Sincronização temporal para dispositivos com conexão sem fio de baixo consumo de energia

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PROGRAMA DE P ´

OS-GRADUAC

¸ ˜

AO EM ENGENHARIA EL´

ETRICA

Fernando Biazi Nascimento

SINCRONIZAC

¸ ˜

AO TEMPORAL PARA DISPOSITIVOS COM

CONEX ˜

AO SEM FIO DE BAIXO CONSUMO DE ENERGIA

(2)

SINCRONIZAÇ ÃO TEMPORAL PARA DISPOSITIVOS COM CONEX ÃO SEM FIO DE BAIXO CONSUMO DE ENERGIA

Disserta¸cão apresentada ao Programa de Pós-Gradua¸cão em Engenharia Elétrica da Universidade Presbiteriana Mackenzie como requisito parcial para obten¸cão do t´ıtulo de Mestre em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Paulo Batista Lopes

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N244s

Nascimento, Fernando Biazi

Sincronização temporal para dispositivos com conexão sem fio de baixo consumo de energia. / Fernando Biazi Nascimento – São Paulo, 2014.

87 f.: il.; 30 cm.

Dissertação (Programa de Pós-Graduação (Stricto Sensu) em Engenharia Elétrica) - Universidade Presbiteriana Mackenzie - São Paulo, 2014.

Orientador: Prof. Paulo Batista Lopes Bibliografia: f. 80-81.

1. Sincronização. 2. Dispositivo de baixa potência. 3. IEEE1588. 4. PTP. 5. IEC61588. 6. Sincronização de relógios. 7. Redes sem fio. I.Título.

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SINCRONIZAÇ ÃO TEMPORAL PARA DISPOSITIVOS COM CONEX ÃO SEM FIO DE BAIXO CONSUMO DE ENERGIA

Disserta¸cão apresentada ao Programa de Pós-Gradua¸cão em Engenharia Elétrica da Universidade Presbiteriana Mackenzie como requisito parcial para obten¸cão do t´ıtulo de Mestre em Engenharia Elétrica.

Aprovado em 23 de outubro de 2014

Prof. Dr. Paulo Batista Lopes Orientador

Prof. Dr. Luis Geraldo Pedroso Meloni Universidade Estadual de Campinas

Prof. Dr. Paulo Alves Garcia Universidade Presbiteriana Mackenzie

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Ao meu orientador, Prof. Dr. Paulo Batista Lopes, por toda a aten¸c˜ao, paciˆencia, empenho em auxiliar, hospitalidade em sua sala e, principalmente, por ser um bom amigo durante o desenvolvimento do trabalho.

Aos meus pais, F´abio T. S. Nascimento e Vilma B. Nascimento pela compre-ens˜ao e apoio sempre que poss´ıvel.

`

A Prof.a

Dr.a

Ivanilda Matile pelo grande incentivo inicial e encorajamento para que eu iniciasse o curso do qual este trabalho ´e resultado.

`

A Prof.a

Dr.a

Sandra Stump e `a Prof.a

Dr.a

Poliana Mustaro pelos conheci-mentos de técnicas e diretrizes de pesquisa e de elabora¸cão de trabalhos acadêmicos.

`

A Texas Instruments IncorporatedR

pelos kits doados ao PPGEE, que foram utilizados para o desenvolvimento deste trabalho.

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O presente trabalho consiste em uma implementa¸cão de protocolo de distribui¸cão de tempo baseado no PTP, definido na norma IEC 61588:2009/IEEE 1588-2008 a ser utilizado em dispositivos sem fio de baixo consumo de energia. A distribui¸cão de tempo é importante para determinar a ordem de ocorrência de eventos marcados em contagens distintas que podem então ser relacionadas. E os problemas de falta de sincronia são evidentes em circunstâncias que vão de estudo de fatos históricos até a verifica¸cão de intrusos em equipamentos modernos conectados à internet. O trabalho contou com desenvolvimento de um software completamente novo para o micro-controlador MSP430F2274TM

utilizando o controlador de rede CC2480TM

. A implementa¸cão do protocolo considera um dos mecanismos apresentados pela norma e ficou muito próxima, não atendendo-a plenamente principalmente por falta de recursos no dispositivo utilizado, mas manteve o comportamento previsto. Os dispositivos sincronizam os tempos entre eles e sintonizam suas contagens de tempo, de forma a reduzir, tanto quanto poss´ıvel, o ajuste de futuras sincroniza¸cões.

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The present work consists of an implementation of time distribution protocol based on PTP disclosed in the IEC 61588:2009 / IEEE 1588-2008 standard to be used in low-power wireless devices. The distribution of time is important to determine the order of occur-rence of events marked in distinct counts that can then be related. And the problems of lack of synchronicity are evident in circumstances ranging from the study of historical facts up to the investigation of intruders in modern equipments connected to the inter-net. The work included development of a completely new software for the microcontroller MSP430F2274TM

using the CC2480TM

network controller. The implementation of the pro-tocol considers one of the mechanisms described by the standard and remains very close to it, not fully conformant mainly because of lack of resources on the used device, but the expected behavior was kept. The devices synchronize the time between them and sintonize their time counting, in a way to reduce, as much as possible, the adjustments of further synchronizations.

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1 Placa do kit ez430-RF2480, lado do micro-controlador MSP430F2274TM

. 27 2 Placa do kit ez430-RF2480, lado do CC2480TM

. . . 27

3 Diagrama de uso entre as unidades do SZS. . . 32

4 M´aquina de estados da unidade ADC. . . 33

5 M´aquina de estados da unidade button. . . 34

6 M´aquina de estados da unidade de interface com o CC2480TM . . . 34

7 M´aquina de estados da unidade de controle de led. . . 36

8 M´aquina de estados da unidade de rede. . . 37

9 M´aquina de estados da unidade SPI. . . 39

10 Janela do programa SZSM - Pacotes capturados. . . 41

11 Janela do programa SZSM - Leituras dos sensores. . . 42

12 Janela do programa SZSM - Registros de atrasos do canal e ajustes. . . 42

13 Troca de mensagens para medida de atraso nos mecanismos E2E (a), e P2P (b). . . 45

14 Algoritmo de decis˜ao de estado. . . 48

15 L´ogica do evento de decis˜ao de estado. . . 49

16 M´aquina de estados do protocolo. . . 50

17 Diagrama de uso entre as unidades do SZSPTP. . . 51

18 Fluxograma da fun¸c˜ao ptp process. . . 54

19 Fluxograma do tratamento de uma mensagem de an´uncio recebida. . . . 65

20 Arranjo para medi¸c˜ao e registro dos atrasos e ajustes dos rel´ogios dos dispositivos. . . 71

21 Atrasos e corre¸c˜oes no rel´ogio pelo tempo, 2 dispositivos. . . 72

22 Ocorrências para atrasos do canal e corre¸cões no relógio, 2 dispositivos. . 72

23 Atrasos e corre¸c˜oes no rel´ogio pelo tempo, 3 dispositivos. . . 73

24 Ocorrências para atrasos do canal e corre¸cões no relógio, 3 dispositivos. . 73

25 Atrasos e corre¸cões nos relógios pelo tempo, relógio interno do dispositivo 3C36, 3 dispositivos. . . 75

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1 Uso de memória dos programas ZASA e SZS. . . 70 2 Dados estat´ısticos de atrasos do canal e ajustes dos relógios. . . 74 3 Dados estat´ısticos de atrasos do canal e ajustes dos relógios, tempo pelo

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ADC —Analogic-digital converter - Conversor anal´ogico-digital.

