Sistema Distribuído de Aquisição Remota de Grandezas Atmosféricas

Instituto Politécnico de Setúbal Escola Superior de Tecnologia Sistema Distribuído de Aquisição Remota de Grandezas Atmosféricas Célia Cordas João Rodrigues Vítor Borrego Trabalho Final de Curso do 1ºCiclo Em Engenharia Electrónica e Computadores Orientadores: Prof. Filipe Cardoso Prof. António Abreu Março/2007

Agradecimentos Os alunos que desenvolveram este projecto gostariam de agradecer aos orientadores, o Prof. António Abreu e o Prof. Filipe Cardoso, pela disponibilidade e ajuda na escolha das melhores soluções para a conclusão do projecto. Gostaríamos de agradecer também ao nosso colega Marco Francisco pelo auxílio fornecido de forma a se obter melhor conhecimento sobre o funcionamento do módulo RF XBee. i

Curso: Engenharia Electrónica e Computadores Título do projecto: Sistema Distribuído de Aquisição Remota de Grandezas Atmosféricas Autores: João Rodrigues, nº 2438 Célia Fernandes, nº 2530 Vítor Borrego, nº 3963 Orientadores: Prof. Filipe Cardoso Prof. António Abreu Projecto concluído em 15 de Março de 2007 ii

Resumo: O projecto apresentado consiste numa rede de sensores sem fios para aquisição de dados relativos a temperatura e humidade relativa. O sistema desenvolvido permite a comunicação entre o computador e um conjunto de nós com capacidade para adquirir dados de temperatura e humidade relativa. Os dados são adquiridos pelos nós com base num período de tempo definido. O programa existente no computador permite controlar o comportamento dos nós em termos de gestão de energia. Para atingir esse fim o programa sincroniza os nós de modo a que eles activem os seus módulos RF (Rádio-Frequência) em simultâneo para estabelecer a comunicação entre o computador e os nós. O computador requer a cada nó que envie os dados que adquiriu e regista-os para futura consulta. Além de registar também envia os dados por email para outro destino caso se deseje. De acordo com testes efectuados em ambiente interior (residência) o sistema adquiriu com poucas falhas dados de temperatura e humidade relativa, salvo excepções em que tal não foi possível devido a problemas de propagação. Palavras-chave: Rede, sensores, wireless, temperatura, humidade. iii

Title: Distributed System for Remote Acquisition of Atmospheric Variables Abstract: The project presented, consists of a wireless sensor network for temperature and relative humidity data acquisition. The developed system allows communication between the computer and the set of nodes with the ability to acquire temperature and humidity data. This data is acquired in a designated time period. The existing program on the computer allows behaviour controlling of the nodes in terms of energy management. To reach this intention, the program synchronizes the nodes in order to activate their RF (Radio Frequency) modules simultaneously to establish communication between them and the computer. The computer requires from each node to send the data acquired and logging it for future consult. Beyond registering, it also e-mails the data to another destination if desired. In accordance with indoor tests made (residence), in general, the system acquired temperature and relative humidity data with no problems, few exceptions were made where due to propagation problems. Keywords: Networks, sensors, wireless, temperature, humidity iv

Índice 1. Introdução...1 1.1. Motivação e objectivos...1 1.2. Estrutura do documento...1 2. Redes de comunicação...2 2.1. O Modelo OSI...2 2.1.1. Níveis do modelo OSI...2 2.1.2. Encapsulamento de dados...5 2.2. Low Rate Wireless Personal Area Network...6 2.2.1. Especificações do nível físico...8 2.2.2. Especificações do nível de ligação de dados...9 2.2.3. Topologias...9 2.2.4. Modos de endereçamento...10 2.2.5. Modos de operação de rede...11 2.3. Bluetooth...11 2.4. ZigBee...14 2.4.1. Topologias de rede...15 2.4.2. Encaminhamento...17 2.5. Comparação das redes de comunicação...18 3. Descrição do sistema...19 3.1. Diagrama de Blocos...19 3.2. Protocolo PSDARGA...20 3.2.1. Endereçamento...21 3.2.2. Topologias de rede...21 3.2.3. Encaminhamento...22 3.2.4. Arquitectura de rede...22 3.2.5. Estrutura do pacote...22 3.2.6. Encaminhamento de pacotes...23 3.2.7. Recepção de pacotes...25 3.2.8. Envio dos pacotes pelo PC...26 3.3. Sensor...28 3.3.1. Introdução...28 v

3.3.2. Sensor de Temperatura e Humidade Relativa...29 3.4. Módulo XBee...30 3.4.1. Criação de trama RF pelo módulo RF XBee...32 3.4.2. Configuração dos módulos RF XBee...33 3.5. Microcontrolador...33 3.5.1. Funcionamento do PIC...35 3.6. Alimentação...37 3.7. Caracterização do Hardware...39 3.7.1. Placa de Interface...39 3.7.2. Placa do nó...41 3.8. Programa SDARGACtl v2.0...45 4. Testes e resultados experimentais...47 5. Conclusões e Desenvolvimentos Futuros...52 6. Bibliografia...54 Anexos... Error! Bookmark not defined. vi

Lista de Figuras Figura 2.1 Modelo de referência OSI...3 Figura 2.2 Diferentes tipos de meios de transmissão (extraído de [2])...3 Figura 2.3 Protocol Data Unit...6 Figura 2.4 Níveis do LR-WPAN segundo o modelo OSI...7 Figura 2.5 Esquema da topologia Ponto-a-ponto...10 Figura 2.6 Esquema da topologia estrela...10 Figura 2.7 Estrutura da supertrama (extraído de [14])...11 Figura 2.8 Níveis do Bluetooth segundo o modelo OSI...12 Figura 2.9 Rede piconet...13 Figura 2.10 Níveis do ZigBee segundo o modelo OSI...15 Figura 2.11 Esquema da topologia estrela...16 Figura 2.12 Esquema da topologia árvore...16 Figura 2.13 Esquema da topologia malha...17 Figura 3.1 Diagrama de blocos do sistema...19 Figura 3.2 Níveis do PSDARGA segundo o modelo OSI...20 Figura 3.3 Topologia em estrela distribuída...21 Figura 3.4 Estrutura de pacote...23 Figura 3.5 Fluxograma de encaminhamento de pacote pelo router...24 Figura 3.6 Fluxograma da recepção de um pacote por parte de um nó...25 Figura 3.7 Estrutura da rede...26 Figura 3.8 Pacote recebido pelo router B...27 Figura 3.9 Pacote transmitido pelo router B...28 Figura 3.10 Imagem do SHT11 (extraído de [24])...30 Figura 3.11 Diagrama de blocos do SHT11 (extraído de [24])...30 Figura 3.12 Imagem do XBee (extraído de [28])...31 Figura 3.13 Diagrama de transmissão de dados com módulos RF XBee...31 Figura 3.14 Bits a serem transmitidos pela UART através do módulo RF...32 Figura 3.15 Fluxograma do funcionamento dos routers e nós...36 Figura 3.16 Imagem do MAX233 (extraído de [32])...39 Figura 3.17 Esquemático da placa de interface...40 Figura 3.18 Esquemático do nó e router...41 vii

