Protocolo APTEEN

O protocolo APTEEN (Adaptive TEEN) [15] é baseado no protocolo TEEN sendo que introduz algumas novas características.

Sempre que se realizada a troca do Nó gateway o procedimento é similar ao pro- tocolo TEEN, só que acrescido dos seguintes parâmetros:

• endereço - atribuindo um canal TDMA para cada Nó;

• CountTime (CT) - o tempo máximo entre duas comunicações sucessivas; O endereço TDMA faz com que não ocorram colisões entre as comunicações dos Nós de um cluster.

2.8.7

Protocolo SHARP

A utilização deste protocolo faz com que se estabeleça um maior equilíbrio entre as comunicações reactivos e pró-reactivos, fazendo um ajuste do grau com que as informações de encaminhamento são difundidas na rede.

Com isso o protocolo SHARP é adequado para redes com características dinâmi- cas relativas à comunicação, em regiões que possuam um tráfego muito grande e outras sem nenhum tráfego, adaptando-se à heterogeneidade das regiões pró- activas e reactivas, figura 2.5 [16].

Figura 2.5: Protocolo SHARP.

2.8.8

Protocolo PEGASIS

O protocolo PEGASIS (Power-Effcient Gathering in Sensor Information Systems) [17] é um protocolo para RSSF baseado no conceito de cadeias. Cada Nó troca in- formações somente com os Nós vizinhos mais próximos formando uma corrente entre eles, apenas um é escolhido a cada momento para transferir as informações recolhidas ao Nó gateway (figura 4.2).

2.9. Norma IEEE 802.15.4 25

Portanto, o número de trocas de mensagens será baixo e a comunicação será rea- lizada entre Nós adjacentes. Com este método espera-se que a energia gasta seja menor, quando comparada com os outros protocolos que requerem muitas trocas de mensagens para determinar qual o coordenador e formar clusters, e protocolos em que os Nós trocam constantemente mensagens com o Nó gateway de forma directa (o gateway habitualmente encontra-se distante dos Nós).

Isto implica maior tempo de vida para cada Nó e um menor consumo da largura de banda da rede. O protocolo PEGASIS assume que:

• O Nó gateway (estação base) encontra-se situado a uma distância fixa da rede;

• Os Nós são capazes de transmitir dados directamente para o Nó gateway e para qualquer outro Nó;

• Cada Nó tem a localização dos outros Nós;

• Os Nós são homogéneos e com nível energético uniforme; • Os Nós são estáticos.

2.9

Norma IEEE 802.15.4

Dentro dos padrões estabelecidos pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) para protocolos de comunicação em rede, está o grupo 802, que é uma secção do IEEE relacionado à rede e tecnologia de médio porte e local [18]. Este grupo define alguns outros subgrupos que especificam as redes que utilizam co- municação sem fio (wireless).

De entre estes subgrupos os mais importantes são 802.11, 802.15 e 802.16. O pa- drão 802.11 define o primeiro padrão IEEE para redes locais sem fio.

Como é possível observar-se na figura 2.7, o grupo 802.15 ainda é dividido em al- guns padrões, onde se encontra o padrão 802.15.4 (parte integrante do trabalho), que definem as LR-WPANs (Low-Rate WPANs), que possuem como aplicação as WSNs (Wireless Sensor Network) ou RSSF (Redes de Sensores sem Fio).

Figura 2.7: Organograma dos padrões IEEE 802.

Entretanto, todos fazem a transmissão de pequenos pacotes, com restrições no que se refere à área de cobertura do sinal.

A norma IEEE 802.15.4 define as duas primeiras camadas do modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection), estabelecido pela ISO (International Standard Organization), são: a Camada Física - Physical Layer (PHY) e a Camada de Ligação de Dados, esta subdivide-se na Camada de Controlo de Acesso ao Meio - Medium Access Control (MAC) e na camada Logical Link Control (LLC), figura 2.8. A primeira versão do padrão foi publicada em 2003 (IEEE 802.15.4-2003), a última e mais actual versão foi publicada em 2006 (IEEE 802.15.4-2006).

Este padrão é utilizado em dispositivos que necessitam de baterias com um tempo de vida longo, baixa latência, para controladores, sensores, controlo remoto e dis- positivos electrónicos portáteis [19].

O duty cycle esperado ao nível da transmissão nas redes de sensores, utilizando o 802.15.4, é de cerca de 1%.

As redes 802.15.4 funcionam nas bandas ISM (não licenciadas), e é um protocolo simples para envio de pacotes de dados para redes sem fio.

O acesso ao meio (canal)é via Carrier Sense Multiple Access collision avoidance (CSMA - CA) e com time slotting opcional. Possui reconhecimento de mensagem e uma estrutura para sinalização, chamada beacon. A segurança é feita ao nível da ca- mada (multi-camada).