API —Application Programming Interface - Interface de programa¸c˜ao de aplicativo. ANSI —American National Standards Institute - Instituto de Padr˜oes Nacionais

Ame-ricanos.

Big-endian — Modo de ordenamento em que elementos maiores ou de ´ındice maior s˜ao posicionados antes de elementos menores ou de ´ındice menor.

BIPM —Bureau International des Poids et Mesures - Escrit´orio internacional de pesos e medidas.

BMC — Best master clock - Melhor rel´ogio mestre.

BPL —Broadband over powerline - Banda larga sobre linha de energia.

Buffer — ´Area de armazenamento tempor´aria de armazenamento de dados que aguar-dam processamento.

Clock — Frequência de opera¸cão de um micro-processador ou micro-controlador. Datasheet — Documento que descreve caracter´ısticas de componentes eletrônicos. GPIO —General purpose input and output - Entrada e sa´ıda de uso geral.

GPS — Global positioning system - Sistema de posicionamento global. GPS time — Tempo utilizado no GPS.

Grace — Plataforma de configura¸c˜ao de micro-controladores do Code Composer StudioTM _IDE_.

IDE —Integrated Development Environment - Ambiente de desenvolvimento integrado. IEC —International Electrotechnical Commission.

IEEE —Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. IETF —Internet Engineering Task Force.

Little-endian — Modo de ordenamento em que elementos menores ou de ´ındice menor s˜ao posicionados antes de elementos maiores ou de ´ındice maior.

LPM — Low power mode - baixo consumo de energia.

Micro-controlador — Micro-processador associado a perif´ericos agregados em um ´unico encapsulamento.

NTP —Network time protocol - Protocolo de tempo de rede.

PLC —Powerline communications - Comunica¸c˜oes em linha de energia. PTP —Precision time protocol - Protocolo de tempo preciso.

RTC — Real Time Clock - Relógio de tempo real, componente ou dispositivo que pos-sui a fun¸cão de manter um horário, independentemente de outros componentes ou dispositivos.

S.I. — Système International d’Unités - Sistema internacional de Unidades. SPI —Serial Peripheral Interface - Interface serial de periféricos.

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deste trabalho.

SZSPTP — SZS com protocolo de distribui¸c˜ao de tempo baseado no PTP, definido no t´ıtulo 4.3 deste trabalho.

TAI — Temps atomique international - tempo atˆomico internacional.

TA(k) — Representa¸cão do tempo de um relógio atômico espec´ıfico, k é substitu´ıdo pela sigla da organiza¸cão.

UTC — Coordinated universal time ou temps universel coordonné - Tempo universal coordenado. A sigla foi definida assim como compromisso entre a versão em inglês e a versão em francês.

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1 INTRODUC¸ ˜AO . . . 14

1.1 JUSTIFICATIVA . . . 16

1.2 OBJETIVOS . . . 18

1.3 METODOLOGIA . . . 18

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO . . . 19

2 O TEMPO . . . 20

2.1 CONTAGEM DO TEMPO . . . 20

2.2 DISTRIBUIC¸ ˜AO DE TEMPO . . . 22

2.2.1 Referˆencias de tempo . . . 22

2.2.2 Norma IEC 61588:2009/IEEE 1588-2008 . . . 24

2.2.3 Outros Trabalhos Utilizando a Norma IEC 61588:2009/IEEE 1588-2008 . . . 25

3 DISPOSITIVO UTILIZADO: EZ430-RF2480 . . . 26

4 DESENVOLVIMENTO . . . 29

4.1 DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE DE REDE ZIGBEE . . . 30

4.1.1 Procedimentos do SZS . . . 30

4.1.2 Unidades do SZS . . . 31

4.1.2.1 Unidade principal (main) . . . 32

4.1.2.2 ADC . . . 32

4.1.2.3 Bot˜ao . . . 33

4.1.2.4 Interface com o CC2480TM . . . 34

4.1.2.5 Rel´ogio . . . 35

4.1.2.6 LED . . . 35

4.1.2.7 Rede . . . 36

4.1.2.8 Relat´orio . . . 38

4.1.2.9 SPI . . . 38

4.1.2.10 UART . . . 38

4.2 PROGRAMA DE MONITORAMENTO . . . 40

4.3 IMPLEMENTAÇ ÃO DO PROTOCOLO DE DISTRIBUIÇ ÃO DE TEMPO . . . 43

4.3.1 Escolha do mecanismo de determina¸c˜ao de atraso . . . 43

4.3.2 Estrutura dos dados e formato dos pacotes . . . 46

4.3.3 Procedimentos do SZSPTP . . . 47

4.3.4 Unidades do SZSPTP . . . 50

4.3.4.1 PTP . . . 52

4.3.4.2 Tipos PTP . . . 55

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4.3.4.5 Conjuntos de dados PTP . . . 58

4.3.4.6 Rel´ogio PTP . . . 62

4.3.4.7 Mensagens PTP . . . 63

4.3.4.8 Utilidades PTP . . . 65

4.3.5 Problemas encontrados e solu¸c˜oes . . . 66

5 TESTES EXPERIMENTAIS E RESULTADOS . . . 69

5.1 COMPARAC¸ ˜AO ENTRE O ZASA E O SZS . . . 69

5.2 SINCRONIZAÇ ÃO E SINTONIZAÇ ÃO . . . 70

6 CONCLUS ˜AO . . . 78

6.1 PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS . . . 79

REFERˆENCIAS BIBLIOGR ´AFICAS. . . 80

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1 INTRODUC¸ ˜AO

O tempo é uma dimensão, que se propaga em uma única dire¸cão, e sua medida com-pleta a medida de espa¸co para determinar posi¸cão, seja de objetos, referências ou qualquer outra utilidade.