Figura 3.19 Figura do programa para comparação dos relógios do PC e PIC...42 Figura 3.20 Programa de interacção do utilizador com o sistema...45 Figura 3.21 Imagem da área de Aquisição dos dados dos Nós...45 Figura 3.22 Fluxograma do funcionamento da aquisição de dados dos Nós...46 Figura 4.1 Configurações do router, nó e PC...47 Figura 4.2 Sincronização de um router ou nó...48 Figura 4.3 Posicionamento dos dispositivos sem comunicação para o nó A...48 Figura 4.4 Posicionamento dos dispositivos com comunicação para o nó A...49 Figura 4.5 Gráfico das amostras da Temperatura...51 Figura 4.6 Gráfico das amostras de Humidade Relativa...51 viii

Lista de Tabelas Tabela 2.1 Frequências de operação da LR-WPAN...8 Tabela 2.2 Frequências de operação do Bluetooth (extraído de [11] e [12])...12 Tabela 2.3 Tabela de encaminhamento (extraído de [15])...17 Tabela 2.4 Comparação de redes de comunicação segundo o Modelo OSI...18 Tabela 3.1 Tabela de encaminhamento do router B...28 Tabela 3.2 Tipos de sensores naturais (extraído de [30])...29 Tabela 3.3 Tabela com os consumos medidos e com os dados no datasheet do XBee...37 Tabela 3.4 Tabela com os valores de mah dos vários tipos de pilhas...38 Tabela 3.5 Tabela com a duração estimada das baterias para o XBee...38 Tabela 3.6 Tabela com a duração estimada das baterias para o XBee-Pro...38 Tabela 3.7 Tabela com os valores para cálculo do novo valor de inicialização...44 Tabela 4.1 Tabela de amostras de temperatura e humidade relativa...50 ix

Lista de abreviaturas e acrónimos A/D Analógico/Digital CC Command Sequence Character CD Carrier Detect CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor CPU Central Processing Unit CS Contador de Saltos CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CTS Clear to Send DA Destino em Alcance DCE Data Communication Equipment DI Data In DL Destino Lógico DLF Destino Lógico Final DLI Destino Lógico Inicial DO Data Out DSR - Data Set Ready DTE Data Terminal Equipment DTR Data Terminal Ready EB End Byte EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory ER Endereço de Rede EUSART Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter FFD Full Function Device FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum GND Ground GT Guard Times GTS Guaranteed Time Slot ICSP In Circuit Serial Programming ID Identificador de Pacote IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers x

IP Internet Protocol ISM Industrial, Scientific and Medical applications ISO International Standards Organization LR-WPAN Low Rate Wireless Personal Area Network LSB Least Significant Bit MSB Most Significant Bit NDA Novo Destino em Alcance OA Origem em Alcance OL Origem Lógica OSI Open Systems Interconnection PAN Personal Area Network PC Personal Computer PDA Personal Digital Assistant PDU Protocol Data Unit PL Payload PSDARGA Protocolo do Sistema Distribuído de Aquisição Remota de Grandezas Atmosféricas PWM Pulse Width Modulation RD Received Data RF Rádio-Frequência RFD Reduced Function Device RI Ring Indicator RISC Reduced Instruction Set Computer RO Packetization Timeout RTS Request to Send SB Start Byte SDARGA Sistema Distribuído de Aquisição Remota de Grandezas Atmosféricas TD Transmitted Data TDM Time Division Multiplexing TTL Transistor Transistor Logic UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter USB Universal Serial Bus xi

UTP Unshielded Twisted Pair xii

1 Introdução 1. Introdução 1.1. Motivação e objectivos A monitorização de grandezas atmosféricas de temperatura e humidade relativa para a prevenção de doenças, em plantações agrícolas constituiu um factor fundamental para o desenvolvimento deste trabalho. Para resolver este problema desenvolveu-se uma rede de sensores para ser possível obter dados relativos a temperatura e humidade que após serem analisados podem servir para implementar medidas preventivas para que as plantações presentes no terreno não sejam afectadas por doenças. Doenças que podem ser detectadas monitorizando a temperatura e a humidade relativa é, por exemplo, o Míldio dos Citrinos. Esta doença é provocada principalmente pelo fungo Phytophthora Hibernalis que inicia a sua actividade desde que a temperatura seja superior a 12º C e a humidade relativa superior a 70% [1]. Monitorizando a plantação com o sistema desenvolvido por este trabalho é possível verificar se ocorrem as condições óptimas para o desenvolvimento de doenças, tais como o Míldio dos Citrinos e tomar as medidas necessárias para evitar o seu desenvolvimento. 1.2. Estrutura do documento Este documento encontra-se organizado da seguinte forma, no segundo capítulo são abordados o modelo OSI (Open Systems Interconnection) e as redes de comunicação em geral. No terceiro capítulo é descrito os componentes do sistema desenvolvido, no quarto capítulo apresentam-se os testes efectuados e resultados experimentais obtidos. As conclusões são apresentadas no quinto capítulo. O documento termina com a apresentação das referências bibliográficas a que se recorreu, seguindo-se uma secção de anexos onde estão presentes a listagem do código utilizado nos microcontroladores PIC existentes nos nós, e do código do programa de controlo da rede de sensores e registo das grandezas atmosféricas. 1

2 Redes de comunicação 2. Redes de comunicação As redes de sensores podem ser construídas com redes de comunicação que tem como característica comum, o facto de habitualmente a comunicação ser efectuada por RF (Rádio- Frequência). Neste capítulo aborda-se de forma sucinta o modelo OSI e o funcionamento de algumas redes de comunicação em que a comunicação é feita por RF. Esta análise tem por objectivo dar uma panorâmica geral dos diversos tipos de redes existentes. 2.1. O Modelo OSI Com a evolução da tecnologia ao nível de redes de comunicação houve a necessidade de criar modelos que facilitassem a estrutura e desenho de sistemas de comunicação em rede. O aparecimento de grandes redes e a facilidade de utilização das tecnologias de redes por parte das empresas proporcionou nos meados de 1980 o lançamento do modelo de referência OSI [2-5]. O modelo de referência OSI descreve um conjunto de padrões que garantem uma maior compatibilidade e interoperabilidade entre várias tecnologias de rede. 2.1.1. Níveis do modelo OSI O modelo OSI é composto por sete níveis distintos, tal como ilustrado na Figura 2.1. 2

