O padr˜ao IEEE 802.15.4

O padr˜ao IEEE 802.15.4, revisto em 2006, tem-se manifestado como protocolo essen- cial nas comunica¸c˜oes WSN, com a capacidade de litigar com a maioria dos seus desafios [59].

Este padr˜ao define um protocolo de comunica¸c˜ao, simples e flex´ıvel, para redes LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network ), permitindo aplica¸c˜oes nas mais diversas ´areas (controlo industrial, seguran¸ca p´ublica, monitoriza¸c˜ao au- tom´ovel, agricultura de precis˜ao, etc), com dispositivos de baixo consumo de energia, baixa complexidade, baixas taxas de transmiss˜ao de dados, curto alcance e de custo reduzido [11, 59, 63, 64].

Numa rede IEEE 802.15.4 podem existir dois tipos de dispositivos: FFD (Full Func- tion Device) e RFD (Reduced Function Device). Um dispositivo FFD funciona em qualquer topologia de rede, podendo desempenhar a fun¸c˜ao de coordenador da PAN (Personal Area Network ) ou dispositivo final. Estes dispositivos possuem o conhe- cimento geral de toda a rede e s˜ao respons´aveis pela atribui¸c˜ao de endere¸cos na rede [11, 12, 59, 63].

Os RFDs s˜ao dispositivos limitados a uma configura¸c˜ao com topologia em estrela, destinando-se a aplica¸c˜oes simples (interruptor de luz ou sensor de presen¸ca) que requerem um baixo consumo de energia, uma vez que a maior parte do tempo est˜ao no estado sleep. Estes podem ser implementados utilizando o m´ınimo de recursos e capacidade de mem´oria. Um dispositivo RFD pode comunicar apenas com dispositivos FFD e est´a associado a apenas um FFD de cada de vez [11, 12, 59, 63].

Topologias de Rede

Neste tipo de rede podem ser utilizadas as topologias de rede em estrela e ponto-a- ponto, ilustradas na Figura 3.12.

Na topologia em estrela, pelo menos um dispositivo FFD funciona como coordenador da PAN, designado para controlar toda a rede e estabelecer a comunica¸c˜ao com todos os dispositivos adjacentes RFD. O coordenador da PAN ´e respons´avel por iniciar

26 CAP´ITULO 3. ENQUADRAMENTO TECNOL ´OGICO

e terminar todas as liga¸c˜oes na rede, para al´em de poder ter uma outra aplica¸c˜ao espec´ıfica, ou seja, ´e o controlador prim´ario da PAN. Tipicamente o coordenador da PAN ´e alimentado pela rede el´ectrica, todavia os restantes dispositivos (FFD ou RFD) s˜ao alimentados por baterias [11, 59, 63].

Figura 3.12: Exemplos de Topologia Estrela e Ponto-a-Ponto [11].

Numa topologia ponto-a-ponto, a maioria dos dispositivos s˜ao FFDs, onde qualquer um pode funcionar como coordenador da PAN e prestar servi¸cos de monitoriza¸c˜ao aos outros dispositivos, no entanto, difere da topologia em estrela, pois todos os dis- positivos podem comunicar entre si sem recorrer ao coordenador, desde que estejam na ´area de alcance um do outro.

Este tipo de topologia, permite a forma¸c˜ao de redes com topologias mais complexas, em ´arvore (cluster tree) e em malha (mesh). Esta configura¸c˜ao pode ser encontrada em redes de sensores para aplica¸c˜oes em controlo e monitoriza¸c˜ao industrial [11, 59, 63].

Todos os dispositivos em qualquer topologia, tˆem um endere¸co ´unico de 64 bits. A comunica¸c˜ao ´e realizada atrav´es deste endere¸co, ou a partir de um endere¸co de 16 bits, que ´e gerado pelo coordenador da PAN, quando a ele se associa um dispositivo [11, 59, 63].

3.2. WSN – WIRELESS SENSOR NETWORK 27

Arquitectura

O padr˜ao 802.15.4, define as caracter´ısticas da camada f´ısica PHY (Physical layer ) e da sub-camada controlo de acesso ao meio MAC (Medium Access Control ), funda- mentado no modelo OSI1 _{(Open System Interconnection) de sete camadas (Figura}

3.13), para as LR-WPAN [11, 59, 63].

Figura 3.13: Modelo das camadas OSI/ISO [12].

