mesma frequência, existindo, portanto, a hipótese de interferências. É então importante ter em conta que em ambiente indoor os problemas de comunicação poder-se-ão dever, não a questões de propagação das ondas de rádio, mas sim a interferências deste género. Nestes casos, por vezes o simples acto de afastar minimamente o equipamento de onde este se encontrava originamente, pode resolver os problemas de comunicação.
Em diversos casos de propagação em interiores, não existe line-of-sight directa entre o transmissor e o receptor. Nestes casos a propagação apenas depende dos fenómenos de reflexão, difracção, penetração e ainda de dispersão. Além do desvanecimento do sinal, estes fenómenos também provocam a sua degradação.
As principais características que distinguem o ambiente indoor do outdoor, são o efeito severo do fenómeno de multipath, o facto de poder não existir line-of-sight, e de as características do ambiente poderem mudar drasticamente num curto espaço de tempo e distância. Além disto, os alcances providos tendem também a ser mais reduzidos.
3.5
Received Signal Strengh Indicator
O Received Signal Strengh Indicator, comummente designado pela sua sigla, RSSI, define, como já referido anteriormente, um indicador da potência, ou força, do sinal recebido. Nos tipos de redes como aquelas que foram implementadas no âmbito deste trabalho, o valor do RSS pode ser facilmente extraído, já que o equipamento que serve os propósitos da comunicação fornece esta característica.
Figura 3.5: Relação do RSSI com a distância
A caraterística mais particular do RSSI, diz respeito à sua relação com a distância: o valor do RSSI decresce logaritmicamente ao longo da distância (figura 3.5), num ambiente próximo do ideal.
Sendo o RSS uma medida de potência a unidade é o decibel (dB). O dBm ou dBmW representa a potência do sinal RF em dB, referente a um mW.
O dB é uma escala usada para representar a relação entre duas potências: P(dB) = 10 log Pmedida
Pre f erencia
(3.8) Sendo que a unidade de referência para representar o valor do RSSI é o mW, surge o dBm, que analogamente à equação3.8, é descrito da forma:
P(dBm) = 10 logPmedida(mW )
1mW (3.9)
e, consequentemente
P(mW ) = 10P(dBm)10 (3.10)
Capítulo 4
Estrutura Experimental
Neste capítulo é abordado e discutido o modo como a estrutura experimental foi concebida, bem como todo o hardware e software do qual a mesma é dotada.
Tendo o estudo sobre a localização relativa baseada na potência do sinal recebido sido realizado em duas gamas de frequência, que embora se encontrem incluídas na mesma banda, Ultra High Frequency, são bastante distintas, os 433-434 MHz e os 2.4 GHz, foram necesariamente desenvolvidos dois modelos experimentais distintos. Inicialmente será feita a descrição da estrutura experimental desenvolvida no âmbito da gama de frequências 433-434 MHz, e posteriormente, a desenvolvida para a gama de frequências mais elevada.
4.1
Frequência 433-434 MHz
4.1.1 HardwarePara exercer a tarefa da comunicação sem fios à frequência de 433-434 MHz, foram utilizados dois módulos de rádio: RF04 e CM02. Estes módulos são distribuídos pela Acroname Inc. e juntos fornecem a interface completa entre o PC e uma série de módulos I2C, dos quais se destacam os sonares com as referências SRF08 e SRF10.
4.1.1.1 Módulo RF04
O módulo de rádio RF04, figura 4.1, é a interface de comunicação que é conectada ao PC, e é alimentada através do barramento USB não requerendo, assim, nenhuma fonte de alimentação externa ou bateria. Uma vez conectado ao PC, o RF04 é reconhecido como uma porta COM [29]. O RF04 é comercializado em duas versões: RF04/400 e RF04/900. O primeiro utiliza o LPRS EasyRadio ER400TRS que opera à frequência de 433-434 MHz, e o segundo o LPRS EasyRadio ER900TRS que opera a 868-870 MHz ou a 902-920 MHz dependendo da localização. Sendo a primeira gama de frequências europeia, é esta versão a utilizada.
Figura 4.1: Módulo RF04 [7]
O componente fundamental deste módulo é o ER400TRS que é um transceiver que permite a troca de informação até uma distância de 250m de LOS (Line Of Sight). Este também se encontra presente no módulo CM02, e a apresentação deste será feita mais à frente.
4.1.1.2 Módulo CM02
O módulo CM02, figura 4.2, em conjunto com o RF04 constitui uma interface completa entre o PC e robô que pretendemos controlar.
