Experimentos de alcance máximo de transmissão do Zigbee em ambiente urbano

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1 Experimentos de alcance máximo de transmissão do Zigbee em ambiente urbano Daniel A. R. L. de Souza 1, Jose A. M. Rabello 1, Carlos M. S. Figueiredo 1 1 Fundação Centro de Análise, Pesquisa e Inovação Tecnológica - FUCAPI Av. Gov. Danilo de Mattos Areosa, Distrito Industrial - CEP: Manaus AM Brazil {danguto, alberto.rabello}@gmail.com, mauricio.figueiredo@fucapi.br Resumo. Este artigo tem o propósito de mostrar resultados de experimentos de alcance máximo de uma Rede de Sensores sem Fio utilizando Zigbee em ambiente urbano a fim de subsidiar pesquisas de implantação de uma RSSF e assim descobrir o melhor cenário para transmissão de dados com a menor perda de informação devido a interferências e distúrbios gerados neste. Abstract. This paper has the intents to show maximum range experiments in a Wireless Sensors Network using Zigbee in an urban environment to support implementation researches of a WSN and so discover the best scenario for transmitting data with the minimal losses of information due to interferences and disorders produced on this environment. 1. Introdução Muito tem se falado em Redes de Sensores sem Fio (RSSF) [Loureiro 2003] para monitoramento de áreas devido às características inerentes da tecnologia em ser uma alternativa que apresente baixo consumo energético, possui grande autonomia, é confiável e de fácil implementação. Sendo o Zigbee [ZigBee Alliance 2013] hoje uma tecnologia que está em grande expansão, principalmente devido à facilidade de acesso a esta, e que possui os princípios básicos de uma RSSF, resolvemos, a partir de uma demanda, realizar experimentos para verificar o alcance máximo de comunicação em área urbana para verificar, na prática, os limites da tecnologia e sua possível aplicação em áreas que possuam muitos ruídos externos que geram interferências nos sinais de radio. Áreas urbanas são um dos grandes desafios para as redes de sensores sem fio por possuir grandes objetos que podem atenuar ou inserir ruídos na comunicação e por vários tipos de ondas eletromagnéticas que podem interferir no sinal. O Zigbee utiliza a banda de radio chamada ISM [Gomes 2010], ou Industrial, Scientific and Medical band, cujo objetivo é reservar frequências para que aplicações com esse propósito possam trabalhar sem que interfira em outros serviços de comunicação essenciais e não necessitam de concessão especial para serem utilizadas. Por ser uma banda altamente utilizada por diversas tecnologias, como por exemplo, bluetooh, Wi-fi e etc, e devido à natureza das ondas eletromagnéticas acaba havendo interferência entre essas, o que diminui a eficiência da comunicação. Utilizamos em nossos experimentos equipamentos da Digi Internacional modelo Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

2 Xbee Pro que utiliza a faixa de 2,4 GHz que possui alcance máximo teórico de 1,6 Km [DIGI 2013] com linha de visada. Desse modo, queríamos testar a influencia das interferências geradas em várias situações em uma área industrial de modo a determinar o verdadeiro alcance máximo de operação para que seja feita uma comunicação eficaz. 2. Fundamentação 2.1. Redes de sensores sem Fio As RSSF [Alkyldiz 2002] podem ser aplicadas nos mais diversos segmentos para monitoramento de ambientes e tem se tornado uma grande ferramenta para verificações de fenômenos em áreas remotas e de difícil acesso. Esse tipo de rede de sensores tem uma grande vantagem em relação aos sensores comuns já que podem simplesmente ser jogados onde o fenômeno a ser medido está localizado que, pelas suas próprias características, a medição é realizada sem colocar em risco a vida de pessoas e equipamentos. Muitos pesquisadores têm olhado para está tecnologia, pois a mesma tem um grande potencial de aplicação em várias áreas de conhecimento e podem ser uma ferramenta importante para monitoramento de informações, já que seus sensores possuem a capacidade de medir vários fenômenos e condições ambientais como temperatura, humidade, condições de luz, pressão, níveis de ruído, movimentação de veículos, e etc., e sua capacidade de aplicação é praticamente infinita podendo ser usadas em aplicações militares, ambientais, de saúde, domesticas, além de outras áreas comerciais, da indústria, medicina e até na fabricação de brinquedos, o que a torna uma tecnologia muito promissora para o futuro. Segundo Figueiredo [2009] todos os esforços nesses últimos anos foram despendidos para criação de modelos conceituais e avaliação de simulações e como consequência nem todas as suposições podem ser verificadas na prática, o que tem gerado uma falta de realismo em estudos práticos e isso tem gerado algumas divergências entre os modelos simulados e os estudos práticos sobre essas redes, por isso se faz necessário experimentações em ambientes reais principalmente na implantação de uma RSSF em grandes áreas. Devemos considerar também os modelos de propagação de ondas para que possamos, através de modelos matemáticos, tentar prever o comportamento das ondas de radio envolvidas nessa comunicação. Podemos utilizar os modelos de propagação indoor no primeiro experimento deste trabalho assim como os modelos de propagação por terra no segundo e terceiro, que é o mais utilizado para este tipo de modelagem. Como o objetivo deste trabalho é apenas demostrar os dados coletados através de experimentos, não se fazem necessários à modelagem dos modelos citados, pois necessitam de inúmeras informações que podem variar no decorrer das experimentações Zigbee A tecnologia Zigbee [Couto e Figueredo 2008] foi desenvolvida por um consorcio de empresas, denominado Zigbee Alliance, que desenvolveu junto ao IEEE esta tecnologia para ser utilizado em aplicações de sensoriamento, controle e Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

