Topologia em Malha

A topologia de comunicação em malha permite que quaisquernodes transmitam dados entre si, estes atuando sempre como dispositivo FFD. Na Figura 15 é ilustrada uma

representação para a topologia de rede em malha.

Figura 15: Topologia de rede em malha

Fonte: Elaborado pelo autor

Esta imagem ilustra uma representação para a topologia de rede em malha, composta por sensor nodes atuando como dispositivos FFD.

Nessa topologia: a) as vantagens: estão na possibilidade de implementação da tolerância à falhas, visto que qualquernode pode assumir o papel de coordenador da rede e gerenciar a transmissão de dados, além de que novosnodes, podem a qualquer momento, serem adicionados à rede provendo uma maior escalabilidade; b) a principal desvantagem: fica a cargo do maior consumo elétrico dentre as topologias aqui apresentadas, mas, não deve ser negligenciada a questão da segurança, visto que na rede em malha os dados transmitidos poderão trafegar por diversos nós da rede.

4.3.3

Topologia Híbrida

A topologia de comunicação híbrida representa as redes que utilizam mais de uma topologia ao mesmo tempo, de modo geral é a junção das duas topologias de rede em estrela e rede em malha. Essa é a topologia de rede mais robusta entre as apresentadas, pois une as vantagens de ambas minimizando suas desvantagens particulares. Na Figura 16 é ilustrada uma representação para a topologia de rede híbrida.

Nessa topologia: a) as vantagens: estão na robustez da rede e comunicação tolerante à falhas, pois qualquer node FFD poderá assumir a função de coordenador da rede e transmissão de dados, além do consumo elétrico otimizado; b) a desvantagem: fica por conta de uma maior complexidade de implantação.

Figura 16: Topologia de rede híbrida

Fonte: Elaborado pelo autor

Esta imagem ilustra uma representação para a topologia de rede híbrida, formada por a) node FFD (em branco); e, b) sensor node FFD ou RFD (em preto).

Bastante utilizada para a implementação de grandes redes, compostas por diversos

nodes, promove uma maior interoperabilidade à medida que permite a conexão de disposi-

tivos com tecnologias diferentes além de possibilitar redundância pela disponibilidade de várias rotas de comunicação. O desenho final da rede é determinado pela combinação de duas ou mais topologias distintas.

As redes híbridas geralmente são construídas no intuito de resolver problemas específicos de expansão de rede ou interconexão de tecnologias distintas e aproveita a infraestrutura de rede disponível acrescentando novos dispositivos atuando como roteadores.

4.4

Tecnologia ZigBee

A tecnologia ZigBee8 _{é ao mesmo tempo a implementação das especificações do}

protocolo IEEE 802.15.4 e um produto disponível no mercado sob a forma de microchip, utilizado para a construção de dispositivos de aplicação específica; ou sob a forma de um módulo totalmente funcional, utilizado para aplicações genéricas de baixo custo.

8 _{ZigBee: conjunto de especificações para comunicação sem fio entre dispositivos baseado no padrão IEEE}

Apresenta as características chave de: a) baixo consumo elétrico; b) baixa potência de transmissão sem fio; c) fácil implementação; d) taxa de transmissão de até 250Kbps; e, e) alcance máximo na ordem de 100 metros.

Os dispositivos ZigBee operam em três faixas de frequência ISM9_{, que a depender}

das restrições legais e das políticas de uso vigentes em cada país para utilização de redes sem fio, variam conforme: a) na especificação para o padrão internacional operam em 2.4 GHz; b) operam em 868 MHz nos países da Europa; e, c) 915 MHz nas Américas.

Os dispositivos ZigBee podem assumir os papéis de FFD, sendo utilizados como roteador, repetidor de sinal ou coordenador de rede e se comunicam com qualquernode na rede; e pode assumir o papel de RFD somente utilizado comosensor node que se comunica apenas com dispositivos FFD.