2 Redes de comunicação Figura 2.1 Modelo de referência OSI 2.1.1.1. Nível Físico O nível físico está relacionado com as especificações eléctricas, mecânicas, funcionais e de procedimentos para activar, manter e desactivar a ligação física de sistemas finais. No nível físico são especificados os tipos de conectores, níveis de tensão, temporização, alterações de tensão, ritmos de transmissão e distâncias máximas de transmissão. A função do nível físico é a transmissão de uma sequência arbitrária de bits de informação para o meio físico. Os dados passam pelo nível físico, em forma de bits através de um meio de transmissão que pode ser cabo coaxial, cabo telefónico, cabo UTP (Unshielded Twisted Pair), fibra óptica ou a atmosfera (ondas de rádio, microondas e luz), Figura 2.2. Figura 2.2 Diferentes tipos de meios de transmissão (extraído de [2]) 3

2 Redes de comunicação 2.1.1.2. Nível de ligação de dados O nível de ligação de dados torna fiável o fluxo de bits transmitidos pelo nível físico, efectuando o seu sequencionamento, sincronização, controlo de erros e de fluxo de modo a possibilitar a transmissão de informação entre os nós adjacentes. O nível de ligação de dados trata do endereçamento físico, da topologia de rede, do acesso ao meio, notificações de erro, entrega ordenada de tramas e validade dos dados. 2.1.1.3. Nível de rede O nível de rede fornece conectividade e selecção de caminhos entre dois dispositivos que podem estar localizados na mesma rede ou em redes distintas. Este nível é responsável pelo encaminhamento de pacotes da origem ao destino, endereçamento lógico de dispositivos ligados à rede e tradução de endereços lógicos para endereços físicos. Para que os pacotes de dados sejam transferidos da origem até ao destino, é importante que todos os dispositivos ligados à rede utilizem o mesmo protocolo. Os dispositivos responsáveis pelo encaminhamento de pacotes da origem ao destino são denominados routers. Para encaminharem os pacotes da origem para o destino utilizam tabelas de encaminhamento definidas dentro deles. Normalmente os routers são criados para funcionarem sobre um protocolo de rede específico. 2.1.1.4. Nível de transporte O nível de transporte é responsável pelo fornecimento de serviços de transporte ponto-aponto, fragmentação e desfragmentação de dados, controlo de fluxo, entrega de dados com fiabilidade e correcção de erros. 4

2 Redes de comunicação 2.1.1.5. Nível de sessão O nível de sessão estabelece, sincroniza, mantêm e termina uma sessão. Funções de autenticação para início de uma sessão, transferência de dados da sessão e fim de sessão são efectuadas neste nível. 2.1.1.6. Nível de apresentação O nível de apresentação concentra-se na sintaxe e na semântica da informação transmitida. Têm como objectivo fornecer funções de codificação e conversão garantindo que dados transmitidos por um nível de Aplicação de um dispositivo sejam lidos pelo nível de Aplicação de outro dispositivo. Tarefas de compressão, descompressão, encriptação e desencriptação de dados estão associadas a este nível. Dados associados a operações de multimédia também estão retratados neste nível. 2.1.1.7. Nível de aplicação O nível de aplicação é o nível que faculta a interacção com o utilizador fornecendo serviços de comunicação ao dispositivo. Dá aos aplicativos presentes no dispositivo a possibilidade de comunicar a partir da rede com aplicativos presentes em outros dispositivos. 2.1.2. Encapsulamento de dados Quando um dispositivo envia dados para outro dispositivo, os dados enviados são encapsulados. O encapsulamento consiste na formatação dos dados de acordo com os diversos níveis do modelo OSI. Cada nível origina um tipo de mensagem designado por PDU (Protocol Data Unit). Ao entrarem dados num nível é criada uma mensagem composta por um cabeçalho, dados e rodapé. O cabeçalho e rodapé são construídos conforme o protocolo do nível em questão. 5

2 Redes de comunicação São criadas mensagens desde os níveis mais altos até aos mais baixos. A cada tipo de mensagem gerada por nível dá-se um nome específico, dependendo do nível a que se refere como mostra a Figura 2.3. Figura 2.3 Protocol Data Unit 2.2. Low Rate Wireless Personal Area Network A norma IEEE 802.15.4, revista em 2003, define um protocolo de comunicação entre dispositivos via rádio, com baixo consumo de energia e ritmos de transmissão de dados baixo que é designado por LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network) [14]. A LR-WPAN opera em dois níveis do Modelo OSI, o nível físico e o nível de ligação de dados, Figura 2.4. 6

2 Redes de comunicação Figura 2.4 Níveis do LR-WPAN segundo o modelo OSI No nível físico a LR-WPAN é caracterizada pelo meio físico de transmissão ser via rádio na frequência ISM de 2,4 GHz, com um alcance máximo de 100 metros, ritmo de transmissão de 250 Kbps, 16 canais e largura de banda por canal de 5 MHz. No nível de ligação de dados a LR-WPAN é caracterizada por ter endereços físicos de 64 ou 16 bits, o acesso ao meio ser efectuado por CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) e por utilizar modos de endereçamento directo, indirecto e broadcast. A LR-WPAN também permite utilização de outras duas bandas de frequências ISM. A frequência de 915 MHz com um ritmo de transmissão de 40 Kbps que pode ser utilizada na América e Austrália. A frequência de 868 MHz com um ritmo de transmissão de 20 Kbps que pode ser utilizada na Europa, tal como indicado na Tabela 2.1. [14]. 7