A medida de tempo é tão importante quanto a medida do espa¸co, pois o local pode ser alterado com o passar do tempo. Quando uma referência de local é feita para um objeto ou evento, a referência de tempo é necessária, exceto se o local permanece o mesmo independentemente do tempo. Muitas vezes o tempo está impl´ıcito na referência, por exemplo o tempo presente ou tempo passado, mesmo que não definido com precisão.

O registro de medidas de grandezas dinâmicas ou eventos exige a informa¸cão do mo-mento em que se realizam. Temperatura ao longo do dia, passagem de um maratonista pela linha de chegada, controle de acesso (f´ısico ou virtual - de informática), eventos at-mosféricos, descontinuidades em um sistema de transmissão de energia elétrica são exem-plos cuja informa¸cão do momento é exigida, no caso de controle de acesso, o tempo se torna importante para seguran¸ca, tanto para registro quanto para definir e aplicar restri¸cões.

Toda a medida deve ser feita com base em referências, e com o tempo não é diferente. A contagem dos anos por exemplo se incrementa a cada ciclo de quatro esta¸cões – Primavera, Verão, Outono e Inverno – e inicia-se em 1 no suposto primeiro ano de vida de Jesus Cristo. Para que a mudan¸ca na contagem coincida com a mudan¸ca de um dia para outro (meia noite), foi criado o ano bissexto1

.

A precisão necessária do tempo depende de como este é empregado, por exemplo, uma pessoa que encontra outra deve fazê-lo com precisão de minutos. A autentica¸cão de opera¸cões bancárias com tokens baseados em tempo deve ser feita com precisão de segun-dos2

e a medi¸cão de tempo de carros de corrida é feita até milésimos de segundo. Outras aplica¸cões podem exigir precisão maior, como a necessária para realizar comunica¸cão com modula¸cão porSpread Spectrum, que depende da capacidade e robustez da comunica¸cão. Dispositivos que medem o tempo são chamados relógios, e não se referem apenas aos relógios comuns de pulso ou de parede, mas também a dispositivos presentes em diversos equipamentos, uma parte de um dispositivo sólido ou até mesmo firmware ou software.

Micro-processadores e micro-controladores possuem opera¸cão baseada em sinais que se alternam entre dois valores. Esta mudan¸ca entre os valores permite a opera¸cão de flip-flop’s que formam as estruturas utilizadas para o armazenamento e processamento dos dados. Um oscilador, interno ou externo, fornece a base de tempo para estas mudan¸cas de estado, que ocorrem a uma frequência definida e relativamente estável. A referência

1

O Ano bissexto possui 366 dias ao invés dos normais 365 e ocorre quando a contagem dos anos é divis´ıvel por 4, exceto quando também é divis´ıvel por 100, caso em que é um ano normal, porém o ano sempre é bissexto quando é divis´ıvel por 400. Portanto, em cada per´ıodo de 400 anos, 97 são bissextos.

2

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para se trabalhar com tais dispositivos é o número de ciclos do oscilador que permite as mudan¸cas de estado ou o número de ciclos de instru¸cão. Normalmente cada ciclo de instru¸cão equivale a algumas unidades de ciclos de oscilador. Os ciclos do oscilador podem ser convertidos para segundos pois há uma freqüência definida e razoavelmente estável.

Cada ciclo de instru¸cão pode ser uma ou mais unidades de ciclos de oscilador, porém as instru¸cões podem utilizar um número variável de ciclos de oscilador ou instru¸cão, mesmo que elas perten¸cam a um mesmo dispositivo. Como exemplo, o ciclo de máquina do mi-crocontrolador AT89S8253 consiste de 12 ciclos de oscilador segundo a Atmel Corporation (2010) e cada instru¸cão utiliza 12, 24 ou 48 ciclos de oscilador Atmel Corporation (2006). Ao encapsular mais componentes em um único chip, reduz-se a complexidade dos projetos, que utilizam menos componentes a serem interligados, e o tamanho dos equipa-mentos, além do consumo de energia, que também pode ser reduzido.

Dispositivos compactos são cada vez mais utilizados, não somente nas aplica¸cões atuais, mas a própria quantidade de aplica¸cões continua a crescer. Uma aplica¸cão já estabelecida é a utiliza¸cão como sensores. Sensores sem fio melhoram a versatilidade e a facilidade de instala¸cão ao eliminar a necessidade de conexões cabeadas, porém há o problema da alimenta¸cão de energia necessária ao funcionamento do dispositivo, para processamento de dados e comunica¸cão.

Com a populariza¸cão do conceito de Internet das coisas (IoT - Internet of Things), um número imenso de dispositivos tem sido agregado à grande rede. Termostatos, ele-trodomésticos, sensores biométricos, etc., tem incorporado interfaces e protocolos de co-munica¸cão. Para possibilitar uma instala¸cão conveniente e prática, adota-se em muitos casos, uma implementa¸cão em redes de sensores sem fios.

Dispositivos sem fio têm que limitar seu uso de energia, pois por não terem alimenta¸cão por cabos, a disponibilidade de energia é baixa, proveniente de capta¸cão de energia ou de baterias. Como consequência, qualquer tarefa que exige consumo de energia deve ser executada somente se necessário.

Como exemplo de aplica¸cão, em uma rede de distribui¸cão de energia do tipo Smart Grid os dispositivos fazem o monitoramento e, quando um evento ocorre, devem regis-trar junto com as informa¸cões do evento, o momento em que ocorreu. Desta forma os fenômenos podem ser melhor analisados.

Algumas medi¸cões que podem estar presentes em redes Smart Grid são tensão entre fases ou entre fase e terra, corrente em cada cabo, tensão entre terminais de transfor-madores, temperatura em componentes da rede, incluindo transfortransfor-madores, sincrofasores, intensidade de harmônicos e sinais que podem ser transmitidos pela rede e luminosidade, para acionamento da ilumina¸cão pública, além do estado de funcionamento de equipa-mentos.

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nor-malmente é 50 Hz a 60 Hz, mas com o estudo de harmônicos e transmissão de dados sobre linha de energia em tecnologias como PLC (Powerline Communications - Comu-nica¸cões em linha de energia) ou BPL (Broadband over powerline - Banda larga sobre linha de energia), a exigência torna-se maior, dependendo do que está sendo monitorado ou estudado.

A norma IEC 61588:2009/IEEE 1588-2008 (IEC, 2009), publica¸cão pelo IEC ( Interna-tional Electrotechnical Commission – Comissão Eletrotécnica Internacional) da norma do IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – Instituto de engenheiros eletri-cistas e eletrônicos) normaliza o protocolo PTP (Precision Time Protocol - Protocolo de tempo preciso), que define métodos para distribui¸cão de tempo entre dispositivos, consis-tindo em sincroniza¸cão e sintoniza¸cão. A norma permite alguma flexibilidade para ajustar seu emprego a sistemas espec´ıficos e pretende estabelecer regras para o ajuste de relógios de dispositivos com a maior precisão poss´ıvel no sistema dos quais fazem parte.

