Sensorização sem fios sobre ZigBee e IEEE 802.15.4
Hugo Malafaya∗, Luís Tomás∗, João Paulo Sousa
{ee00099|ee00043|jpsousa}@fe.up.pt
Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Rua Dr. Roberto Frias, 4200–465 PORTO Portugal
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Resumo
Apresenta-se o desenvolvimento, em curso, de um nó remoto simples, para uma rede sem fios utilizando
ZigBee sobre IEEE 802.15.4. Descreve-se a tecnologia ZigBee, ressaltando os aspectos que fundamentam a
escolha desta opção face às restantes alternativas para redes sem fios, descreve-se a arquitectura proposta e
implementada – nó remoto com sensor de temperatura e humidade relativa, sensor de luminosidade e várias
entradas e saídas digitais e duas entradas analógicas, abordando os aspectos mais relevantes de hardware
e software. Apresentam-se os resultados dos ensaios efectuados e sugerem-se possíveis direcções para
desenvolvimentos futuros.
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Introdução
O passado ainda não muito distante tem sido testemunha de uma grande expansão de dispositivos de controlo
via rádio que surgem nas mais diversas áreas. Os diversos fabricantes deste tipo de equipamentos adoptaram,
na maioria dos casos, soluções próprias que apresentam sérios problemas de interoperabilidade. Recentemente
começaram a reunir-se esforços no sentido de criar um protocolo globalmente aceite, que permita a ligação
em rede de sensores e actuadores, uniformizando o processo de comunicação. De facto, há já algum tempo
que se conhecem vários protocolos para suporte de comunicações sem fios, de médio ou alto débito, como
o Bluetooth [1] ou o Wi-Fi [2] mas só recentemente se começou a pensar num protocolo que respondesse às
necessidades específicas das redes pessoais (PAN) e das redes domésticas (HAN) de sensores e dispositivos
de controlo alimentados por baterias. É neste contexto que surge o protocolo ZigBee [3] que complementa a
norma IEEE 802.15.4 [4], uniformizando as comunicações e garantindo, à partida, a fiabilidade e segurança
necessárias bem como a maximização do tempo de vida útil das baterias.
∗
Financiado por bolsa Prodep.
Bluetooth, Wi-Fi, e ZigBee são marcas registadas pelos seus proprietários.
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Tecnologia ZigBee
O ZigBee começou no ano de 2002 com o crescente número de soluções oferecidas no mercado das redes sem
fios. A especificação ZigBee define as camadas de rede e aplicação e o serviço de segurança entre elas. A
definição das camadas física e de acesso ao meio é da responsabilidade da norma IEEE 802.15.4. Ao nível
físico destacam-se duas características importantes:
• Operação em três frequências distintas:
– 2,4 GHz e débito de 250 KB/s (uso global, modulação O-QPSK)
– 915 MHz e débito de 40 KB/s (América e Austrália, modulação BPSK)
– 868 MHz com débito de 20 KB/s (Europa, modulação BPSK)
• Alcance máximo de 150 metros
Complementando a norma IEEE 802.15.4, no que respeita às restantes camadas do modelo OSI o ZigBee tem
como principais características o facto de ser um protocolo para aplicações de baixo consumo e de baixo custo.
Estas duas características tornam-no ideal para sistemas de monitorização e sensorização como é o caso dos
sistemas de automação doméstica, segurança, controlo de iluminação e de acessos, etc.
Na figura 1 representam-se diferentes topologias para uma rede ZigBee. Podem existir três classes de
dispositivos lógicos: coordinator, router e endpoint sendo os dois primeiros implementáveis com base em
dispositivos físicos da classe FFD (Full Function Device) estipulada na norma IEEE 802.15.4 e o terceiro com
base em dispositivos físicos de classe FFD ou RFD (Reduced Function Device).
MALHA
ESTRELA
COORDINATOR
(FFD)
ÁRVORE
ROUTER
(FFD)
END POINT
(RFD)
Figura 1: Diferentes topologias ZigBee
O primeiro, como o próprio nome indica, é responsável pela criação e manutenção da rede ZigBee, armazenando informação de gestão interna relevante para o seu funcionamento e podendo também funcionar
como bridge entre diferentes redes ZigBee. O segundo além de ser um nó normal tem como funcionalidade
extra poder funcionar como router intermédio, permitindo a comunicação entre nós sem a intervenção do coordenador; o terceiro apenas tem a possibilidade de comunicar com a rede não tendo nenhuma função de gestão.
Referem-se, de seguida, algumas das principais características do ZigBee.
• Permite um máximo de 65535 nós por coordenador
• Latência de 30 ms com possibilidade de garantir time slots para aplicações de baixa latência
O ZigBee não é concorrente do Bluetooth. De facto o ZigBee foi desenvolvido com o objectivo de realizar
monitorização e sensorização de sistemas, o Bluetooth é mais apropriado em aplicações que requerem um
maior débito, como por exemplo as redes Ad-hoc e os sistemas para transmissão de audio ou de dados ponto a
ponto. Na tabela 1 apresenta-se uma comparação entre estas duas tecnologias.