2.9. Norma IEEE 802.15.4 27

Figura 2.8: Arquitectura de LR-WPAN [18].

Este protocolo está optimizado para pequenas taxas de transmissão (250kps por canal, na banda dos 2.4GHz, 40kbps na banda dos 915M Hz e 20kbps na banda dos 868M Hz).

Muitos destes protocolos das redes de sensores são baseados nas redes ad hoc, no entanto têm algumas particularidades [19]:

• O conhecimento global da rede não é essencial, visto que o objectivo não é ter comunicações ponto-a-ponto entre Nós, mas sim entre um Nó ou um cluster e a fonte/gateway;

• Como já foi referido, os recursos energéticos são limitados, o que implica al- goritmos de reduzida complexidade, em que o overhead seja o mínimo pos- sível;

2.9.1

Camada Física

Esta camada é responsável pelo princípio fundamental das comunicações sem fio, ou seja, transmitir e receber os pacotes através das ondas electromagnéticas. Ela define como se comunicam os dispositivos da rede através do canal de comu- nicação sem fio.

Este padrão utiliza a técnica de modulação de transmissão denominada DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum), que permite ter dispositivos da rede com pouca complexidade e de baixo custo.

O pacote de transmissão do padrão 802.15.4 recebido pela primeira camada pode conter um máximo de 127 bytes, onde um byte representa o tamanho do pacote. Dos 127 bytes, seis deles são reservados exclusivamente para a camada PHY, são os bytes de SHR (Synchronization Header), estes definem o cabeçalho e o delimita- dor de início da frame e os bytes de PHR (PHY Header), que contêm o tamanho da frame, como é mostrado na figura 2.9 [19].

Figura 2.9: Formato dos pacotes transmitidos na camada física [18].

2.9.2

Sub-camada MAC

A sub-camada MAC é responsável pela interface entre as camadas física e de aplicação. Utiliza como mecanismo de prevenção de colisão CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance).

A rede 802.15.4 pode funcionar em dois tipos de configurações, configuração Bea- con e nonBeacon. Numa rede configurada como nonBeacon, os dispositivos, depois de terem sido associados à rede, podem estabelecer comunicação um com o outro, a qualquer hora.

O acesso ao canal de comunicação e a ligação são controlados através do me- canismo CSMA-CA. No entanto, se uma rede for configurada como Beacon, é o coordenador da rede que transmite periodicamente uma frame intitulado Beacon, que é utilizado pelos dispositivos para se sincronizar e determinar o envio e re- cepção das mensagens.

2.9. Norma IEEE 802.15.4 29

Por outras palavras, nas redes nonBeacon a transmissão de dados pode ocorrer a qualquer momento, desde que o canal esteja livre, já no modo Beacon, os dados do Nó para o Nó coordenador são transferidos somente num intervalo definido, utilizando transferência de dados indirecta.

O intervalo entre Beacons é denominado Superframe, que é dividido em dois pe- ríodos denominados CAP (Contention Acces Period) e CFP (Contention Free Period). O CAP é o intervalo de tempo destinado a permitir a transmissão dos pacotes de dados dos dispositivos sem sincronização, como dispositivos de alarme ou de controlo, onde todos os Nós que pretendam transmitir devem competir com outros dispositivos, utilizando o protocolo CSMA/CA MAC.

Já o período CFP é destinado à transmissão dos dados com sincronização e baixa latência.

Dentro do intervalo CFP existem sub-intervalos de tempo intitulados GTSs (Gua- ranteed Time Slot) que mapeiam dispositivos ou um conjunto de dispositivos, o coordenador pode alocar até sete destes GTSs.

Estes períodos são destinados a aplicações que necessitam recolher dados em in- tervalos de tempo fixos.

Cada dispositivo transmitindo em GTS deve certificar que a sua transmissão é terminada antes do próximo GTS ou final do CFP.

O sinal Beacon é enviado periodicamente pelo coordenador para sincronizar todos os Nós remotos na rede e sinalizar o início do superframe, conforme indicado na figura 2.10 [19].

Figura 2.10: Beacons [18].

É possível constituir-se redes que não contenham CFP ou com superframes que possuam um período inactivo, onde todos os dispositivos da rede entram num

modo de "sleep", o que diminui o consumo de energia, aumentando assim o tempo de duração da bateria, como mostra a figura 2.11.

Figura 2.11: A) Configuração sem CFP B) Configuração com período inactivo [18].

É importante lembrar que a utilização dos Beacons periódicos é opcional. As redes que não utilizam este serviço são chamadas de nonBeacon. O tipo de tráfego de dados nesta rede pode ter características distintas.