Este trabalho baseia-se nesta norma para implementar a distribui¸cão de tempo em dispositivos sem fio de baixo consumo de energia com fun¸cões de sensores e medir seu desempenho quanto à precisão e estabilidade de forma experimental, baseando-se nos ajustes realizados nos relógios dos dispositivos com base no próprio protocolo.

1.1 JUSTIFICATIVA

A medida de tempo é necessária para diversos fins, incluindo, mas não se limitando a seguran¸ca, ordenamento, reconstitui¸cão de uma série de eventos, determina¸cão de causa e efeito/consequência, sendo que diferentes aplica¸cões exigem diferentes n´ıveis de precisão. Em dispositivos de sensores sem fio de baixo consumo de energia, que armazenam as medi¸cões antes de enviá-las, a natureza das medidas ou de suas aplica¸cões pode tornar im-portante o registro do tempo, portanto a distribui¸cão de uma mesma referência de tempo é necessária, entre todos os dispositivos da rede. O tempo em micro-controladores pode ser contado com precisão suficiente (e necessária para a aplica¸cão) para que o intervalo necessário para a transmissão da referência entre dois dispositivos cause erro significante. Observando a aplica¸cão de sensores sem fio em monitoramento de redes de distribui¸cão de energia elétrica Smart Grid, nota-se a necessidade da distribui¸cão da referência de tempo para relacionar as medidas em cada ponto de medi¸cão, mesmo que sofram atrasos para serem enviadas ao local de armazenamento de dados. Esta poss´ıvel aplica¸cão motivou a realiza¸cão deste trabalho: implementar algoritmo de distribui¸cão de tempo que possa ser utilizado em redes de sensores sem fio para monitoramento de Smart Grid.

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inspe¸cão visual por equipes de campo durante as ocorrências, o que acontece na prática atualmente.

A inspe¸cão visual não pode ser substitu´ıda por medi¸cões e continua sendo necessária, mas com informa¸cões prévias se torna mais precisa, e há dados que não estão presentes em uma inspe¸cão visual.

Os sensores também auxiliariam na tomada de decisões sobre as manobras para redis-tribui¸cão de carga das redes de energia, em equipamentos operando com sobrecarga ou com folga, o que pode ocorrer apenas em horários espec´ıficos.

Sensores com estampas de tempo sincronizadas podem ser ´uteis em casos de desliga-mento, apontando, por exemplo um comportamento anormal de um componente ou uma parte da rede que provoca o acionamento de um sistema de prote¸c˜ao ou uma falha.

Outra aplica¸cão para a distribui¸cão de referência de tempo é a internet das coisas, na qual vários equipamentos são interligados por meio de uma redead hoc sem fio.

Em todas as aplica¸cões, todavia, os sensores devem ter custo suficientemente acess´ıvel para que seu uso seja disseminado. Este requisito implica no emprego de micro-controladores com recursos racionados (quantidade limitada de memória, frequência de opera¸cão não muito elevada, etc.).

No caso de medi¸cões em Smart Grid, o uso de dispositivos de baixo consumo, que podem ser alimentados diretamente por energia captada ou por per´ıodos prolongados com armazenamento de pouca energia, não representará impacto significativo na rede.

O custo reduzido torna a implanta¸cão de tais sensores com sincroniza¸cão de relógio vantajosa, em face da melhoria no aproveitamento dos equipamentos da rede, incluindo tanto a melhor utiliza¸cão da capacidade dos equipamentos como melhoria da vida útil, desde que a utiliza¸cão se beneficie das medi¸cões dos sensores.

Consequentemente, faz-se necessária uma investiga¸cão sobre a implementa¸cão de dis-tribui¸cão de referência temporal em redes de sensores sem fio, usando dispositivos com recursos escassos.

Os resultados também podem ser úteis para a utiliza¸cão deste protocolo em dispositivos de outras naturezas, com conexões por meio de cabo ou que não sejam de baixo consumo de energia.

A norma IEC 61588:2009/IEEE 1588-2008 define um protocolo para a distribui¸cão de tempo, incluindo o registro da precisão dispon´ıvel para cada dispositivo que atende às suas especifica¸cões, e foi definida de modo a permitir precisão melhor que um nano-segundo dependendo dos equipamentos utilizados e meios de comunica¸cão, mas não impõe limite que dependa de precisão.

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1.2 OBJETIVOS

Este trabalho tem como objetivo primário a implementa¸cão de um protocolo de sin-croniza¸cão de relógios entre dispositivos interconectados por meio de redes sem fio e de baixo consumo de energia.

Embora o foco esteja em dispositivos com conexões sem fio de baixo consumo de energia, como redes de sensores sem fio, também é objetivo que os algoritmos desenvolvidos possam ser reutilizados para outros tipos de dispositivos, mesmo que adapta¸cões sejam necessárias.

Documentar as dificuldades encontradas, principalmente relacionadas ao limite de mem´oria, com a solu¸c˜ao ou contorno do problema.

Reproduzir, tanto quanto poss´ıvel, o comportamento especificado na norma de re-ferência para distribui¸cão de tempo, considerando a escolha entre modos de opera¸cão, que dependem das caracter´ısticas do dispositivo em utiliza¸cão. A norma estabelece mo-dos de opera¸cão distintos a serem escolhimo-dos para uso, desta forma, alguns momo-dos podem não ser utilizados e não há necessidade de implementa¸cão para atingir o objetivo do trabalho.

Em contraste aos outros trabalhos listados, este trabalho propõe a utiliza¸cão de um hardware muito restrito em termos de memória e processamento, e acess´ıvel, com a in-ten¸cão de implementar o protocolo de distribui¸cão de tempo com custo baixo, utilizando-se de poucos recursos, mas com uma aplica¸cão funcional.

1.3 METODOLOGIA

Este trabalho baseia-se em uma pesquisa bibliográfica de artigos, normas técnicas, livros, páginas de internet, datasheet’s de componentes e documenta¸cão de programas, seguida de desenvolvimento do tema com implementa¸cão de algoritmos e transcri¸cão em código de programa¸cão.

A linguagem de programa¸cão escolhida para o dispositivo é C, pois oferece um boa inteligibilidade enquanto permite boa intera¸cão com o hardware. Além disso é provavel-mente a linguagem mais aceita por compiladores para dispositivos lógico-programáveis. Para programas de computador, a linguagem escolhida é Object Pascal, porque possui ferramenta que permite compila¸cão em código real (não interpretado) para várias ar-quiteturas de sistemas operacionais ou mesmo de processadores com pouca ou nenhuma adapta¸cão do código fonte.