3 acionamento de dispositivos remotamente. É um padrão aberto que trabalha na frequência ISM (Industrial, Scientific, na Médical) de 2,4 GHz que não necessita de licença para o uso. A tecnologia Zigbee tem, hoje em dia, despontado como a que mais é utilizada quando se fala em RSSF por sua versatilidade, baixos requisitos energéticos e a possibilidade de se trabalhar com várias topologias de rede, como por exemplo, malha, estrela e arvore, conforme figura 1. Segundo Baumann [2006], os módulos que utilizam o padrão Zigbee devem possuir necessariamente um radio transmissor/receptor IEEE que provê a definição da camada física e da camada de acesso MAC, enquanto o Zigbee define as outras camadas do modelo OSI, a pilha do Zigbee e a camada de aplicação. Sendo essas pensadas para alta eficiência energética e segurança com a utilização de criptografia. Figura 1 Topologias de Rede Zigbee. Fonte: Site Rogercomm. 3. Configuração dos dispositivos Utilizamos para os experimentos dois dispositivos XBee Pro configurados como coordenador (coordinator) e dispositivo final (end device) de forma a simular uma comunicação ponto a ponto entre os dois dispositivos e assim monitorar os parâmetros da comunicação sem interferência dos algoritmos de roteamento que o mesmo possui. Os dois dispositivos foram configurados utilizando-se o software disponibilizado pela Digi, o X-CTU, onde podemos setar todos os parâmetros necessários para o funcionamento, evitando assim o uso dos comandos de configuração via terminal do Zigbee, assim também como o modo de operação dos dispositivos. No dispositivo coordenador foi setado o modo de operação API [DIGI 2013] e o dispositivo final (end device) como modo AT para que a troca de informações possa ser feita de forma mais simples possível. No coordenador foi selecionado o conjunto de funções ZIGBEE COORDINATOR API onde foram carregadas as opções default através do botão Show Defauts para o funcionamento básico do mesmo e gravado no firmware. No end device, utilizamos o mesmo procedimento sendo a única diferença o conjunto de funções onde foi escolhido ZNET 2.5 ROUTER/END DEVICE AT e após o carregamento das configurações default foi gravado no mesmo. Depois de configurados, utilizamos um computador ligado a cada dispositivo e a partir do teste de alcance, Range Test no programa X-CTU, enviamos, através do end Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