Podem ser dados periódicos como sensores distribuídos, que enviam a informa- ção lida em intervalos pré-definidos, podem ser dados intermitentes, que são en- viados apenas em condições específicas, como interruptores de luz, e podem ser dados intermitentes de baixa latência, que necessitam que o tempo entre a trans- missão e recepção do sinal seja o menor possível, como exemplo os alarmes de segurança.

Estas características, aliadas aos requisitos de consumo de energia, vão definir a configuração dos tipos de tráfego da rede.

2.9.3

Tipos de Dispositivos

Os dispositivos de rede da especificação 802.15.4 são divididos em duas catego- rias: dispositivos do tipo FFD (Full Function Device), dispositivos do tipo RFD (Reduced Function Device).

Os dispositivos da primeira categoria (FDD) contêm todos os recursos disponí- veis do padrão 802.15.4. e a sua composição é mais complexa. Por exemplo, o

2.9. Norma IEEE 802.15.4 31

coordenador da rede, dispositivo FDD, mantém um conhecimento completo da rede, por isso é o mais sofisticado e é o que possui maior memória e capacidade de processamento, ele coordena a rede, escolhe a forma de acesso ao meio, com ou sem beacon e é ele que permite que novos Nós entrem na rede.

Ele possui uma memória adicional, o seu processamento computacional torna-o ideal para realizar funções de roteamento da rede.

Estes dispositivos geralmente são alimentados directamente pela rede eléctrica, por possuírem rotinas de controlo e supervisão que têm maior consumo de ener- gia do que os outros elementos da rede.

No entanto podem também ser utilizados nos limites da rede onde realizam a ligação ao mundo real, enquanto o Reduced Function Device (RFD) possui funções limitadas para controlar custos e complexidades do tráfego da rede e por isso não fazem roteamento, estes são usados nos limites das redes.

Já os dispositivos RFD possuem funções reduzidas e por essa razão são limitados nas suas tarefas, sendo destinados geralmente a serem usados como elementos terminais da rede, como sensores e actuadores. Estes por se tratarem de elemen- tos com funções de baixa complexidade e de baixo consumo de energia, podem ser alimentados com baterias.

A partir destes dois tipos de dispositivos são estabelecidos os diferentes elemen- tos da rede:

• Coordenador: São dispositivos FFD destinados a controlar a rede e contro- lar o fluxo de informação. Toda a rede deve ter apenas um coordenador; • Dispositivos Finais (End Devices): São elementos que operam nos pontos

finais da rede, como sensores de temperatura e chaves de contacto. São geralmente dispositivos RFD e são alimentados por baterias;

• Routers: São elementos FFD destinados a fazer a comunicação dos disposi- tivos finais a outros dispositivos da rede na topologia Malha.

Estes podem conter também elementos sensores e geralmente são alimen- tados por baterias;

• Gateways: A sua função é fazer a interface com outras redes, por exemplo, fazer a interface de uma rede 802.15.4 com uma rede por cabo TCP/IP;

2.9.4

Topologias de Rede

O norma IEEE802.15.4 pode operar nas topologias estrela (Star) e árvore (Tree), se operar com a camada de rede ZigBee, pode operar ainda em malha (Mesh), conforme mostrado na figura 2.12.

Figura 2.12: A) Topologia Estrela B) Topologia Árvore C) Topologia Malha Na configuração estrela a rede é composta por um coordenador, que é respon- sável por controlar a rede, e pelos dispositivos finais (end-devices). Estes podem mandar mensagens para o coordenador e, se quiserem enviar mensagens entre eles, dependem directamente do coordenador para efectuarem a transmissão. Esta rede é um exemplo de rede single-hop, pois só existe um caminho para a transmissão de dados de cada ponto.

Já na configuração árvore existe outro elemento presente na rede chamado de rou- ter (encaminhador). Aqui os dispositivos finais podem-se unir à rede utilizando o coordenador ou os routers, sendo que a utilização destes elementos possibilita que os sensores estejam fora da região de cobertura do coordenador, desde que estejam ao alcance de algum router.

Nesta topologia os roteadores transmitem dados e mensagens utilizando uma estratégia de hierarquia de roteamento, podendo também utilizar comunicação Beacon.

2.9. Norma IEEE 802.15.4 33

A última topologia é a malha, onde é possível que os dispositivos finais da rede possam mandar mensagens uns para os outros, sem a necessidade destas mensa- gens passarem pelo coordenador ou router. Para que isto aconteça, estes disposi- tivos devem ser obrigatoriamente elementos FFD.

Capítulo 3

Sensores de Ultra-Som

O termo ultra-som é usualmente aplicado a ondas acústicas, cuja frequência está para além do limite de audição do ouvido humano, pois este limita-se à gama de frequências, que se situa, aproximadamente, entre 20Hz e 20kHz.