A Figura 3.14 ilustra a estrutura das camadas do padr˜ao 802.15.4. A camada f´ısica (PHY), opera em cinco faixas de frequˆencia n˜ao licenciadas da banda ISM (Industrial, Scientific and Medical): 2.4 GHz (Global), 950 MHz (Jap˜ao), 915 MHz (Estados Unidos), 868 MHz (Europa) e 780 MHz (China) [65]. ´E respons´avel pela transmiss˜ao e recep¸c˜ao de dados, permitindo n´ıveis elevados de integra¸c˜ao. Utiliza a t´ecnica de transmiss˜ao de sequˆencia directa de espalhamento espectral (DSSS - Di- rect Sequence Spread Spectrum) para aceder aos canais de comunica¸c˜ao, permitindo que os dispositivos sejam bastante simples, possibilitando implementa¸c˜oes de custo reduzido [11, 59, 63].

1

28 CAP´ITULO 3. ENQUADRAMENTO TECNOL ´OGICO

Figura 3.14: Arquitectura do padr˜ao 802.15.4 [11].

Esta camada faculta dois servi¸cos: o servi¸co de dados PHY e o servi¸co de interface de controlo PHY para a entidade de controlo da camada f´ısica (PLME - Physical Layer Management Entity ). ´E tamb´em respons´avel pela transmiss˜ao e recep¸c˜ao de dados (PPDU - PHY Protocol Data Units) atrav´es de um determinado canal de r´adio, de acordo com uma modula¸c˜ao espec´ıfica e t´ecnica de transmiss˜ao.

Possui ainda fun¸c˜oes de activa¸c˜ao e desactiva¸c˜ao do transmissor/receptor de sinais de r´adio, detec¸c˜ao de energia no canal (ED - Energy Detection), indica¸c˜ao da qual- idade da liga¸c˜ao (LQI - Link Quality Indication), selec¸c˜ao do canal de frequˆencia e determina se o canal est´a ocupado ou desocupado (CCA - Clear Channel Assess- ment) [11, 59, 63].

A sub-camada MAC fornece dois servi¸cos: o servi¸co de dados MAC e o servi¸co de gest˜ao MAC (MLME - MAC Sublayer Management Entity). As fun¸c˜oes desta ca- mada passam pela gest˜ao de beacons, acesso aos canais, gest˜ao de GTS (Guaranteed Time Slots), valida¸c˜ao da frame, reconhecimento de entrega da frame, associa¸c˜ao e dissocia¸c˜ao de dispositivos e mecanismos de seguran¸ca. Esta camada possui dois modos de opera¸c˜ao [11]:

• Modo nonbeacon-enabled. Quando um dispositivo coordenador selecciona este modo, n˜ao h´a uso de beacons ou superframes. O acesso ao meio ´e feito por un- slotted CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance). • Modo beacon-enabled. Neste modo, os beacons s˜ao enviados periodicamente

3.2. WSN – WIRELESS SENSOR NETWORK 29

por um dispositivo coordenador para sincronizar os dispositivos que lhe est˜ao associados e para identificar a PAN. O acesso ao meio ´e feito por slotted CSMA/CA. O modo beacon-enabled permite o uso opcional de uma super- frame, sendo a estrutura desta definida pelo coordenador e formada entre dois beacons.

A superframe pode ter um per´ıodo activo e outro inactivo (opcional). Todo o pro- cesso de comunica¸c˜ao ocorre no per´ıodo activo. Durante o per´ıodo inactivo os dis- positivos podem entrar no modo de baixo consumo.

O per´ıodo activo ´e dividido em 16 slots de tamanho igual e ´e composto por trˆes partes: beacon, CAP (Contention Access Period ) e CFP (Contention Free Period ). O coordenador da PAN reserva alguns slots para aplica¸c˜oes espec´ıficas, denominados GTSs (Guaranteed Time Slots) [11].

Transferˆencia de Dados

A transferˆencia de dados pode ser efectuada de trˆes formas distintas:

• Do dispositivo para o coordenador; • Do coordenador para um dispositivo; • Entre dois dispositivos.

Quando um dispositivo pretende transferir dados para um coordenador numa rede beacon-enabled, espera pela recep¸c˜ao de um beacon, enviado periodicamente pelo coordenador, e ap´os a sua recep¸c˜ao o dispositivo sincroniza-se com a superframe [11].

No momento oportuno, o dispositivo transmite os dados para o coordenador, uti- lizando slotted CSMA/CA. Opcionalmente o coordenador pode enviar uma men- sagem de reconhecimento (acknowledge), para garantir que os dados chegaram cor- rectamente. Todo este processo ´e ilustrado na Figura 3.15 [11].