4 device, um pacote de 32 bytes contendo caracteres MNO, padrões para este tipo de teste, para que desse modo pudéssemos monitorar os parâmetros de perda de pacotes e RSSI do Zigbee, onde o Coordenador e o end device foram colocados em posições estratégicas para realizar os experimentos de acordo com suas necessidades. 4. Resultados Depois de configurar os dispositivos, a fim de criar uma RSSF ponto a ponto, procedemos com os experimentos em três situações diferentes: Entre prédios, em mata fechada e em campo aberto. No primeiro experimento queríamos saber a influencia que edifícios e paredes poderiam ter no sinal e esse se mostrou o ambiente mais hostil à transmissão dos dados, pois além das paredes de alvenaria existem também no local, várias fontes de interferência como, por exemplo, uma rede Wi-fi que possui o mesmo espectro de frequência do Zigbee. No segundo experimentos, queríamos verificar o comportamento da transmissão em um ambiente de floresta fechada dentro de uma área urbana, pois dessa forma, poderíamos retirar qualquer influencia dos obstáculos de alvenaria entre os dispositivos, mas ainda com vários obstáculos entre o caminho. Este cenário se mostrou o segundo mais favorável à transmissão. Na terceira e ultima experiência, realizamos um teste com campo de visada direta e esse foi o cenário em conseguimos maior alcance de transmissão. Cada experimento teve um tempo de operação de 2 minutos para que pudéssemos realizar a coleta dos dados sem mais problemas. Apesar dos esforços não conseguimos chegar ao alcance máximo informado no datasheet [DIGI 2013] do dispositivo cujo valor máximo em linha de visada é de 1,6 Km, mas chegamos próximo deste valor considerando que no ultimo experimento o ambiente não era de todo livre de interferências, pois estávamos em ambiente urbano. Abaixo mais detalhes dos experimentos Experimento 1 Entre Prédios O ambiente de coleta de dados para o experimento escolhido para realização deste foi nas dependências da Fundação Centro de Analise, Pesquisa e inovação Tecnológica - FUCAPI, no horário entre 9h e as 12h, conforme mostrado na figura 2, para dessa forma simular um cenário onde pudéssemos encontrar interferências externas suficientes para ocasionar a limitação da comunicação dos mesmos tais como: paredes, equipamentos eletrônicos, ruído e etc. Os dados obtidos do experimento foram condensados na tabela 1 que possuem os dados compilados, onde os parâmetros do mesmo são: Distancia: É a distancia relativa dos dispositivos em metros; enviados com sucesso: Se refere ao numero de pacotes que conseguiram chegar ao seu destino; perdidos: É a quantidade de pacotes perdidos durante a transmissão; Percent: É o percentual de pacotes enviados com sucesso em relação ao total de pacotes; Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

5 RSSI: Significa Received Signal Strength Indicator, ou seja, é a sensibilidade de sinal de cada pacote recebido; Posição: Posicionamento dos dispositivos, conforme o mapa da figura 2. Figura 2 Mapa da FUCAPI com os pontos de teste Distancia (m) Fonte: Google Maps Tabela 1 Resultados do Experimento 1 Enviados com sucesso Perdidos Percent RSSI (dbi) Posição ,7-50 A-B A-C D-E ,7-73 D-F ,8-58 G-H ,9-66 F-G Fizemos este experimento ao redor do bloco G da Faculdade FUCAPI por ser uma área onde há maior espaço vazio com linha de visada direta sem grandes alterações na altura dos dispositivos. No primeiro e segundo experimentos, utilizamos o corredor do bloco G a fim de determinar o impacto gerado pela interferência que o mesmo possui já que se trata de um local onde existem muito equipamentos de laboratório. No terceiro e quarto experimentos resolvemos verificar a influencia do prédio inteiro no sinal sendo o terceiro onde o prédio está no meio dos transmissores e o quarto sem o prédio mais ainda nas proximidades do mesmo. No quinto e sexto experimentos, queríamos verificar o impacto que teria a transmissão entre dois prédios, o bloco G e o bloco D. Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

6 Neste experimento podemos verificar a grande influencia que paredes de alvenaria causam no sinal, onde o pior resultado encontrado foi no terceiro teste por possuir uma grande quantidade delas entre os dois dispositivos e o melhor resultado foi encontrado no segundo teste que mesmo sendo dentro de um prédio não existiam obstáculos entre os dois dispositivos Experimento 2 Mata fechada Para este experimento utilizamos um ambiente de mata fechada, conforme figura 3, e foi realizado no Bosque da Ciência no horário de 14h as 17h de modo a encontrar um ambiente com uma densidade grande de arvores de forma a ocasionar uma limitação na comunicação dos dispositivos XBee Pro. Figura 3 Ambiente da simulação 2. Distancia (m) Tabela 2 Resultados do Experimento 2 Enviados com sucesso Perdidos Percent RSSI (dbi) , , , , , ,7-66 Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