Figura 4.2: Módulo CM02 [7]
Este módulo responde a comandos vindos do PC via rádio, e constituí uma extensão do I2C, possuíndo dois comandos primários que permitem que este escreva o leia do barramento I2C ao qual poderão ser conectados uma série de módulos, comando I2C_CMD - 0x55; e o comando CM02_CMD - 0x5A, que permite a definição de uma série de comandos para o módulo CM02.
Tal como o RF04, este módulo também é comercializado em duas versões, CM02/400 e CM02/900, de acordo com a frequência de operação aplicável ao país onde o mesmo irá ser utilizado. Analogamente, no âmbito deste trabalho foi utilizada a primeira versão deste módulo. Este módulo recebe comandos provenientes do PC e responde a estes via rádio. Tal como referido anteriormente este dispõe de um transceiver (ER400TRS), figura4.3.
4.1 Frequência 433-434 MHz 29 O transceiver ER400TRS é definido como sendo um subsistema constituído por um transceiverRF de elevado desempenho e baixa potência, um microcontrolador e um regulador de tensão. Este possui 9 pinos, incluindo pinos para a alimentação, para troca de dados, entre outros, dos quais dois deles suscitam particular interesse no âmbito deste trabalho.
Figura 4.4: Aspecto físico, com vistas de topo e lateral, do transceiver ER400TRS [8]
Um deles é o pino 3 denominado "RSSI", que permite a medição dos níveis de potência do sinal recebido. Esta saída disponibiliza um sinal analógico em tensão, o qual é inversamente proporcional a energia RF presente na banda de passagem do receptor. Este varia entre os 0 V e os 1.2 V, correspondentes a uma potência máxima de -50 dBm, e a uma potência mínima de -105 dBm, respectivamente. A relação entre a tensão de saída e a potência recebida é a descrita pelo gráfico da figura4.5.
Figura 4.5: Relação entre a tensão de saída e a potência recebida, disponibilizada pela saída RSSI do ER400TRS [8]
O segundo pino de particular interesse é o pino 1, denominado "Antenna"e possui uma impedância de 50 Ohm. A este deverá ser conectada uma antena de qualquer tipo, tendo em atenção o casamento de impedâncias, com vista a maximizar a transferência de energia entre o circuito e a antena.
4.1.1.3 Antenas
Para desempenhar a tarefa de localização relativa baseada na informação do RSSI foi necessária a construção de dois tipos de antenas: direccional, aquela que é colocada no robô, e omnidireccional, que serve de baliza no âmbito da localização. As antenas foram simuladas num software apropriado, que permitiu a validação das mesmas, e, posteriormente, implementadas. Estes assuntos, software e construção das antenas, serão abordados de seguida.
Com vista a implementar a antena que melhor respondesse ao requisitos impostos foram simuladas uma série destas, variando os seus parâmetros fundamentais, bem como o tipo de material a utilizar para os condutores. A tabela 4.1 mostra os diferentes tipos de condutores disponibilizados pelo software onde foi realizada a simulação, e respectiva condutividade.
Tipo de Condutor Condutividade, σ (S/m) Prata 6,29E+07 Cobre 5,80E+07 Alumínio 3,77E+07 Alumínio-T832 3,08E+07 Alumínio-T6 2,49E+07 Latão 1,56E+07 Bronze 9,09E+06 Aço 1,39E+06
Tabela 4.1: Lista dos condutores considerados no estudo, e respectivos valores de condutividade Nos gráficos apresentados mais à frente, além dos materiais apresentados na tabela 4.1, encontra-se ainda um tipo de condutor denominado "Perfeita", o qual representa o material com a condutividade máxima que o software disponibiliza, com o objectivo de analisar o comportamento de uma antena construída com uns dos materiais enunciados anteriormente face àquela que seria a antena perfeita.
Ainda antes de passar à análise dos dois tipos de antenas a construir, é necessária a definição de dois conceitos fundamentais: monopolo e dipolo. Uma antena monopolo, também denominada antena vertical, é amplamente utilizada desde a ELF até à EHF. Este tipo de antenas é muito utilizado devido ao padrão da radiação omnidireccional no plano horizontal, significando que não necessita de ser reorientada para manter o seu sinal constante, quando há uma mudança no seu posicionamento, no plano horizontal. Um dipolo, na sua versão mais simples, consiste num conjunto de dois elementos condutores rectilíneos colineares e de igual comprimento, alimentados no centro (figura 3.2, a da esquerda).