2 Redes de comunicação América Austrália Europa Todo mundo Gama de frequências 902 MHz a 928 MHz 902 MHz a 928 MHz 868 MHz a 868,6 MHz 2,4 GHz a 2,4835 GHz Ritmo de transmissão Largura de banda por canal Número de canais 40 Kbps 40 Kbps 20 Kbps 250 Kbps 2,6 MHZ 2,6 MHZ 600 KHz 5,2 MHz 10 10 1 16 Tabela 2.1 Frequências de operação da LR-WPAN A LR-WPAN acede ao meio segundo o CSMA/CA podendo suportar as topologias de rede ponto-a-ponto e a estrela. A simplicidade deste tipo de rede permite ao utilizador uma flexibilidade do controlo do protocolo e manutenção da rede, devido ao reduzido número de operações executáveis, transferência de informação e uma estrutura de instalação fácil. Este tipo de rede também tem mecanismos de detecção da energia utilizada para a transmissão dos dados, e mecanismos para medir a qualidade da ligação de dados entre os dispositivos. Existem dois tipos de dispositivos, os FFD s (Full Function Device) e os RFD s (Reduced Function Device). Os FFD s são nós da rede mais sofisticados que podem funcionar como sendo coordenadores da PAN (Personal Area Network) ou dispositivos. Os RFD s são nós de rede de baixo custo utilizados para aplicações simples, que interagem com os dispositivos FFD s. 2.2.1. Especificações do nível físico O nível físico tem a seu cargo a responsabilidade de activar e desactivar o transmissor e receptor de rádio, indicar a energia do canal actual, mencionar a qualidade da recepção da 8

2 Redes de comunicação informação, verificar o canal de transmissão com o CSMA/CA, seleccionar o canal de frequência e efectuar a transmissão e recepção de dados. 2.2.2. Especificações do nível de ligação de dados O nível de ligação de dados tem como responsabilidades enviar e receber beacons no caso da existência de coordenador, sincronizar os beacons, associar e desassociar dispositivos à PAN, utilizar os mecanismos de segurança existentes, utilizar o mecanismo CSMA/CA para aceder ao meio, estabelecer ligações fiáveis entre dispositivos, manter e manusear os GTS s (Guaranteed Time Slot). Um beacon é uma trama que serve para identificar a PAN, sincronizar os dispositivos ligados à PAN e para descrever a estrutura da supertrama. Podem existir várias PAN s activas ao mesmo tempo no mesmo local. Os dispositivos podem pertencer a uma PAN especifica identificada por um valor de 16 bits. Se um dispositivo pertencer a uma determinada PAN ele só pode comunicar com outros dispositivos que pertençam a essa PAN. Um dispositivo pode comunicar com todas as PAN existentes, para que isso aconteça deve utilizar o identificador de PAN de 16 bits preenchido com o valor hexadecimal 0xFFFF, pelo que se conclui que podem existir 65 535 PAN s activas. 2.2.3. Topologias Neste tipo de rede podem ser utilizadas as topologias de rede em estrela ou ponto-a-ponto segundo a norma 802.15.4 [14]. Na topologia ponto-a-ponto os dispositivos comunicam entre si desde que estejam dentro do seu alcance, tal como ilustrado na Figura 2.5. 9

2 Redes de comunicação Figura 2.5 Esquema da topologia Ponto-a-ponto Na topologia em estrela os dispositivos estão interligados entre si por um ponto em comum, ou seja a comunicação é estabelecida entre os dispositivos adjacentes por intermédio de um dispositivo comum designado por coordenador da PAN, tal como ilustrado na Figura 2.6. Os dispositivos que operam nesta estrutura de rede têm um endereçamento de 64 bits. Figura 2.6 Esquema da topologia estrela 2.2.4. Modos de endereçamento Na LR-WPAN existem três modos de endereçamento, no endereçamento directo a informação é dirigida a um dispositivo em particular, no endereçamento indirecto a informação é transmitida por intermédio do coordenador da PAN e no endereçamento broadcast a informação é transmitida a todos os dispositivos que se encontram na rede. 10

2 Redes de comunicação 2.2.5. Modos de operação de rede Existem três modos de operação da rede, com coordenador e beacon usando slotted CSMA/CA, com coordenador e sem beacon usando unslotted CSMA/CA e sem coordenador e sem beacon usando unslotted CSMA/CA. Em modos com beacon a transmissão de informação é obtida com a confirmação da presença dos nós em rede, podendo estes adormecer entre beacons. Os modos com beacon implementam um controlo de acesso ao canal através de uma estrutura de supertrama e permitem manipular a qualidade de serviço. Figura 2.7 Estrutura da supertrama (extraído de [14]) Em modos sem beacon a transmissão de informação implica que os dispositivos mantenham os receptores permanentemente activos, o que implica que os dispositivos consumam muito mais energia ou que os dispositivos implementem por si mesmo uma política própria de adormecimento para poupança de energia. 2.3. Bluetooth O Bluetooth é uma tecnologia para comunicação sem fios entre dispositivos electrónicos a curtas distâncias e de baixo custo. É usual a utilização do Bluetooth em dispositivos pessoais, tais como PDA s (Personal Digital Assistant), telemóveis da nova geração, computadores portáteis, mas também em comunicações de periféricos tais como impressoras e digitalizadores. A rede de comunicação Bluetooth opera sobre o nível físico e de ligação de dados do modelo OSI, tal como ilustrado na Figura 2.8. 11

2 Redes de comunicação Figura 2.8 Níveis do Bluetooth segundo o modelo OSI O meio físico de transmissão é via rádio operando nas frequências de 2,400 GHz a 2,4835 GHz, com ritmo de transmissão de 1Mbps, 79 canais e largura de banda por canal de 1 MHz com excepção da França em que o número de canais é 23 e a gama de frequências em que opera é de 2,4454 GHz a 2,4835 GHz, Tabela 2.2. [6-12]. EUA, Japão e Europa excepto França França Gama de frequências 2,400 GHz a 2,4835 GHz 2,4454 GHz a 2,4835 GHz Ritmo de transmissão Largura de banda por canal 1 Mbps 1 MHz Número de canais 79 23 Tabela 2.2 Frequências de operação do Bluetooth (extraído de [11] e [12]) O Bluetooth utiliza uma topologia física ad-hoc [13]. Durante o funcionamento normal, um canal dos 79 canais de rádio disponíveis é partilhado por um grupo de dispositivos que estão sincronizados com um sinal de relógio e uma sequência própria de saltos de frequências. Ao dispositivo que fornece o sinal de relógio chama-se Mestre. 12