Quando em uma rede de topologia estrela o dispositivo ZigBee FFD deverá ser configurado como coordenador central da rede, ao qual todos os outros dispositivos RFD estarão conectados. O coordenador é responsável por gerenciar a rede e o roteamento dos pacotes de dados, permitindo quesensors nodes RFD transfiram dados entre si. Nesse tipo de topologia o desempenho geral da transmissão de dados pela rede será limitado pelo desempenho máximo de transmissão do dispositivo FFD configurado como coordenador. Já quando em uma rede de topologia em malha todos os dispositivos ZigBee deverão ser do tipo FFD, que fazem roteamento de pacotes comunicando-se diretamente entre si, isto confere redundância na transmissão dos pacotes mas traz como desvantagem um maior consumo elétrico, dado que os dispositivos deverão estar sempre aguardando dados para transmissão.

A topologia mais efetiva e comumente utilizada para redes com dispositivos ZigBee tem sido a híbrida, onde várias redes heterogêneas são conectadas entre si através de dis- positivos roteadores, conferindo alta disponibilidade de rede e redundância na transmissão dos pacotes com melhor aproveitamento da infraestrutura. Por vezes a implementação de uma rede híbrida visa conectar redes distantes entre si através de um caminho único.

Na figura Figura 17 é ilustrada uma representação para a topologia de rede híbrida baseada ZigBee, composta por dispositivos FFD atuando como coordenador central da rede ou roteador, e dispositivos RFD atuando comosensor node.

Permitindo a criação de redes compostas por até 65.535 nodes as redes ZigBee se mostram bastante versáteis para as mais diversas aplicações na indústria e pesquisa acadêmica. Nos parágrafos a seguir estão relatados alguns trabalhos encontrados na literatura acadêmica.

No trabalho de Aminzadeh, Kashefi e Alee (2010) foi proposta a aplicação de RSSFs 9 _{ISM: acrônimo em inglês para Industrial, Scientific & Medical: bandas de frequência reservadas internaci-}

Figura 17: Topologia de rede híbrida baseada em ZigBee

Fonte: Elaborado pelo autor

Esta imagem ilustra uma representação para a topologia de rede híbrida baseada em ZigBee, apresentando: a) dispositivo FFD coordenador (em branco – C); b) dispositivo FFD roteador (em branco – R); e, c) dispositivo RFD (em preto).

para monitoramento em tempo real da pressão na rede de distribuição de água. Durante o período de 30 dias foram coletados dados em intervalos regulares de 15 minutos nos diversossensors nodes distribuídos pela rede. Os dados sensoriados foram transmitidos pelo coordenador de rede, único nó de rede dotado de conexão à internet, armazenados em um servidor e analisados com a utilização de aplicação específica. O estudo mostra que o uso de redes ZigBee é efetivo para a redução de custos na transmissão de dados à medida que os dados sensoriados podem utilizar melhor a infraestrutura de rede, neste projeto concentrada em um único ponto de transmissão.

No trabalho de Zheng e Zhang (2011) foi proposta uma rede inteligente para controle do consumo elétrico utilizando sensors nodes conectados através de módulos ZigBee. A arquitetura proposta no trabalho se baseia na transmissão de dados coletados em medidores elétricos para coletores de dados que enviam essas informações a um dispositivo concentrador e este por sua vez transmite para uma central de processamento. Os autores propuseram uma arquitetura em 3 níveis: a) conjunto de equipamentos para monitoramento elétrico, coleta, e transmissão de dados, chamado de Intelligent Wireless Electric Power

Management and Control (IWEMC); b) central de processamento; c) sistemas web para

monitoramento.

No trabalho de Reddy e Eswaran (2013) foi proposta a criação de uma rede de sensores com o propósito de monitorar e administrar o nível de água em reservatórios de água do tipo torre elevada. Os sensors nodes ZigBee foram dispostos aproveitando

a infraestrutura elevada dos reservatórios, permitindo a criação de uma malha de rede redundante. Foi desenvolvido um protótipo de módulo sensor constituído por sensor para nível de água. Os testes mostraram ser possível controlar a vazão da água nos reservatórios remotamente através da rede de sensores.

Já no trabalho de Amruta e Satish (2013) foi proposta a criação de uma RSSFs para monitorar em tempo real a qualidade da água por meio de sensores que medem os valores de pH, O2 e turbidez em diferentes locais na rede de distribuição. Os ensaios

mostraram ser possível descobrir problemas imediatos na qualidade da água através da análise dos dados providos pela rede de sensores.