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1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO

Este trabalho est´a organizado em 6 cap´ıtulos, s˜ao eles e seus respectivos objetivos:

1. Introdu¸cão — Pretende mostrar ao leitor as caracter´ısticas do assunto ambientando-o ao tema, e passar quais são os conhecimentos necessários para entendimento do texto;

2. O Tempo— Descreve o tempo, defini¸cão da escala de medi¸cão, evolu¸cão de modelos de contagem de tempo e registro cronológicos, sistemas utilizados e distribui¸cão de tempo;

3. Dispositivo Utilizado: eZ430-RF2480— Apresenta o dispositivo utilizado para implementa¸c˜ao e testes;

4. Desenvolvimento— Preparativos, implementa¸cão de protocolo de distribui¸cão de tempo, informa¸cões, mensagens que são utilizadas e descri¸cão dos algoritmos; 5. Testes Experimentais e Resultados — Programa¸cão dos dispositivos, descri¸cão

dos testes realizados e seus resultados;

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2 O TEMPO

O tempo é a dimensão pela qual se pode ordenar momentos. Diferentes eventos são ordenados de acordo com o momento que ocorrem. A diferen¸ca entre os momentos é chamada de intervalo de tempo. Um momento não possui dura¸cão, é como um ponto na escala de tempo. O tempo difere de outras dimensões por sua medida ter progressão constante e somente em uma dire¸cão..

A unidade de medida de tempo no S.I. (Sistema Internacional de Unidades) é o se-gundo. Conforme Observatório Nacional (2014) o segundo foi inicialmente definido como 1/86400 do movimento de rota¸cão terrestre. Em 1954, para melhor precisão, foi redefinido como 1/31.556.925,9747 do tempo de um movimento de transla¸cão terrestre, especifica-mente o iniciado em 04/10/1900 às 12:00, porém, nem o movimento de rota¸cão nem o de transla¸cão possuem dura¸cões constantes, ambos apresentam varia¸cões em suas dura¸cões. Desde 1967 o segundo é definido como um número de ciclos de radia¸cão de um isótopo de átomo de césio: “O segundo é a dura¸cão de 9.192.631.770 per´ıodos da radia¸cão cor-respondente à transi¸cão entre dois n´ıveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133.” (OBSERVAT ÓRIO NACIONAL, 2014).

2.1 CONTAGEM DO TEMPO

O calendário administrativo comum é o Gregoriano, assim chamado pois foi estabele-cido pelo papa Gregorius XIII em 1582. Este calendário é uma modifica¸cão do calendário anterior, o calendário Juliano, de Julio Cesar (Gaius Julius Cæsar, 102-44 a.C.). Ambos são calendários solares, ou seja, baseiam-se no movimento do Sol (quando tomamos a Terra como referência). Existem calendários solares, lunares, luno-solares e outros que não tem rela¸cão com astronomia, eles existem para suprir a necessidade do homem de contar a passagem do tempo.

De acordo com Filho e Saraiva (2012), até o ano 46 a.C o calendário romano era luno-solar, cada ano tinha 354 dias e a cada três anos era introduzido um mês a mais para completar a média de 365,25 dias por ano, porém a maneira de se introduzir o 13o

mês era irregular. Então Julio Cesar orientado pelo astrônomo alexandrino Sos´ıgenes (90-? a.C.) introduziu o calendário Juliano. Foram adicionados 67 dias ao então ano corrente para ajustar a época correta do ano às esta¸cões e definido que o primeiro dia do próximo ano seria 1o

de Janeiro. Desta data em diante, deveriam haver 365 dias por ano por três anos seguidos e um quarto ano de 366 dias, o ano bissexto. O Sétimo mês no novo calendário passou a se chamarJulius.

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quantidade de dias de alguns meses foram alteradas e foram omissos os próximos três anos bissextos consecutivos. O oitavo mês passou a se chamarAugustus.

O abade romano Dionysius Exiguus (c.470-544) instituiu o sistema de numera¸c˜ao dos anos atual, d.C. (depois de Cristo), estimando que Cristo havia nascido 527 antes. O ano do nascimento de Jesus Cristo foi designado 1 d.C.

Conforme Filho e Saraiva (2012), em 12 de Mar¸co de 1582 o papa Gregorios XIII publicou, na Inter Gravissimas, um novo calendário, pois a época da Páscoa estava distanciando-se do momento tradicional na esta¸cão da primavera. Era um ajuste ao calendário Juliano. O dia 4 de outubro de 1582 foi seguido do dia 15 de outubro de 1582, e a partir desta data os anos múltiplos de 100 não são mais bissextos exceto se forem também múltiplo de 400.

O ano pelo calendário Gregoriano passou a ter em média 365,2425 dias. O ano tropical (movimento do sol em rela¸cão aos trópicos) possui aproximadamente 365.2422 dias. Deste modo, o calendário ainda carrega uma pequena diferen¸ca que acumula cerca de um dia de erro a cada 3300 anos, um número exato na conta seria 3333 anos, mas os valores são aproximados.

Observa-se que cada mudan¸ca gera algum tipo de confusão e/ou dificuldade. No caso da mudan¸ca para o calendário Juliano, o ano foi estendido, e no caso da mudan¸ca para o calendário Gregoriano, alguns dias foram suprimidos. Além da mudan¸ca do calendário para as pessoas contemporâneas à mudan¸ca, historiadores devem tomar cuidado ao estu-dar acontecimentos de eventos e levar estas mudan¸cas em considera¸cão.

O tempo verbal do parágrafo anterior encontra-se no presente pois quem estuda docu-mentos históricos do per´ıodo relevante encontrará a diferen¸ca nas datas em certos per´ıodos entre pa´ıses com calendários diferentes. Atualmente mesmo em pa´ıses com calendário ofi-cial diferente, o calendário Gregoriano é adotado como administrativo.

A transi¸cão para o calendário Gregoriano em especial é muito problemática, pois encontrou resistência por parte dos pa´ıses protestantes, muitos pa´ıses só aderiram a ele três séculos depois. Em alguns pa´ıses a data, no per´ıodo de transi¸cão, estará registrada diferente de outros. A Inglaterra, por exemplo, aderiu ao novo calendário dois séculos depois da publica¸cão, existindo divergências entre referências em rela¸cão à data correta de ado¸cão do calendário conforme Nørby (2000).

