M´odulo de Comunica¸c˜oes

Para suporte das comunica¸c˜oes entre os v´arios N´os na Rede de Sensores Sem Fios fo- ram utilizados m´odulos XBee. Estes m´odulos operam na frequˆencia ISM de 2.4GHz, para integra¸c˜ao em sistemas que pretendam transmitir informa¸c˜ao via r´adio e im- plementam o padr˜ao IEEE 802.15.4 [23]. Est˜ao dispon´ıveis duas vers˜oes para estes m´odulos, XBee e XBee-Pro, ambas com dimens˜oes reduzidas. A diferen¸ca entre es- tas duas vers˜oes reside principalmente na potˆencia m´axima de transmiss˜ao. O XBee opera com uma potˆencia m´axima de 1mW (0dBm) e um alcance de 100m relativa- mente ao exterior ou 30m referente ao interior. O XBee-Pro opera com uma potˆencia at´e 60mW (18dBm), o que lhe permite alcan¸car 1.6km ou 100m (exterior/interior).

Figura 3.5 – M´odulo XBee,[23].

Estes m´odulos s˜ao indicados para aplica¸c˜oes que requerem um baixo consumo de energia, devido ao seu consumo reduzido de corrente (<10µA) quando est˜ao no estado sleep. Durante a transmiss˜ao e rece¸c˜ao de dados, estes valores sobem para aproximadamente 50mA, para uma tens˜ao de alimenta¸c˜ao de 3.3V.

Al´em das dimens˜oes reduzidas e consumo energ´etico, estes m´odulos possuem como vantagem a facilidade de utiliza¸c˜ao e interface com um microcontrolador. Os m´odulos s˜ao ligados diretamente ao microcontrolador atrav´es da interface UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) podendo funcionar no modo Transparente ou API (Application Programmig Interface) [23].

Os dispositivos que possuem uma interface UART podem conectar-se diretamente aos pinos do m´odulo de RF como mostra a Fig. 3.6.

Figura 3.6 – Diagrama de fluxo de dados atrav´es de uma interface UART,[23].

Por defeito, os m´odulos XBee e XBee-Pro funcionam em modo transparente [23]. Quando operam neste modo funcionam como uma substitui¸c˜ao de linha s´erie, na qual, todos os dados recebidos pelo pino DI s˜ao acumulados para transmiss˜ao RF. Neste projeto, s˜ao utilizados m´odulos XBee e estes v˜ao funcionar no modo API. Neste modo os dados transmitidos e recebidos est˜ao contidos em frames. Assim, ´e poss´ıvel controlar parˆametros como endere¸co de destino e ter acesso a informa¸c˜ao como o RSSI ( Received Signal Strength Indicator) e endere¸co de origem das frames. Uma frame no modo API ´e constitu´ıda por quatro campos principais. Apesar de uma frame enviada, Fig. 3.7, uma frame recebida, Fig. 3.8 e uma frame com comandos AT, Fig. 3.9possu´ırem estes quatro campos, a constitui¸c˜ao destas difere. Os campos presentes em qualquer frame s˜ao [23]:

• Start Delimiter : ´e um campo que cont´em um byte (0×7E) para indicar o in´ıcio de uma frame;

• Length:´e constitu´ıdo por 2 bytes que indicam o tamanho do campo Frame Data;

• Frame Data:em que est˜ao contidos os dados a transferir. Cont´em um sub- campo denominado de API identifier, para a identifi¸cao da frame que varia consoante seja uma frame enviada ou recebida. Outro subcampo ´e Identifier- specific Data. A constitui¸c˜ao deste subcampo varia consoante seja uma frame

enviada ou recebida. Numa frame recebida ´e dentro deste campo que se obt´em o valor RSSI de cada transmiss˜ao. Al´em do subcampo diferir caso seja uma frame enviada ou recebida, difere tamb´em quando s˜ao utilizados comandos AT;

• Checksum:´e utilizado para verificar a integridade da mensagem.

Figura 3.7 – Estrutura de uma frame enviada no modo API com endere¸co de 16bit,[23].

Figura 3.8 – Estrutura de uma frame recebida no modo API com endere¸co de 16 bit ,[23].

Os m´odulos XBee podem ser configurados utilizando o microcontrolador ou atrav´es de um programa de configura¸c˜ao denominado de X-CTU. Com o software X-CTU ´e poss´ıvel configurar as caracter´ısticas de funcionamento dos m´odulos, como mostra a Fig. 3.10. O X-CTU, al´em de possibilitar a configura¸c˜ao dos m´odulos, possui um terminal que lhe permite visualizar as transmiss˜oes efetuadas.

Figura 3.10 – Configura¸c˜ao do m´odulo XBee.

Cada N´o na rede integra um microcontrolador e um m´odulo XBee. ´E necess´ario dotar o sistema com uma alimenta¸c˜ao de 3.3V, visto que ´e a tens˜ao ideal para o funcionamento dos m´odulos XBee. O PIC18F2620 tamb´em funciona corretamente com este n´ıvel de tens˜ao, visto que a tens˜ao m´ınima de funcionamento ´e de 2V.

3.3

Protocolos de Comunica¸c˜ao

Um protocolo de comunica¸c˜ao define um conjunto de regras que permitem garantir a efic´acia da comunica¸c˜ao e troca de informa¸c˜ao entre dois ou mais N´os na rede. Este estabelece o modo de comunica¸c˜ao, a sincroniza¸c˜ao, especifica o formato e o significado das mensagens a trocar na rede, entre outros. A estrutura em camadas dos protocolos ´e uma forma de dividir as especifica¸c˜oes em v´arias partes, permitindo obter uma menor complexidade.

Para o desenvolvimento deste projeto a camada com mais ˆenfase ´e a camada de rede, na qual a principal fun¸c˜ao ´e prover o servi¸co de routing. Para uma entrega fi´avel dos dados ´e estritamente necess´ario que a rede consiga identificar o destinat´ario das mensagens e encontrar um caminho entre a origem e destino da mensagem.

A fim de prolongar o tempo de vida da rede, os protocolos de uma Rede de Sensores Sem Fios necessitam de ser configurados de um modo que possibilite uma eficiˆencia energ´etica. O consumo energ´etico adv´em da comunica¸c˜ao, dete¸c˜ao e processamento de dados, sendo que, um N´o Sensor gasta mais energia na comunica¸c˜ao. Com isto, ´e necess´ario que os protocolos de comunica¸c˜ao sejam eficientemente energ´eticos. Para tal, ´e necess´ario implementar m´etodos que lhe permitam uma poupan¸ca de energia. A fim de salvaguardar a energia dos N´os e consequentemente prolongar o tempo de vida da rede, os N´os foram configurados para estarem ativos, isto ´e, possu´ırem o transmissor/recetor ligado, apenas por um certo per´ıodo de tempo. Deste modo, os N´os transmitem e recebem os dados durante um per´ıodo de tempo estabelecido e posteriormente desligam o transmissor/recetor e entram no modo sleep. Assim, os N´os apenas est˜ao ativos quando pretendem transmitir ou receber dados.