Especificação
Camada
física
Débito
Duração das
baterias
Bluetooth
802.15.1
1Mbps
ZigBee
802.15.4
250Kbps 100 a 1000 dias
1 a 7 dias
Recursos
Nós
Alcance
≈250KB
7
1 a 10m
4 a 32KB
65535
100m
Tabela 1: Comparação de tecnologias sem fios
O ZigBee é o mais apropriado para aplicações que envolvam dispositivos remotos alimentados por baterias,
nomeadamente sensores e actuadores, já que permite baixos consumos, débitos aceitáveis e possui uma pilha
protocolar mais simples que possibilita a sua implementação em sistemas com recursos limitados.
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O sistema proposto
A proposta inicial começou por ser a criação de um nó do tipo RFD capaz de realizar sensorização remotamente, mais tarde foi decidido contemplar também algumas funcionalidades de placa de desenvolvimento
experimental para o que se incluiram quatro entradas e quatro saídas digitais isoladas opticamente, LEDs de
estado e a possibilidade de utilizar uma bateria inteligente que fornecesse informação relevante relativamente
ao seu nível de carga. O projecto de hardware teve como objectivos reduzir o mais possível o consumo de
energia e flexibilizar ao máximo a arquitectura de forma a abranger um conjunto alargado de aplicações.
A figura 2 representa o diagrama de
4 entradas e saídas digitais
isoladas opticamente
blocos da placa. Um microcontrolador da
2 entradas
analógicas
Microchip (PIC18LF4620) com 64 KB de
memória flash e tecnologia “nanoWatt” é
responsável pela gestão da pilha protoco-
Ao ADC
LDR
lar ZigBee e pela aplicação integrada. A
sensorização é feita por um sensor combinado de temperatura e humidade relativa
Conversor
RS-232
Microcontrolador
PIC18LF4620
SPI
Módulo
RF
Alimentação externa
(Sensirion SHT71) e por um LDR para a
luminosidade. Uma interface série RS232
BATERIA
Módulo de
alimentação
Sensor de temperatura
e humidade relativa
de baixo consumo permite a comunicação
com um computador. A alimentação está
Figura 2: Diagrama de blocos do sistema
a cargo de um controlador de carga e supervisor de bateria apropriado (Dallas DS2770). Quanto ao módulo RF, foi utilizada uma placa comercial
disponibilizada pela Microchip (PICDEM Z 2.4 Ghz RF Card) com interface SPI. Recorreu-se a um kit de desenvolvimento ZigBee da Microchip pois era a ferramenta que apresentava a melhor relação qualidade/preço.
Foi desenvolvida uma aplicação que permite aceder a todos os sensores da placa bem como às entradas e
saídas digitais e às entradas analógicas. Foi utilizada a pilha protocolar ZigBee disponibilizada pela Microchip.
Infelizmente a instabilidade desse software foi grande (e continua a ser) o que prejudicou bastante o desenvolvimento da trabalho, tendo em diversas ocasiões sido necessário efectuar correcções de bugs na própria
pilha.
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Ensaios efectuados e resultados obtidos
Ao longo do desenvolvimento do projecto foram sendo realizados testes individuais às várias funcionalidades do protótipo:
verificação da actuação sobre uma lâmpada a 230V, funcionamento do LDR recorrendo ao ADC interno do microcontrolador,
leitura da humidade relativa e temperatura e da tensão e corrente
da bateria. Todos os testes recorreram a um emulador de terminal para interface com o utilizador (figura 3).
Foram também efectuados diversos ensaios de alcance em
condições ambientais diferentes cujos resultados constam da tabela 2. As medições relativas às distâncias conseguidas em in-
Figura 3: Log de resultados
terior devem ser tomadas como indicativas já que o alcance da transmissão depende, em larga medida, da
topologia do edifício e dos materiais empregues na sua construção. De qualquer modo o alcance em interiores
é sempre cerca de uma ordem de grandeza inferior ao alcance em exterior.
Meio ambiente
Máxima distância obtida
Exterior
Superior a 150 metros (em linha de vista)
Interior
Superior a 20 metros entre dois pisos adjacentes
Tabela 2: Distâncias de transmissão
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Conclusões
O ZigBee é um protocolo recente e ainda com pouca representação no mercado. Embora a tecnologia ZigBee
seja muito promissora, a falta de maturidade de algumas ferramentas já disponíveis dificulta a opção por este
protocolo num futuro imediato. O protótipo descrito neste artigo teve como objectivo estabelecer uma base
para novos desenvolvimentos na área das comunicações digitais sem fios orientadas a sensores e actuadores
remotos e, nesse contexto, o objectivo foi plenamente atingido.
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Desenvolvimentos futuros
Possíveis desenvolvimentos futuros poderão passar, ao nível do hardware, pela introdução de um painel solar
para carga da bateria e introdução de outros sensores: pressão, presença de gases, água, movimento, etc.;
ao nível do software pela avaliação de outras pilhas protocolares ZigBee e pela exploração do serviço de
segurança.
Referências
[1] Specification of the Bluetooth System. Technical report, Nov 2003.
[2] IEEE Standard 802.11g. Technical report, July 2003.
[3] ZigBee Alliance. Zigbee specification. Technical report, June 2005.
[4] IEEE Computer Society. IEEE Standard for Information technology – Telecommunications and information exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific requirements – Part
15.4: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for LowRate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANS)", institution = "Institute of Electrical and Electronics
Engineers, Inc. Technical report, New York, May 2003.