As corre¸cões descritas foram realizadas para resolver dois aspectos na contagem dos anos: sintonia e sincronia. Sincronia trata da diferen¸ca entre duas medidas em um dado momento, e sintonia trata da taxa de mudan¸ca de duas medidas. Um erro de sintonia provoca um escorregamento (drift em inglês, algumas vezes chamado de skew), que causa erro de sincronia. O erro de sincronia aumenta linearmente com a taxa de escorregamento, isto é, se a taxa de escorregamento for constante.

(24)

tamb´em ser corrigido o per´ıodo dos incrementos na contagem (sintonia) para que a ela n˜ao “escorregasse” novamente.

Em micro-controladores, determinar a ordem de eventos em dispositivos distintos pode ser dif´ıcil quando n˜ao imposs´ıvel, devido aos mesmos problemas ocorridos com a contagem dos anos, por´em em escala de tempo menor.

2.2 DISTRIBUIC¸ ˜AO DE TEMPO

O exemplo citado na se¸cão anterior é real, e ilustra, com os anos, a importância de sincronia e sintonia. No caso deste trabalho, estuda-se o tempo em escalas de fra¸cões de segundos.

Eventos que acontecem em ambiente de informática, internet e eletrônica ocorrem em fra¸cões de segundos e podem possuir vários registros de tempo observados por diversos dispositivos. Podem ser eventos que tem necessidade de verifica¸cão de tempo ou que posteriormente devam ser auditados.

O registro correto do tempo neste caso faz parte da seguran¸ca. Em redes de sensores de medidas dinâmicas, o registro do tempo é necessário quando as informa¸cões são arma-zenadas. Mesmo em um sistema que mostre os dados em tempo real, pode interessar o momento da medida, que pode diferir um pouco do momento da leitura.

Ao definir sincronia e sintonia é necessário que exista pelo menos uma referência. Dispositivos devem ser ajustados para reproduzir com a máxima fidelidade poss´ıvel a referência ou mesmo uma outra escala, mas levando-se em conta a referência. Para o pleno uso da capacidade de cada dispositivo, sua respectiva referência deve possuir uma precisão igual ou superior ao mesmo.

2.2.1 Referˆencias de tempo

Algumas referências de tempo importantes descritas por Observatório Nacional (2014) e IEC (2009) são:

• TAI — Tempo atômico internacional, é mantido pelo BIPM (Bureau International des Poids et Mesures - Escritório internacional de pesos e medidas), que considera medi¸cões de centenas de institutos e observatórios localizados em mais de 40 pa´ıses espalhados pelo mundo. Estima-se que o erro do TAI seja menor que 100ns por ano.

(25)

• GPS time — O horário do sistema GPS acompanha o UTC(USNO) módulo um segundo, mas desconsidera ajustes de leap second, o tempo foi sincronizado com o UTC em 1980 e desde então a contagem é cont´ınua. A parte fracionária da diferen¸ca entre o GPS e o UTC foi sempre menor que 100 nano-segundos nos últimos anos.

As referências de tempo possuem representa¸cões em dispositivos locais que sincronizam com dispositivos de n´ıvel superior. O site ntp.br mantém vários servidores que podem servir de fonte de tempo para dispositivos conectados à internet. Estes servidores são sincronizados e distribuem a hora certa para dispositivos que fazem esta solicita¸cão. No site há guias para configura¸cão de alguns sistemas operacionais e roteadores.

Em uma organiza¸cão com muitos dispositivos conectados à internet a melhor forma de manter um horário consistente entre seus dispositivos é manter um servidor de tempo que sincroniza com o ntp.br ou outra fonte de tempo de confian¸ca e fazer os outros dispositi-vos sincronizarem com este servidor. Desta forma a consistência dos horários dentro da organiza¸cão não fica sujeita a varia¸cões de qualidade da conexão com a internet, que cos-tuma ser resultado de muitos fatores e poderia causar erro entre horários de dispositivos diferentes que sincronizassem, cada um, diretamente com servidores externos.

Diferentes aplica¸cões exigem diferentes precisões na sincronia e na sintonia, e a forma de distribuir o tempo pode degradar a medida do tempo conforme a propaga para outros dispositivos. Uma pessoa pode acertar um relógio e conferir sua sincronia até a precisão de segundos, mas seria muito improvável que pudesse acertar ou corrigir sincronia de centésimos de segundos.

Dois dispositivos eletrônicos podem sincronizar-se com uma boa precisão se estiverem diretamente conectados por condutores elétricos, mas nem sempre este é o caso. Dispo-sitivos distantes normalmente são conectados por intermédio de interfaces e o canal de comunica¸cão, que possuem limita¸cões e interferem nos tempos transmitidos entre um e outro.

Com o objetivo de superar os problemas encontrados para se obter sincronia entre dispositivos, são definidos protocolos que detectam e/ou compensam os erros ocorridos ao se realizar a distribui¸cão de tempo entre dispositivos. Alguns protocolos de distribui¸cão de tempo sãodaytime protocol,time protocol, NTP e PTP, os dois últimos conforme Mills et al. (2010) e IEC (2009), respectivamente. Os três primeiros foram ou são muito utilizados em redes ethernet e na internet, e o mais conhecido deles é provavelmente o NTP, utilizado para sincronizar relógios de computadores pela internet.

(26)

determinar o atraso real e realizar as corre¸c˜oes necess´arias.

No protocolo NTP o cliente pode trabalhar com vários servidores e estima o horário médio entre eles e considera a média como sendo o horário correto mais provável. No protocolo PTP cada cliente possui um único servidor de referência de tempo por vez, este pode mudar de acordo com protocolos que analisam periodicamente qual é o melhor servidor para obter o horário, e a sincronia é feita, com a melhor precisão poss´ıvel, para o tempo de servidor.

O PTP especifica, ainda, o ajuste da frequência dos relógios dos dispositivos que o implementam quando várias medidas podem ser comparadas e é detectada uma taxa de escorregamento, desta forma, além da sincronia, é poss´ıvel também fazer as sintonias dos relógios dos dispositivos.

2.2.2 Norma IEC 61588:2009/IEEE 1588-2008

A norma IEC 61588 é a publica¸cão da norma IEEE 1588, do IEEE pelo IEC. Esta norma define o PTP, que possibilita a sincroniza¸cão precisa entre relógios de dispositivos que possuam um canal de comunica¸cão entre si. O comportamento padrão permite a sincroniza¸cão de dispositivos que ingressam em redes sem a necessidade de configura¸cão manual (embora não seja exigência) e o sincronismo de dispositivos de diferentes capaci-dades de precisão com um relógio de referência primário, chamado degrandmaster clock, adiante chamado de relógio grande mestre da rede ou simplesmente grande mestre.