Antena Direccional
Em diversas aplicações pretendem-se obter diagramas de radiação mais directivos ou com máximos e/ou nulos em direcções específicas, o que não é possível recorrendo a um elemento radiante apenas. É nestes casos que são utilizados os agrupamentos de antenas idênticas. O diagrama obtido para o agrupamento de antenas depende de:
4.1 Frequência 433-434 MHz 31 • configuração geométrica do agrupamento (exemplos: linear, circular, planar, entre outros); • distância entre os elementos do agrupamento;
• amplitudes e fases das correntes de alimentação de cada elemento.
A antena direccional construída é definida como sendo um agrupamento linear uniforme. As antenas deste tipo possuem as seguintes características:
• Os N elementos constituintes são colocados na mesma direcção, igualmente espaçados entre si de d, alimentados por correntes de igual amplitude I0e cada elemento tem um avanço de
fase constante de valor β sobre o seu precedente no agrupamento.
• A distância d e o desvio progressivo de fases β constituem as variáveis de controlo do factor de agrupamento.
• O campo distante total, num dado ponto do espaço, é obtido pela soma dos campos distantes devidos a cada elemento do agrupamento.
As antenas deste tipo mais vulgares são as antenas yagi-uda e as parabólicas. Porém a utilização deste tipo de antenas torna-se incoveniente, não só do ponto de vista físico, como de construção das mesmas, para a aplicação em questão. Desta forma, foi decidida a construção de uma antena direccional que consiste num agrupamento linear uniforme de dois dipolos. De seguida é apresentado o estudo prévio dos parâmetros de construção da antena direccional.
As várias simulações efectuadas tiveram por objectivo a análise de uma série de características que, devidamente estudadas e poderada a sua importância no desempenho final das antenas, definiram as características construtivas da antena.
Sendo esta antena do tipo direccional, um parâmetro que deverá ser tido muito em conta é, precisamente a directividade da mesma. Para analisar esta característica da antena existe a variável RDF (Receiving Directivity Factor). A directividade de uma antena é a razão entre a intensidade de radiação numa dada direcção e a intensidade média. Como tal, de seguida serão apresentados os gráficos que caracterizam a directividade da antena de acordo com o comprimento dos dipolos, e o espaçamento entre os mesmos (figuras 4.6e 4.7).
O gráfico da figura 4.6considera um espaçamento entre os dois dipolos constante e igual a 12 cm, aproximadamente λ /6, e vai variando o comprimento dos dipolos, os quais são aproximações a razões do comprimento de onda, de tal forma que, 7cm equivale a, aproximadamente, λ /10; 9cm a λ /8; 12cm a λ /6; 18cm a λ /4; e 35cm a λ /2. O gráfico da figura 4.7é semelhante ao anterior, mas com uma distância entre os dipolos superior, e igual a 18 cm.
O valor do comprimento de onda é facilmente calculado, através da equação 3.1, de tal modo que
λ = 299, 792458 × 10
6
433, 5 × 106 ⇐⇒ λ = 0, 6916m (4.1)
O comprimento de onda é igual à velocidade da onda dividida pela frequência da onda. Quando se lida com radiação electromagnética no vácuo, essa velocidade é igual à velocidade
Figura 4.6: Variação do RDF com o comprimento dos dipolos em função do tipo de condutor, com o espaçamento entre os dipolos constante e igual a 12cm
Figura 4.7: Variação do RDF com o comprimento dos dipolos em função do tipo de condutor, com o espaçamento entre os dipolos constante e igual a 18cm
4.1 Frequência 433-434 MHz 33 da luz c, para sinais (ondas) no ar, e representa a velocidade à qual a onda viaja. A frequência a que estamos a operar, é dita na datasheet dos módulos de rádio utilizados, é de 433-434 MHz, e como tal, para os cálculos foi considerada uma frequência de 433,5 MHz. Quanto à velocidade da luz, no vácuo, esta equivale a 299.792,458 km/s.
Após a análise destes é possível observar que, como seria de esperar, a variação do RDF de acordo com o tamanho dos dipolos e o tipo de condutores, é similar para os diferentes espaçamentos entre os dipolos. O espaçamento entre dipolos igual a 12cm apresenta-se mais atractivo do ponto de vista de aparência física da antena, já que permitia a redução do seu tamanho, o que seria de todo desejável, de forma a interferir o menos possível com o ambiente onde seria implementado. Todavia, o agrupamento de dipolos com um espaçamento entre eles maior, apresenta melhores resultados de directividade. Desta forma, teve que ser estabelicida uma relação de compromisso entre o tamanho efectivo desejável para a antena, e as suas características de eficácia como antena direccional, pelo que se optou por um espaçamento maior, que se revelou não ser tanto pior que o de 12cm em prol de um melhor desempenho. Este espaçamento puderia ainda ser aumentado, o que permitiria um melhor desempenho ainda, porém deixaria de cumprir o requisito de não interferir com o ambiente.
