6/ TX /CX RC1 / T1OS I /CCP RC5/ S DO RC2/ CCP 1 15 RC4/ S DI / S DA RCS3/ S CK/ S CL 1 4 X 2 C8 C9 0 C5 0 C6 R5 NC L1 L2 R2 L3 C1 0 X1 C2 R3 C4 C

129 Footprint. Figura 8.11 Footprint dos componentes. Figura 8.12 Footprint das trilhas (visão superior).

130 Figura 8.13 Footprint das trilhas (visão inferior). 130

131 Modelos Impressora. Figura 8.14 Características da séria 42XX da Hewlett Packard.

132 Figura 8.15 Características da séria 43XX da Hewlett Packard. 132