2 Redes de comunicação Todos os outros dispositivos são conhecidos como Escravos. A um grupo de dispositivos sincronizados com o sinal de relógio e que mudem de frequência conforme estabelecido na sequência de frequências chama-se piconet. Uma piconet de uma rede Bluetooth permite apenas a interligação de 8 dispositivos no máximo, sendo um deles o Mestre e os restantes sete Escravos, Figura 2.9. Mestre Escravo comunicação Figura 2.9 Rede piconet O acesso ao meio é controlado pelo Mestre. Este envia para todos os Escravos o seu valor de relógio interno e a sequência de saltos de frequência para que eles se possam sincronizar com ele. Os dispositivos Escravos que pertencem a uma piconet calculam a diferença entre o seu valor de relógio interno e o valor de relógio do Mestre da piconet a que pertencem. Os Escravos somam o valor dessa diferença ao valor do seu relógio interno para que possam se sincronizar com o relógio do Mestre. O sincronismo entre todos os dispositivos da piconet permite que eles utilizem a mesma frequência ao mesmo tempo. A sequência de saltos de frequência é um conjunto de frequências que os dispositivos devem usar em simultâneo para comunicarem entre si. As frequências não se repetem dentro da sequência de saltos e usam os valores de frequências disponíveis para os 79 canais do Bluetooth. Para cada piconet existe uma sequência única de frequências. Os dispositivos ao estarem sincronizados mudam para uma frequência conforme definido na sequência de saltos para um determinado instante no tempo. 13

2 Redes de comunicação O Mestre da piconet define um período de tempo dentro do qual para um determinado intervalo de tempo existe uma frequência distinta. A esse período com vários intervalos de tempo com uma frequência única atribuída chama-se de sequência de saltos de frequência. O Mestre e os Escravos comunicam um de cada vez na frequência que estiverem a utilizar durante um período de tempo de 625µs [12]. O endereço físico de cada dispositivo bluetooth é composto por 48 bits. O tipo de endereçamento utilizado é o directo (comunicação entre Mestre e Escravo) e por broadcast (Mestre envia informação para todos os Escravos). Os dispositivos Bluetooth são classificados em três classes, de acordo com a potência e alcance. Na classe 1 os dispositivos têm uma potência de 100 mw com alcance até 100 m. Na classe 2 os dispositivos têm uma potência de 2,5 mw e alcance até 10 m. Na classe 3 os dispositivos têm uma potência de 1 mw e alcance de 1 m. 2.4. ZigBee O ZigBee é definido como um protocolo que opera no nível de rede do modelo OSI sendo responsável pelo encaminhamento e endereçamento. Segundo a norma que define o ZigBee [15], o ZigBee funciona sobre redes LR-WPAN, tal como ilustrado na Figura 2.10. 14

2 Redes de comunicação Figura 2.10 Níveis do ZigBee segundo o modelo OSI O protocolo ZigBee pode ser utilizado em aplicações de baixo consumo e baixo custo o que o torna adequado para sistemas de monitorização. O protocolo ZigBee contém perfis que caracterizam o formato das mensagens e de procedimentos que ao serem manipulados descrevem a funcionalidade do dispositivo. O endereço de rede no protocolo ZigBee é de 16 bits, sendo o endereçamento de dados efectuado directamente ou em broadcast. 2.4.1. Topologias de rede No ZigBee podem existir três classes de dispositivos, o coordenador, o router e o nó. O coordenador é responsável pela criação e manutenção da rede ZigBee, armazenando a informação de gestão interna relevante para o seu funcionamento e tendo a possibilidade de funcionar como elo de ligação entre diferentes redes. O router permite a comunicação entre nós sem a intervenção do coordenador, mas pode comportar-se como um nó. O nó estabelece apenas comunicação na rede. O coordenador e o router são implementados com base em dispositivos FFD como estipulado pela norma IEEE 802.15.4 e o nó é implementado com base em dispositivos FFD ou RFD. 15

2 Redes de comunicação O protocolo ZigBee estabelece comunicação sobre topologias de rede em estrela, árvore e malha. Na topologia em estrela o controlo da rede é efectuado por um dispositivo designado por coordenador da PAN. O coordenador é responsável pela iniciação e manutenção da comunicação em rede, Figura 2.11. Figura 2.11 Esquema da topologia estrela Router (FFD) Coordenador (FFD) Nó (RFD) Na topologia em árvore os routers movem os dados na rede segundo um encaminhamento hierárquico, Figura 2.12. Figura 2.12 Esquema da topologia árvore Router (FFD) Coordenador (FFD) Nó (RFD) Na topologia em malha a comunicação na rede é efectuada numa estrutura ponto-a-ponto que não utiliza orientação por beacons, Figura 2.13. 16

2 Redes de comunicação Figura 2.13 Esquema da topologia malha Router (FFD) Coordenador (FFD) Nó (RFD) O protocolo ZigBee permite um máximo de 65 535 (16 bits) nós por coordenador da PAN. 2.4.2. Encaminhamento No protocolo ZigBee o encaminhamento é efectuado por dispositivos que estão definidos como coordenadores ou routers. Assim, é definido um algoritmo de encaminhamento de pacotes com o qual se pode construir as tabelas de encaminhamento. Um coordenador ou router efectua um reconhecimento dos dispositivos envolventes na sua rede para o ajudar na construção da tabela de encaminhamento. O coordenador ou router tem que manter a tabela de encaminhamento, efectuar a correspondência entre a origem e o destino do encaminhamento e escutar o que se passa na rede para corrigir eventuais problemas que possam surgir. A tabela de encaminhamento é descrita da seguinte forma: Nome do campo Tamanho Descrição Endereço destino 2 Bytes Endereço de destino à qual se aplica o encaminhamento Estado 3 Bytes Estado do encaminhamento Próximo endereço 2 Bytes Endereço do próximo dispositivo para o qual o pacote deve ser encaminhado para chegar ao seu destino Tabela 2.3 Tabela de encaminhamento (extraído de [15]) 17

2 Redes de comunicação 2.5. Comparação das redes de comunicação A Tabela 2.3 mostra um resumo das redes de comunicação que foram descritas anteriormente segundo o modelo OSI, onde N/D significa não disponível. Meio Físico Meio de transmissão Bluetooth 2,45 GHz banda rádio ISM LR-WPAN (802.15.4) (ZigBee) 2,4 GHz banda rádio ISM Alcance 1m a 100 m 100 m Ritmo transmissão 1 Mbps 250 Kbps Largura de banda 1 MHz 5 MHz Máximo dispositivos aceder ao meio físico 8 dispositivos N/D Ligação de dados Endereços físicos 48 bits 16/64 bits Acesso ao meio FHSS TDM CSMA/CA Endereçamento directo Endereçamento broadcast Endereçamento multicast Endereçamento indirecto Sim Sim Não Sim Tabela 2.4 Comparação de redes de comunicação segundo o Modelo OSI Após análise dos vários tipos de rede de comunicação e dos dispositivos electrónicos que permitem a interacção com elas, escolheu-se a rede de comunicação LR-WPAN. A LR- WPAN foi escolhida devido à existência do módulo RF XBee, que tem como características o baixo consumo de energia, baixo custo, respeitar as normas do LR-WPAN, possibilidade de ter muitos mais dispositivos activos numa rede LR-WPAN do que numa rede Bluetooth e a fácil ligação do módulo a outros dispositivos. 18