Uma outra característica que deve ser tida em conta na avaliação do desempenho da mesma, é a sua eficiência de radiação. Esta define razão entre a potência radiada pela antena e a potência entregue à mesma. Os gráficos que se seguem, figuras 4.8e 4.9demonstram, de forma análoga à característica analisada anteriormente, a variação da eficiência de radiação da antena de acordo com o tamanho dos dipolos, o espaçamento entre eles e o tipo de condutor utilizado.
Figura 4.8: Variação da eficiência de radiação da antena com o comprimento dos dipolos em função do tipo de condutor, com o espaçamento entre os dipolos constante e igual a 12cm
De forma a facilitar a tarefa de localização baseada na análise dos valores de RSSI recebidos, era importante a construção de um agrupamento de antenas que oferecesse um diagrama de radiação, com uma forma que permitisse a extrapolação dos dados sobre a direcção de um modo simples. O diagrama de radiação é definido como sendo a função matemática ou a representação gráfica das propriedades de radiação da antena em função das coordenadas espaciais. O diagrama
Figura 4.9: Variação da eficiência de radiação da antena com o comprimento dos dipolos em função do tipo de condutor, com o espaçamento entre os dipolos constante e igual a 18cm
de radiação, no plano horizontal, do agrupamento linear uniforme de dois dipolos que tem vindo a ser analisada é do tipo carióide (figura 4.10).
Figura 4.10: Exemplo de diagrama de radiação em cardióide
Assim, foi decidida a implementação de um arranjo linear de dois dipolos distanciados de λ /4 e de comprimento λ /2 desfasados de um ângulo de 90o.
Previamente à construção da antena, teve que ser feito um levantamento do material necessário à construção da mesma. Neste foi tido em conta o facto de ser desejável, e necessário ao bom funcionamento da antena, o casamento de impedâncias. Como tal, o cabo escolhido para ligar aos dipolos possui uma impedância de 50Ω, e foi construído um splitter/combiner que proporciona o facto de, quando algo é conectado à antena, este "vê"uma impedância de 50Ω. Uma breve explicação sobre o modo de operação deste componente será abordada mais à frente.
O cabo, comummente denominado linha de transmissão, é uma linha com dois ou mais condutores, isolados por um dieléctrico, que tem por finalidade fazer com que uma onda electromagnética se propague de modo guiado. É necessário ter em conta na escolha deste componente, as perdas, já que, é desejável que a propagação da onda ocorra com a menor quantidade de perdas possível.
O material utilizado na construção da antena é o seguinte: • Cabo RG174AU, 50Ω 0,66%V
4.1 Frequência 433-434 MHz 35 • Tubo PVC
• Resistências de 33Ω
Para provocar o desfasamento de 90◦ entre os dois dipolos, os cabos que se encontram conectados a estes diferem em comprimento de λ /4m. Para calcular estes comprimentos, foi necessário ter em conta que no cabo a velocidade de propagação do sinal no cabo não é a mesma que no vazio, aliás é igual a 66% desta, pelo que, para o efeito, o comprimento de onda cresce para, aproximadamente, 26,3cm.
Adicionalmente, foi construído um balun, de forma a adaptar as impedâncias e transformar o sinal não balanceado em balanceado.
Um outro componente incluído na antena foi um splitter/combiner. Estes podem realizar uma série de funções de processamento de sinal, tais como:
• adicionar ou subtrair sinais vectorialmente;
• obter múltiplos sinais de saída em fase proporcionais ao nível de um sinal de entrada comum;
• dividir um sinal de entrada em múltiplas saídas;
• combinar sinais de diferentes fontes para obter um único sinal de saída.
Este foi construído recorrendo a 3 resistências de 33Ω. A montagem mais simples é a montagem em "T", e foi essa a implementada, como é possível visualizar através da figura 4.11.
Figura 4.11: PCB do splitter/combiner
Calculando o equivalente do circuito de duas resistências em paralelo, em série com uma terceira, 33Ω//33Ω + 33Ω = 49, 5Ω ≈ 50Ω, facilmente se percebe que quando o módulo é conectado à antena, no 3◦ porto, este "vê"um equivalente de, aproximadamente, 50Ω, tal como pretendido.