Numa rede nonbeacon-enabled, um dispositivo n˜ao espera por um beacon, simples- mente transmite os dados utilizando unslotted CSMA/CA. Caso seja pedido, o

30 CAP´ITULO 3. ENQUADRAMENTO TECNOL ´OGICO

Figura 3.15: Transferˆencia de dados de um dispositivo para o coordenador numa rede beacon-enabled [11].

coordenador envia uma mensagem de reconhecimento para garantir que os dados chegaram com sucesso. Na Figura 3.16 verifica-se o processo de transferˆencia de dados entre um dispositivo e um coordenador [11].

Figura 3.16: Transferˆencia de dados de um dispositivo para o coordenador numa rede nonbeacon-enabled [11].

No caso em que o coordenador pretende transferir dados para um dispositivo numa rede beacon-enabled, ele envia um beacon, onde est´a explicito que a mensagem est´a pendente. Desta forma, quando um dispositivo receber um beacon, ele envia uma mensagem ao coordenador a solicitar que este transmita a informa¸c˜ao.

O coordenador reconhece a mensagem, transmitindo uma mensagem de reconheci- mento e a seguir envia a informa¸c˜ao pendente por slotted CSMA/CA. Ap´os com- pletada a transac¸c˜ao, a mensagem ´e removida da lista de mensagens pendentes no

3.2. WSN – WIRELESS SENSOR NETWORK 31

beacon (Figura 3.17) [11].

Figura 3.17: Transferˆencia de dados do coordenador para um dispositivo numa rede beacon-enabled [11].

No entanto, numa rede nonbeacon-enabled os dispositivos enviam periodicamente mensagens ao coordenador para saber se tem dados pendentes, este por sua vez envia uma mensagem de reconhecimento e se os dados est˜ao pendentes envia-os por unslotted CSMA/CA. Se os dispositivos receberem com sucesso os dados, trans- mitem ao coordenador uma mensagem de reconhecimento, mas se os dados n˜ao estiverem pendentes, o coordenador transmite esse facto (Figura 3.18) [11].

Figura 3.18: Transferˆencia de dados do coordenador para um dispositivo numa rede beacon-enabled [11].

4

Concep¸c˜ao e Implementa¸c˜ao

Este projecto consiste no desenvolvimento de um sistema de monitoriza¸c˜ao de activi- dade animal, tendo como caso de estudo o ciclo reprodutivo das ovelhas. Pretende-se automatizar a recolha de dados do processo de cobri¸c˜ao (n´umero de saltos, dura¸c˜ao dos saltos, identifica¸c˜ao dos animais envolvidos no salto), de maneira a resolver o problema da detec¸c˜ao de cios em explora¸c˜oes pecu´arias que utilizam a insemina¸c˜ao artificial.

A transmiss˜ao de dados entre o sistema remoto de aquisi¸c˜ao de dados do salto, colocado nos animais, e o sistema de recolha de dados ´e baseada numa rede de sensores sem fio (WSN), tendo sido esta rede implementada recorrendo ao padr˜ao IEEE 802.15.4.

A implementa¸c˜ao do sistema apresentado ao longo deste trabalho tem como base os seguintes componentes principais:

• Tag RFID, que vai ser colocada na garupa da fˆemea, sendo utilizada para identificar a mesma e detectar a tentativa de salto;

• Leitor m´ovel, que ser´a transportado pelo macho e que inclui um leitor RFID para ler a tag colocada nas fˆemeas, activado durante a tentativa de salto; • Sistema de aquisi¸c˜ao de dados, onde os dados recolhidos s˜ao guardados e ap-

resentados aos utilizadores.

34 CAP´ITULO 4. CONCEPC¸ ˜AO E IMPLEMENTAC¸ ˜AO

4.1

Sistema proposto

O sistema de monitoriza¸c˜ao proposto, Figura 4.1, ´e um sistema de baixo consumo energ´etico, baixo custo, reduzidas dimens˜oes, robusto e vi´avel.

Todo o processo de cobri¸c˜ao vai ser determinado com base na leitura por proximidade ou contacto das tags RFID. Tal como foi referido na Introdu¸c˜ao, este projecto teve como caso de estudo os ovinos.

Nas nas ovelhas ser˜ao colocadas tags RFID passivas com a identifica¸c˜ao das mesmas e o carneiro ser´a equipado com um sistema de leitura port´atil, designado leitor m´ovel, que far´a a leitura da tag atrav´es da r´adio-frequˆencia a uma distˆancia muito reduzida, de modo a detectar o momento do salto (monta). Ap´os este acto, os dados ser˜ao processados e enviados para um sistema de aquisi¸c˜ao de dados atrav´es de uma rede de sensores sem fio.

Figura 4.1: Sistema de monitoriza¸c˜ao proposto.