3 Descrição do sistema 3. Descrição do sistema 3.1. Diagrama de Blocos Como se apresenta na Figura 3.1 o sistema é composto por um programa que é executado num PC, uma placa de interface entre o PC/XBee e os vários nós e routers de rede. PC Placa Interface PC / Xbee Programa Nó C RS-232 XBee Fonte Alimentação MAX233 SHT11 Nó A P S D A R G A P S D A R G A Router F P S D A R G A Nó B PIC16F689 XBee Fonte Alimentação P S D A R G A P S D A R G A Nó E Nó D Figura 3.1 Diagrama de blocos do sistema O programa desenvolvido em linguagem Java [16-20] faz os pedidos de valores de temperatura e humidades aos vários nós e routers existentes na rede. Para além disso o programa desenvolvido permite também registar os valores obtidos a partir dos pedidos e enviar os valores registados caso se deseje por email [21-23] para um determinado destino. O programa comunica com a placa de interface por intermédio do protocolo de comunicação RS-232. A placa de interface PC/XBee permite o envio e recepção de pacotes por parte do PC para a rede. A placa de interface é composta por um módulo RF XBee, um conversor de níveis de 19

3 Descrição do sistema tensão MAX233 e uma fonte alimentação. O nó responde a pedidos efectuados pela rede. O router além de responder a pedidos efectuados pela rede também encaminha pacotes na rede destinados a outros nós. Os nós e os routers são compostos por um sensor de humidade e temperatura SHT11 [24], um microcontrolador PIC16F689 [25-27], um módulo RF XBee [28] e uma fonte de alimentação. A placa de interface e os nós comunicam entre si através do protocolo de comunicação PSDARGA (Protocolo do Sistema Distribuído de Aquisição de Grandezas Atmosféricas), desenvolvido para este projecto (ver 3.2). É de frisar que essas distâncias podem variar muito pois tratando-se de um sistema RF, a qualidade da comunicação está muito dependente das condições inerentes ao local onde o sistema é implementado. 3.2. Protocolo PSDARGA O PSDARGA é um protocolo que foi concebido na elaboração do projecto, opera no nível de rede do modelo OSI, tendo como base uma rede de comunicação LR-WPAN, que permite a troca e encaminhamento de pacotes, tal como ilustrado na Figura 3.2. Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede PSDARGA Ligação de Dados Fisico LR-WPAN Figura 3.2 Níveis do PSDARGA segundo o modelo OSI 20

3 Descrição do sistema No PSDARGA a comunicação em rede permite no máximo 254 dispositivos interligados (ver 2.7.5). 3.2.1. Endereçamento No PSDARGA o endereçamento de dados é efectuado pelo endereçamento directo em que a informação é dirigida a um único dispositivo. O endereço de rede é composto por um byte, pois desta forma os dispositivos que implementem o protocolo podem ter pouca capacidade de processamento e pouca memória, o que faz com que o protocolo seja simples e permita atingir a funcionalidade pretendida. 3.2.2. Topologias de rede O protocolo estabelece comunicação em rede sobre uma topologia em estrela distribuída. Na topologia estrela distribuída existem várias redes em estrela, composta por routers e nós interligados entre si, o que permite com que haja uma maior cobertura de rede. As comunicações são efectuadas entre os vários routers existentes nas diversas redes em estrela, com o objectivo de permitir a comunicação entre todos os dispositivos existentes na rede, tal como apresentado na Figura 3.3. Nó Router Comunicação Figura 3.3 Topologia em estrela distribuída 21

3 Descrição do sistema 3.2.3. Encaminhamento O encaminhamento de pacotes decorre por intermédio da comunicação em rede entre routers. Os routers permitem que nós que não estão em alcance suficiente para comunicar entre si comuniquem por intermédio dos routers. Nos routers são definidas tabelas de encaminhamento que permitem identificar o percurso a dar ao pacote na rede. Os routers no PSDARGA tem a responsabilidade de manter a tabela de encaminhamento e encaminhar o pacote. As tabelas de encaminhamento do protocolo são descritas para cada router da rede competindo a cada router verificar segundo a tabela de encaminhamento se o pacote é dirigido a algum dos seus nós, a ele próprio ou se tem que encaminhar o pacote a outro router da rede. 3.2.4. Arquitectura de rede A rede é constituída por um PC, vários nós e routers. Quem faz pedidos é o PC e os nós respondem aos pedidos efectuados. Os pedidos são encaminhados pela rede segundo as definições guardadas da tabela de encaminhamento existente em cada router. O router estabelece os caminhos que um pacote deve percorrer para chegar a um determinado destino. Cada dispositivo da rede tem um endereço lógico com um tamanho de um byte, denominado de Endereço Lógico de Rede (ELR). 3.2.5. Estrutura do pacote O pacote do protocolo e comunicação é constituído por vários bytes que são o inicio de pacote, origem lógica, destino lógico, origem do alcance, destino do alcance, contador de saltos, identificador de mensagem, os de dados e o de fim de pacote, ilustrado na Figura 3.4. 22

3 Descrição do sistema Figura 3.4 Estrutura de pacote Os bytes do pacote do protocolo podem tomar qualquer valor decimal de 0 a 255 com excepção dos valores 33 e 35 que correspondem aos caracteres! e #. Os caracteres! e # foram escolhidos como sendo identificadores de inicio e fim de pacote, respectivamente. O SB (Start Byte) é necessário para indicar onde começa o pacote. O OL (Origem Lógica) é responsável por indicar o nome do dispositivo que está a enviar o pacote. O DL (Destino Lógico) é responsável por indicar qual será o nome do dispositivo a que se destina o pacote. O OA (Origem em Alcance) contém o nome do nó que está a enviar o pacote. O DA (Destino em Alcance) contém o nome do nó de destino do pacote dentro do alcance do nó que está a enviar o pacote. O CS (Contador de Saltos) é incrementado sempre que um pacote for retransmitido. O ID (Identificador de Pacote) é incrementado para identificar o pacote enviado, ou seja, um router não incrementa o ID ao reencaminhar um pacote. Os bytes PL (Payload) representam comandos ou a resposta a comandos. Por fim, o byte EB (End Byte) indica o fim do pacote. 3.2.6. Encaminhamento de pacotes Tal como indicado na Figura 3.5, quando um router recebe um pacote, ele verifica se o DA é igual ao seu ELR (Endereço Lógico de Rede). Caso esse valor seja igual, então vai verificar se o DL é diferente do ELR, pois sendo diferente vai ver na sua tabela de encaminhamento se existe um NDA (Novo Destino em Alcance) para o DL entre o DLI (Destino Lógico Inicial) e o DLF (Destino Lógico Final). Existindo o NDA, a OA fica com valor igual ao ELR. Comparando a seguir o NDA ao ELR, e se forem iguais o DA fica com o valor de DL, caso contrário o DA fica com o valor de NDA, procedendo depois ao envio do pacote com os campos alterados. 23