As normas do IEEE são estabelecidas como um consenso em processos de desenvolvi-mento aprovado pela ANSI (American National Standards Institute- Instituto Americano de Padrões Nacionais), e o órgão conta com representantes voluntários de vários setores, pontos de vistas e interesses diferentes para obter o produto final, os voluntários não pre-cisam ser membros e não recebem compensa¸cão. O IEEE não executa testes nem verifica as informa¸cões presentes nas suas normas. Conforme a norma IEEE 1588-2008 foi subme-tida ao IEC para avalia¸cão sob a parceria IEC/IEEE e depois de aprovada foi publicada sob o logo duplo IEC/IEEE, de acordo com as Diretivas ISO/IEC (IEC, 2009).

Esta norma pretende estabelecer um protocolo com métodos para sincronizar dispositi-vos com a m´ınima utiliza¸cão poss´ıvel de recursos de dispositidispositi-vos e sistemas, para aplica¸cão em dispositivos com recursos limitados e permitindo uma sincroniza¸cão em um sistema inteiro com precisão melhor do que 1ms

(27)

O protocolo resultante não depende do tipo do sistema de transmissão de dados nem da tecnologia ou protocolos de n´ıveis inferiores, pois as informa¸cões podem ser encapsuladas em outros pacotes para a transmissão e depois desencapsuladas.

2.2.3 Outros Trabalhos Utilizando a Norma IEC 61588:2009/IEEE 1588-2008

O PTP foi utilizado por Luiz (2012) para sincronizar relógios em medidores de energia utilizando o mecanismo E2E, mas utilizando um RTC em cada nó. Também foi acrescen-tado um algoritmo de deteçcão de latência na sua implementa¸cão do protocolo, espec´ıfico para redes ZigBee. Esta implementa¸cão envolve hardware adicional e consequentemente eleva o custo dos componentes.

Um aperfei¸coamento, para levar em considera¸cão assimetrias nos atrasos dos cami-nhos de rede, é proposto por Lv, Lu e Ji (2010). Depois de uma sincroniza¸cão normal, os autores propõem uma segunda rodada de mensagens, similares às primeiras, para detec-tar e corrigir assimetrias no tempo de propaga¸cão das mensagens. A técnica destina-se à aplica¸cão em redes móveis 3G, em que os dispositivos sincronizados possuem muitos recursos São feitas simula¸cões, mas não há informa¸cões de testes em dispositivos reais.

Uma ponte, para estender a distribui¸cão de tempo entre redes ZigBee e Ethernet é implementada por Cho et al. (2010). A referência de tempo pode estar na rede ZigBee ou na rede cabeada. Entretanto, para a execu¸cão do algoritmo, os autores utilizam um processador RISC de 32 bits nos nós da rede, com consequente aumento de custos.

Em Du, Lu e Ji (2011), é apresentada uma técnica para compensar o efeito de dife-rentes ritmos de contagem de relógios a serem sincronizados. Contudo, o algoritmo não é compat´ıvel com a especifica¸cão da norma IEC 61588:2009/IEEE 1588-2008.

Um sistema h´ıbrido, implementado por Lixia et al. (2011), executa aquisi¸cão de tempo por GPS e distribui¸cão por PTP, para produzir medidas de sincrofasores em um sistema de distribui¸cão de energia elétrica. No entanto, a implementa¸cão foi feita em laboratório com equipamentos experimentais. Não há relatório das dificuldades de uma aplica¸cão em redes sem fio.

Lee, Lee e Hong (2012) propõem um algoritmo de sincroniza¸cão aperfei¸coado para compensar o erro resultante do dinamismo da taxa de dados de sistemas de comunica¸cão sem fio e assim melhorar a precisão do tempo distribu´ıdo. São feitas simula¸cões para verificar a melhoria na sincroniza¸cão de tempo, mas o trabalho não apresenta testes com hardware real.

(28)

3 DISPOSITIVO UTILIZADO: EZ430-RF2480

Dispositivos sem fio possuem energia limitada para operar, proveniente de energia ar-mazenada ouenergy harvesting, que traduzindo literalmente significa colheita de energia, que define a prática com exatidão, porém é mais comum encontrar a forma em inglês.

A norma IEEE 802.15.4 define um protocolo de comunica¸cão sem fio para uso por dispositivos de baixo consumo de energia e baixo poder de processamento, a velocidade de comunica¸cão é menor do que a da norma 802.11, já amplamente conhecida. Com o ob-jetivo de normalizar a compatibilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes surgiu a ZigBee Alliance, em 2002. Conforme ZigBee Alliance ( c2014), a especifica¸cão ZigBee aperfei¸coa a normal IEEE 802.15.4, e estabelece critérios para que dispositivos destina-dos ao mesmo tipo de aplica¸cão possam se comunicar, mesmo que sejam de fabricantes diferentes, baseando-se em perfis para diferentes aplica¸cões.

A especifica¸cão ZigBee possui três tipos de dispositivos: Coordenador, que é res-ponsável por criar a rede, conectar nós filhos e rotear os pacotes que chegam a ele para os destinos corretos; Roteador, que se conecta ao coordenador ou outro roteador, conecta nós filhos e roteia os pacotes que chegam a ele, e Dispositivos Finais, que só se conecta como nó filho do coordenador ou de um roteador. Conforme Texas Instruments Norway AS (2008), cada roteador ou o coordenador podem conectar até 20 dispositivos filhos, sendo que seis deles podem ser coordenadores. A profundidade máxima de hierarquia é de seis dispositivos.

Existem conjuntos de demonstra¸cão prontos, denominados pelos fabricantes como eva-luation kits em inglês, adiante chamados apenas de kits, de dispositivos com comunica¸cão sem fio e baixo consumo de energia de alguns fabricantes, Johnson et al. (2009) faz uma compara¸cão entre alguns desses kits. Incorretamente informa que o kit ez430-RF2480 não possui sensores soldados diretamente à placa, mas há o sensor de intensidade luminosa, que não fica dentro dos chips, e é soldado à placa.

Alguns fabricantes tamb´em possuem ou indicam IDE’s (Integrated Development En-vironment - Ambiente de desenvolvimento integrado) para desenvolver em seus kits, a

Freescale1

conta com oCodeWarrior para desenvolvimento em seus conjuntos, aTI2

pos-sui o Code Composer StudioTM _IDE _{al´em de citar o} _{IAR Embedded Workbench} _da _IAR

Systems, e a Microchip3

, o MPLAB C.