Os sensores de ultra-sons operam, normalmente, com frequências compreendi- das entre os 20kHz e alguns gigahertzs, para aplicações tecnológicas e de carac- terização de materiais, através de testes não destrutivos (NDT).

Na natureza existem alguns animais capazes de ouvir ultra-sons, é o caso dos cães, que chegam a perceber sons com 25.000 vibrações por segundo (25kHz), já os morcegos captam sons até 50.000 vibrações por segundo (50kHz), estes usam os ultra-sons para se poderem orientar e caçar na mais completa escuridão. Os ultra-sons emitidos atingem os objectos, esses são reflectidos na forma de ecos e detectados pelo ouvido do morcego, que actua como um autêntico radar (figura 3.1) [20].

Durante a perseguição da presa, o morcego envia uma série rápida de guinchos e os ecos dão-lhe a posição exacta do alvo, bastando aumentar o ritmo dos sons para se poder precipitar sobre a presa.

Com base na informação trazida pelos ecos, eles conseguem discriminar objectos afastados por apenas 0.3 milmetros, avaliar o seu tamanho, a sua localização, velocidade, direcção de movimento e ainda a espessura.

Os morcegos utilizam essas capacidades para perseguir e caçar insectos em ca- vernas escuras, partilhadas por milhares de outros morcegos e pelos seus ecos, tudo isto sem colisão e a velocidades que podem exceder os 65km/h [21].

Figura 3.1: Morcego a perseguir uma presa.

Os sensores de ultra-sons foram utilizados pela primeira vez por volta de 1918, no desenvolvimento do sistema SONAR (SOund Navigation And Ranging), o ob- jectivo deste sistema era permitir a detecção da posição, velocidade e orientação de objectos, em ambiente subaquático [22].

Foi nos primeiros sistemas fotográficos, dotados de focagem automática, que os ultra-sons começaram a ser usados ao "ar livre", tinham como função medir a distância entre a câmara fotográfica e o objecto a fotografar.

Actualmente a utilização de sistemas de ultra-sons para sistemas ao ar livre, tem recebido alguma atenção por parte de muitos investigadores, pelo facto destes sistemas serem de grande simplicidade de utilização e de baixo custo.

Dentro de um amplo leque de aplicações que se pode encontrar para os ultra- sons, existe a medição de distâncias.

3.1

Medição de Distâncias com Ultra-sons

Um dos princípios básicos que permite utilizar estes sensores, como uma ferra- menta de medição de distâncias, é a medição do intervalo de tempo decorrido entre a emissão de uma onda de ultra-som e a recepção da sua reflexão na super- fície de um objecto.

Esta técnica designa-se por tempo de voo ou TOF (Time Of Flight). Essa informa- ção é depois usada para determinar a sua posição.

3.1. Medição de Distâncias com Ultra-sons 37

O princípio de medição de pequenas distâncias, usando a propagação do som no ar, é um processo fácil de explicar (figura 3.5): em cada medição, o trans- dutor emissor é excitado com um trem de impulsos, que o faz vibrar, emitindo uma onda sonora perpendicular à superfície do sensor, em simultâneo o transdu- tor receptor está pronto para a recepção dos ecos vindos dos objectos, tendo no entanto sido inicializado já o contador, é de referir que o sistema pode detectar falsas detecções, que poderiam ser provocadas por vibração residual devido às suas proximidades.

A recepção das ondas reflectidas pelo objecto (totalmente ou parcialmente re- flectidas (eco)), consoante a rugosidade do mesmo, vão gerar um sinal eléctrico correspondente (pelo transdutor), ao qual é aplicado uma etapa de amplificação. O efeito desta amplificação de ganho variável é compensar as atenuações sofridas devido à distância percorrida.

Quando a energia da onda reflectida sobe acima de um limiar pré-estabelecido é parado o contador, ficando no seu registo o número de períodos correspondentes ao tempo de voo. O tempo que decorre desde a transmissão até à recepção do eco (TOF), pode então ser medido com sistemas electrónicos simples.

Deste modo, a distância d entre o transdutor e o objecto reflector pode ser calcu- lada através do tempo t0 medido e da velocidade de propagação do som no ar (m/s), c.

d = c × t0

2 (3.1)

A velocidade de propagação do som no ar está relacionada directamente com a temperatura, para baixas temperaturas a velocidade com que as moléculas de ar se movem é baixa, diminuindo assim a velocidade com que se propaga o som. A velocidade de propagação do som no ar é dada aproximadamente por:

c ≈ 20.1qθk(m/s) (3.2)

onde θcé a temperatura ambiente em graus centígrados e θk= θc+ 2730_{C, a tem-} peratura Kelvin [23].

Figura 3.2: Funcionamento do sensor de ultra-sons.