7 Na tabela 2 foram condensadas as informações do experimento segundo os parâmetros apurados no experimento anterior. Infelizmente não pudemos fazer mais simulações com maiores distancias devido ao horário e ao tipo de mata que estávamos enfrentando o que torna difícil a localização e a comunicação neste ambiente. Como pudemos verificar nestes testes a qualidade do sinal cai de forma gradativa e apesar de não termos uma queda muito acentuada nos resultados podemos afirmar que, como será visto no próximo experimento, a mata influencia bastante na qualidade do sinal Experimento 3 Linha de Visada Direta Resolvemos fazer este experimento para verificar a influencia das interferências na qualidade do sinal, sendo este o único impedimento gerado, ou seja, a única dificuldade encontrada para o sinal seria a interferência natural que existe em ambiente urbano. Neste experimento utilizamos uma rua nas proximidades da FUCAPI e a rua mais longa que encontramos em linha reta foi a R. Nova, mostrada na figura 4, que segundo o Google Maps possui extensão de 1.4 km, mas com a ajuda de um Smartphone e o aplicativo SpeedView, gratuito para Android, e o auxilio do gps do mesmo, conseguimos calcular a distancia de 1.6 km, o que seria suficiente para pelo menos verificar a distancia que se encontra especificada no Datasheet do Xbee Pro. Figura 4 Mapa da rota do experimento 3. Fonte: Google Maps Utilizando o mesmo sistema dos experimentos anteriores nos dividimos em dois carros, um fixo, onde ficou o Coordenador, e um móvel, com o end device. Dessa forma fizemos a simulação dos cenários durante dois minutos cada com distancia de 10 metros inicialmente de um ponto de medição ao outro até alcançarmos a marca de 100m e a partir dai achamos mais produtivo se as medições fossem realizadas a cada cem metros. Os resultados obtidos no experimento foram compilados na tabela 3 contendo os dados coletados. Dessa forma podemos utilizar estes dados como referencia, já que este comportamento é esperado pela própria natureza das ondas de rádio frequência, e conseguimos verificar que mesmo conseguindo chegar perto das informações fornecidas Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

8 pelo fabricante ainda tivemos problemas em alcançar os valores máximos do datasheet dos dispositivos. Distancia (m) Tabela 3 Resultados Experimento 3 Enviados com sucesso Perdidos Percent RSSI (dbi) , , , , , , , , , , , , , , , , , Conclusão Como pudemos verificar nesta simulação, as interferências e obstáculos prejudicam bastante a qualidade da transmissão do Zigbee. O pior cenário encontrado foi entre prédios e o melhor cenário foi com campo de visada em linha reta que ainda assim ficou Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

9 prejudicado pelos distúrbios gerados dentro de uma área urbana, sejam pessoas, carros e outras tecnologias que utilizam a mesma faixa de frequência ISM. Apesar dos problemas na frequência, as informações transmitidas chegaram de forma satisfatória a seu destino dentro do campo de ação mostrando a robustez de uma RSSF mesmo com inúmeras interferências citadas. 6. Referencias LOUREIRO, Antonio A. F. at al (2003). Redes de Sensores Sem Fio. In XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores, 2003, Natal. Anais... Natal: SBC, 2003, 48 p. ZigBee Alliance (2013). Sobre o Zigbee. Disponível em: Acesso em 05/03/2013. ROGERCOM (2013). XBee/ZigBee - IEEE Disponível em: Acesso em: 05/03/2013. AKYLDIZ, Ian. F. et al. (2002). A Survey on Sensor Networks. IEEE Communications Magazine, Vol.40 (8), p GOMES, Ruan D. ; SPOHN, Marco A. (2010). Estudo Experimental da Utilização Espectral na Banda ISM de 2.4 GHz. In: The 9th International Information and Telecommunication Technologies Symposium, Rio de Janeiro. UNIRIO, FIGUEIREDO, Carlos M. S. et al. (2009). Assessing the Communication Performance of Wireless Sensor Networks in Rainforests. Wireless Days (WD), nd IFIP. COUTO, Fillipe L. ; FIGUEREDO, Luis Felipe C. (2008) Medição Móvel de Conforto Térmico para Rede de Automação Predial Wireless, Trabalho de Conclusão de curso. UnB Universidade de Brasilia, BAUMANN, Chris (2006). Tips for selecting a Media Access Controller for ZigBee. Industrial Control Designline: TechOnline Community. 28 ago DIGI International (2012). Product Manual - XBee/XBee-PRO OEM RF Modules, RF Module Operation, RF Module Configuration and Appendices Google Maps (2013). Maps by Google. Disponível em: Acesso em: 05/03/2013. Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)