3 Descrição do sistema Inicio Não Router recebe pacote? Sim Não DA igual a ELR? Sim Não DL diferente de ELR? Sim Não Existe NDA para DL entre DLI e DLF? Sim OA fica com o valor de ELR e incrementa o CS Não NDA igual a ELR? Sim DA fica com o valor de NDA DA fica com o valor de DL Router envia pacote com os campos alterados Fim do processo Figura 3.5 Fluxograma de encaminhamento de pacote pelo router 24

3 Descrição do sistema 3.2.7. Recepção de pacotes Quando um nó recebe um pacote ele começa por verificar se o DA é igual ao seu ELR, caso esse valor seja igual então, compara o valor de DL com o de ELR. Sendo esse valor igual o dispositivo processa os dados recebidos e de seguida procede ao envio do pacote de resposta, caso seja necessário. Pode-se verificar este processo no fluxograma da Figura 3.6. Inicio Não Nó recebe pacote? Sim Não DA igual a ELR? Sim Não DL igual de ELR? Sim Nó processa os dados recebidos Nó envia novo pacote de resposta caso seja necessário Fim do processo Figura 3.6 Fluxograma da recepção de um pacote por parte de um nó 25

3 Descrição do sistema 3.2.8. Envio dos pacotes pelo PC O processo de envio de um pacote para a rede começa no PC, o pacote é enviado do PC para um router e é depois encaminhado pela rede até chegar ao destino. Caso o nó tenha que enviar resposta o pacote é encaminhado com o auxílio dos routers para o PC. Isto mostra que um nó ou um router só transmitem pacotes caso tenham recebido um pacote, que ou é para encaminhar caso seja router, ou para o qual é necessário emitir uma resposta. Quem tem autonomia para enviar pacotes sem antes recebido algum destinado a eles ou para encaminhar é o PC. Devido as estas características considera-se que a rede baseia-se numa arquitectura de mestre-escravo, em que o PC é o mestre e os nós e os routers são escravos. Considerando a rede mostrada pela Figura 3.7, descreve-se o funcionamento pormenorizado do envio de pacotes na rede. Nó Router PC C F I Tabela de encaminhamento do router B DLI DLF NDA A D B E L E Tabela de encaminhamento do router E DLI DLF NDA A D B E H E I L J A B E J L Tabela de encaminhamento do router J DLI DLF NDA I L J A H E D G H K Figura 3.7 Estrutura da rede A tabela de encaminhamento serve para indicar o caminho que o pacote deve seguir para chegar ao seu destino. A tabela de encaminhamento é constituída por várias linhas e colunas, em que as colunas são as colunas DLI (Destino Lógico Inicial), DLF (Destino Lógico Final) e NDA (Novo Destino em Alcance). Cada linha da tabela define uma amplitude de ELR entre 26

3 Descrição do sistema os valores de DLI e DLF, caso o DL do pacote esteja compreendido entre os valores de DLI e DLF, então obtêm o valor de NDA para essa linha. Na figura 3.7 estão definidas três amplitudes de endereços lógicos, para cada router existente. Para cada router tem que ser definida uma tabela de encaminhamento para que os pacotes que percorrem a rede cheguem ao seu destino. A primeira linha da tabela de encaminhamento do router B, como apresentado na Figura 3.7, identifica os nós com os quais o router B comunica directamente. As linhas seguintes identificam os routers para os quais o router B encaminha os pacotes que não se destinam aos nós com os quais comunica directamente. Assim sendo, por observação da Figura 3.7 verifica-se que os nós com os quais o router B comunica directamente são os nós A, C e D, em que o valor mais baixo desse grupo de nós é o A e o valor mais alto é o D. O valor do ELR mais baixo vai corresponder ao DLI e o valor mais alto vai corresponder ao DLF. O valor de NDA vai corresponder ao nome do router que comunica directamente com os nós indicados anteriormente. As linhas seguintes da tabela de encaminhamento do router B mostram para onde o router B deve encaminhar os pacotes (NDA) para os pacotes chegarem a uma determinada amplitude de endereços lógicos de rede. A segunda linha da tabela de encaminhamento do router B diz que para endereços lógicos de rede entre E (DLI) e L (DLF), em que os endereços correspondem aos endereços E, F, G, H, I, J, K e L, os pacotes devem ser encaminhados para o router E (NDA). Considerando que o router B recebe o seguinte pacote, mostrado na Figura 3.8.! A L A B A A PI # SB OL DL OA DA CS ID PL EB Figura 3.8 Pacote recebido pelo router B O router B tem a seguinte tabela de encaminhamento. 27

3 Descrição do sistema Tabela de encaminhamento do router B DLI DLF NDA A D B E L E Tabela 3.1 Tabela de encaminhamento do router B Aplicando a lógica presente no fluxograma da Figura 3.5 e com a tabela de encaminhamento do router B ao pacote recebido presente na Figura 3.8, o router B cria e envia o pacote presente na Figura 3.9.! A L B E B A PI # SB OL DL OA DA CS ID PL EB Figura 3.9 Pacote transmitido pelo router B O pacote vai sendo retransmitido pelo vários routers, com cada um deles fazendo a análise descrita anteriormente, até chegar ao seu destino. 3.3. Sensor 3.3.1. Introdução Os sensores são dispositivos que interagem com o meio captando sinais de vários tipos convertendo-os em sinais eléctricos representados por tensão ou corrente. O ser humano tem cinco sentidos, em que cada sentido é composto por um tipo específico de sensor, tal como indicado na tabela 3.2, com analogia a dispositivos electrónicos equivalentes. 28