Em suma, os dados sobre a antena construída são os seguintes:
• dipolos de latão (a escolha deste condutor, foi determinada pelo material disponibilizado pela faculdade);
• cabo do dipolo sem atraso RG174AU, de comprimento de 38cm (note-se que este comprimento foi um valor que se apresentou confortável, de forma preservar um certo afastamento entre o splitter/combiner e os dipolos);
• cabo do dipolo com atraso RG174AU dimensionado para ter um comprimento de 64,3cm (38cm+26,3cm), e afinado para 61,7cm;
• balun em cabo RG174AU dimensionado para 52,5 cm, e afinado para 47,5 cm;
• tubo de PVC servindo de suporte, e assegurando um afastamento entre os dipolos de 17,3cm. Os resultados da simulação obtidos para a antena a construir foram os seguintes:
• Eficiência da radiação: 99.17% • RDF: 5.25dB
• Ganho da antena: 5.21dBi
e encontram-se argumentados com as figuras 4.12, 4.13e 4.14.
Figura 4.12: Representação espacial do agrupamento linear uniforme de dois dipolos construído
Figura 4.13: Representação tridimensional do diagrama de radiação da antena da figura 4.12com cortes nos planos horizontal (esquerda) e vertical (direita)
O aspecto final da antena é o apresentado na figura 4.15. Antena Omnidireccional
As antenas omnidireccionais cobrem uma amplitude de 360o no plano horizontal. A forma mais simples de uma antena deste tipo é um monopolo. E foi esta a solução implementada, mais precisamente, um monopolo de meio comprimento de onda e em latão, tal como os dipolos.
Os resultados da simulação efectuada relativamente a esta antena são os apresentados nas figuras 4.16, 4.17e 4.18.
4.1 Frequência 433-434 MHz 37
Figura 4.14: Planos horizontal (esquerda) e vertical (direita) do diagrama de radiação da antena apresentada na figura 4.12
Figura 4.15: Agrupamento Linear Uniforme - Dipolo
Figura 4.16: Representação espacial do monopolo construído
Figura 4.17: Representação tridimensional do diagrama de radiação da antena da figura 4.16com cortes nos planos horizontal (esquerda) e vertical (direita)
Figura 4.18: Planos horizontal (esquerda) e vertical (direita) do diagrama de radiação da antena apresentada na figura 4.16
4.1.2 Software
De seguida é apresentado o software que suportou a realização das várias simulações realizadas, tanto para antena direccional como para a omnidireccional.
4.1.2.1 4NEC2
O 4NEC2 (lê-se "for NEC too") é uma ferramenta para NEC (Numerical Electromagnetic Code) de utilização completamente livre, desenvolvida para executada no sistema operativo Windows. Este permite simular e projectar diversos tipos de antenas. Além dos parâmetros de construção da antena, esta ferramenta disponibiliza ainda, informações relevantes acerca das características das antenas, das quais se podem destacar o ganho, a directividade e a eficácia da radiação da mesma, entre outros; bem como, uma série de janelas de visualização que permitem conferir o aspecto dos diagramas de radiação das antenas simuladas.
4.1.2.2 Lazarus
O Lazarus é um ambiente de desenvolvimento desenvolvido para o compilador Free Pascal. É compatível com uma série de sistemas operativos, entre eles, Linux e Windows. Este permitiu o estabelecimento de uma interface de controlo das comunicações rádio.
4.2
Frequência 2.4 GHz
A informação da força do sinal de rádio recebida (RSS) é tida como um modo interessante de cálculo da estimativa da distância em redes wireless já que, a obtenção da informação sobre o RSS não requer custos adicionais a cada mensagem trocada via rádio.
4.2 Frequência 2.4 GHz 39
4.2.1 Hardware
Com vista a estudar e analisar a utilização da informação sobre o RSSI no âmbito da localização relativa de robôs móveis à frequência de 2.4 GHz foi construída uma estrutura constituída por um AP, um PC e um robô móvel.
4.2.1.1 AP
Mesmo nas redes 802.11 mais simples, a configuração adequada dos AP’s constitui uma etapa fundamental na construção das mesmas, já que, sem os interfaces de rede devidamente configurados não é possível assegurar um tráfego de informação fiável. A principal função dos AP’s é a de garantir consistência sobre os nós que estão ligados à rede. Qualquer nó está ligado à rede se se encontrar ao alcance do AP. Deste modo é possível evitar todo o indeterminismo e dificuldades inerentes associados à comunicação ad-hoc, na qual poderão existir nós que podem