3 Descrição do sistema Sentido Tipo de sinal Propriedades Sensor Dispositivo análogo Visão Radiante Intensidade e Bastonetes e cones Filme comprimento de onda da luz da retina fotográfico,fotodíodo,f ototransistor Audição Mecânico Intensidade e frequência do som Caracol(cóclea) no canal auditivo interno Microfone Tacto Mecânico Pressão, força Nervos Potênciometro e LVDT. Detectores ópticos e sensores matriciais táctéis Olfacto Químico Odores Papilas olfactivas no nariz Nariz electrónico Paladar Bioquímico Proteínas Palpilas gustativas na língua Tabela 3.2 Tipos de sensores naturais (extraído de [30]) Actualmente existe uma grande diversidade de sensores dependentemente da finalidade a que se propõe. O seu funcionamento baseia-se em princípios físicos igualmente variados que, se em alguns casos são simples, noutros poder ser bastantes complexos. Os sensores podem ser de dois tipos, passivos ou activos. Os sensores passivos geram directamente um sinal eléctrico como resposta a estímulo externo, sem a necessidade de uma fonte de alimentação adicional. Os sensores activos necessitam de um fonte de alimentação externa e/ou um sinal de excitação, sendo modificado pelo o sensor para produzir, então, o sinal de saída. Os sensores podem ser classificados de acordo com características técnicas, material em que são fabricados, meios de detecção utilizados, mecanismos de conversão empregues, tipo de estímulo que medem e campos de aplicação. 3.3.2. Sensor de Temperatura e Humidade Relativa O SHT11 é dispositivo que integra dois tipos de sensores, um sensor de humidade relativa e um sensor de temperatura, como ilustrado na Figura 3.10. O SHT11 é composto por duas linhas de interface série, permitindo a leitura da humidade relativa e da temperatura num óptimo tempo de resposta. 29

3 Descrição do sistema Figura 3.10 Imagem do SHT11 (extraído de [24]) O SHT11 permite medir temperaturas desde -40º C até +123,8º C, medir valores de humidade relativa desde 0 até 100%, tem uma tensão de alimentação entre 2,4V e 5,5V e os dados são lidos através de duas linhas de interface série (SCK, DATA). A estrutura do dispositivo baseia-se no diagrama apresentado na Figura 3.11: Figura 3.11 Diagrama de blocos do SHT11 (extraído de [24]) O SHT11 contém um sensor de humidade e um sensor de temperatura que enviam os seus sinais analógicos para amplificação. Os sinais amplificados são convertidos para sinal digital, sinal esse que é disponibilizado por intermédio do interface série ligado às linhas SCK e DATA. 3.4. Módulo XBee A comunicação entre os dispositivos na rede é efectuado por intermédio de um módulo RF XBee, ilustrado na Figura 3.12. 30

3 Descrição do sistema Figura 3.12 Imagem do XBee (extraído de [28]) Esse módulo tem como função realizar a comunicação entre o programa no PC e os vários nós e routers na rede, para que se seja possível obter os dados de temperatura e humidade. Neste caso foram utilizados módulos RF XBee e XBee-Pro da Maxstream. Estes módulos são concebidos de modo a respeitar a norma IEEE 802.15.4 e de modo a suportar as necessidades da rede de sensores de baixo custo e baixo consumo de energia. Os módulos RF de XBee/XBee-Pro ligam-se a um dispositivo através de uma porta série assíncrona. Através dessa porta série, o módulo pode comunicar com qualquer outro módulo lógico com níveis de tensão compatíveis. Os dispositivos que tenham interface UART podem ser ligados directamente aos pinos do módulo RF como ilustrado na Figura 3.13. TX DI DI TX Microcontrolador Módulo RF XBee Módulo RF XBee Microcontrolador RX DO DO RX Figura 3.13 Diagrama de transmissão de dados com módulos RF XBee Os dados entram no módulo RF através do pino DI (Data In) com um sinal série assíncrono. Quando não existem dados a ser transmitidos o sinal no pino DI deve ficar num nível lógico alto. 31

3 Descrição do sistema Cada byte de dados consiste num bit de início com nível lógico baixo, em 8 bits de dados em que o bit menos significativo vem primeiro, e um bit de paragem com nível lógico alto. A Figura 3.14 ilustra dados série a passar através do módulo RF. Tensão Idle LSB MSB 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 Sinal da UART Bit início (nível lógico baixo) Bit paragem (nível lógico alto) Tempo Figura 3.14 Bits a serem transmitidos pela UART através do módulo RF O módulo UART executa tarefas tais como o sincronismo e verificação da paridade, que são precisas para a transmissão de dados. A comunicação série necessita que as duas UARTs estejam configuradas com parâmetros compatíveis (taxa de transmissão, paridade, bits de inicio, bits de paragem, bits de dados). Por defeito, os módulos do XBee/XBee-Pro operam em modo transparente. Quando operam neste modo agem como uma substituição de linha série, em que todos os dados recebidos pelo pino DI são acumulados para transmissão RF. Quando os dados RF são recebidos, os dados são enviados pelo pino do DO (Data Out). 3.4.1. Criação de trama RF pelo módulo RF XBee O XBee só envia uma trama RF que respeita a norma IEEE 802.15.4 quando uma das seguintes condições é verdadeira: Nenhum caracter série é recebido durante o período de tempo determinado pelo parâmetro RO (Packetization Timeout). Se RO = 0, o empacotamento começa quando um caracter é recebido; Quando são recebidos 100 bytes de dados. O valor máximo numa trama é de 100 bytes; 32

3 Descrição do sistema A sequência do modo de comando (GT (Guard Times) + CC (Command Sequence Character) + GT) é recebida. Qualquer caracter colocado no buffer do DI antes da sequência é transmitido. Se nenhuma das condições anteriormente descritas for satisfeita então os dados série enviados para o XBee são armazenados no Buffer do DI. 3.4.2. Configuração dos módulos RF XBee Para o âmbito do projecto os XBee s foram configurados de forma a funcionar em broadcast dentro da PAN, com uma taxa de transmissão de dados série de 19 200 bps escolhida devido a utilizarmos o microcontrolador com uma frequência interna de 4 MHz e para essa frequência os 19 200 bps serem a taxa de transmissão de dados mais elevada. Os módulos XBee adormecem quando é colocado um sinal lógico alto no pino SLEEP. 3.5. Microcontrolador O microprocessador PIC16F689 tem como função proceder à execução do protocolo de comunicação de forma a que o sensor possa efectuar as medidas da temperatura e humidade, quando for necessário e também proceder à disponibilização dessa informação para o XBee de forma a que o mesmo envie essa informação para o PC. Escolheu-se um microcontrolador PIC em vez de um microcontrolador 8051 devido ao baixo consumo de energia, número baixo de pinos, existência de periféricos adequados às necessidades do sistema desenvolvido e à existência de um relógio interno. O relógio interno dispensa a utilização de um cristal e respectivos condensadores para implementar o relógio do microcontrolador. O PIC permite a utilização de um cristal externo de precisão de 32,768 khz para uma contagem precisa de tempo, que pode ser utilizado em conjunto com o relógio interno do PIC para a execução do programa gravado nele. 33