Para este trabalho o kit utilizado é o ez430-RF2480. Ele possui trêstarget boards (pla-cas alvo, adiante denominadas apenas pla(pla-cas), um módulo de comunica¸cão, alimenta¸cão e programa¸cão que se conecta a um computador via porta USB, e dois suportes para um par de pilhas cada (pilhas inclusas no kit). As placas, com superf´ıcie de aproximadamente 2cm

1

Freescale Semiconductor, Inc. hhttp://www.freescale.com/i. 2

Texas Instruments IncorporatedR

. hhttp://www.ti.com/i. 3

(29)

x 3cm possuem o micro-controlador MSP430F2274TM

que será o dispositivo programado, sensor de luminosidade, botão de pressão, chip para comunica¸cão sem fio CC2480TM

, um conector que se sobressai cerca de 3mm longitudinalmente ao eixo maior e componentes externos necessários ao funcionamento. Cada placa pode ser ligada ao módulo de co-munica¸cão/programa¸cão ou a um suporte de pilhas. Tanto o MSP430F2274TM

como o CC2480TM

possuem sensores internos de temperatura e tens˜ao de alimenta¸c˜ao.

Fotografias de uma das placas est˜ao na ilustra¸c˜ao 1, que mostra o lado do micro-controlador MSP430F2274TM

e na ilustra¸c˜ao 2, que mostra o lado do CC2480TM

.

Ilustra¸c˜ao 1: Placa do kit ez430-RF2480, lado do micro-controlador MSP430F2274TM .

Ilustra¸c˜ao 2: Placa do kit ez430-RF2480, lado do CC2480TM .

O micro-controlador MSP430F2274TM

(30)

de portas de uso geral. A conex˜ao entre o MSP430F2274TM

e o CC2480TM

é feita por SPI (Serial Peripheral Interface - Interface serial de periféricos), um tipo de comunica¸cão s´ıncrona em que mais de dois dispositivos podem ser conectados utilizando o mesmo canal, sendo um deles o mestre, que controla a comunica¸cão.

Cada placa já é pré-programada com o programa ZASA (ZigBee Accelerator Sample Application), que exibe o status da rede por meio dos LED’s (Light Emmiting Diode -Diodo emissor de luz) e junto com o softwareeZ430-RF2480 Sensor Monitor, exibe uma rede de sensores de temperatura e tensão de alimenta¸cão medidas em cada placa.

Para funcionamento dos dispositivos com o software do computador, a placa ligada ao módulo de comunica¸cão com USB deve ser a primeira a ser ligada, ela será o coordenador, depois que ela estabelece a rede, as outras placas podem ser ligadas, elas podem assumir condi¸cão de roteador ou dispositivo final.

Na tela do computador, depois de conectado o programa, as placas conectadas à rede sem fio são exibidas. Cada placa tem uma representa¸cão na tela do computador como um c´ırculo, sendo o coordenador rotulado com o texto “SINK” e as outras placas, roteadores e dispositivos finais, com as medidas de temperatura e tensão de alimenta¸cão. Cada dispositivo envia suas medi¸cões em intervalos de 2 segundos.

Tanto o programa eZ430-RF2480 Sensor Monitor quanto o programa ZASA podem ser obtidos por meio do site da TI, na p´agina espec´ıfica do kit4

, sob o subt´ıtulo Software, verificado em 17/12/2013.

Os arquivos de código fonte do eZ430-RF2480 Sensor Monitor são instalados junto ao programa, e para compilá-lo deve-se utilizar o Microsoft Visual Studio C++ Express Edition5

com o Qt6

.

O programa ZASA pode ser baixado para estudo mas isto não é requisito para simples verifica¸cão do funcionamento da rede ZigBee, uma vez que as placas já o possuem em sua programa¸cão. A instala¸cão contém os arquivos de código fonte além do programa compilado gravado em um arquivo .HEX, formato que pode ser diretamente gravado no micro-controlador com a utiliza¸cão do módulo USB e um programa no computador. O código fonte deve ser compilado no IAR Embedded Workbench.

4

hhttp://www.ti.com/tool/ez430-rf2480i 5

Ambiente de desenvolvimento para a linguagem de programa¸c˜ao C++ da Microsoft. 6

(31)

4 DESENVOLVIMENTO

O Desenvolvimento iniciou-se com o estudo do código fonte do ZASA e sua compila¸cão no IAR Embedded Workbench. Porém, na versão de uso sem custo para estudos, há limite de tamanho do arquivo binário compilado, que era atingido mesmo sem modifica¸cão alguma no programa. A IDE serviria apenas para verificar a sintaxe de código. O código foi, então, portado para oCode Composer StudioTM _IDE_{, com modifica¸cões recomendadas}

por Azbell (2009).

Depois da adapta¸cão de três arquivos e a defini¸cão de variáveis globais configuradas para serem passadas diretamente ao compilador no lugar do arquivo .cfg que era utilizado no IAR Embedded Workbench, o ZASA pôde ser compilado sem problemas, apesar de as altera¸cões nos arquivos não serem óbvias por estarem relacionadas com utiliza¸cão de rotinas espec´ıficas da IDE utilizada.

Para modifica¸c˜ao e compila¸c˜ao do eZ430-RF2480 Sensor Monitor foram instalados o

Microsoft Visual Studio C++ Express Edition versão 2008 e o Qt versão 4.7.2. O próprio Qt é compilado durante a instala¸cão.

Porém, tanto o ZASA como oeZ430-RF2480 Sensor Monitor apresentam código fonte de dif´ıcil compreensão, seja por ter uma cadeia profunda e complexa de chamadas ou por simples falta de documenta¸cão, tornando muito dif´ıcil a altera¸cão dos dados que são enviados e exibidos no computador. Razão pela qual decidiu-se criar outros softwares para o micro-controlador e para o computador.

O novo software do micro-controlador tem a fun¸c˜ao de estabelecer e controlar a rede e enviar os dados para o computador, e o do computador, exibir os dados e poder enviar comandos para o dispositivo diretamente conectado.

O objetivo de criar os softwares, que tem funcionalidades parecidas às dos já existentes é facilitar modifica¸cões nos mesmos para alterar suas funcionalidades. Além disso, o novo software torna também mais fácil a compreensão das fun¸cões do micro-controlador e maneiras de implementar comunica¸cão com outros dispositivos.

Parte deste objetivo é atingido separando-se os arquivos de código fonte por fun¸cão que executam, no lugar de agregar todas as fun¸cões em um único arquivo. Os arquivos podem ser adaptados para uso em outros softwares com outras fun¸cões e até mesmo em outros tipos de dispositivos ou plataformas, se tomados os devidos cuidados ao adaptá-los. O software do micro-controlador foi desenvolvido em linguagem C, utilizando o Code Composer StudioTM _IDE _{com o Grace. O Grace é uma plataforma de configura¸cão dos}

dispositivos, ele configura o dispositivo na inicializa¸c˜ao e cria ganchos (hooks) para as interrup¸c˜oes. O depurador desta IDE funciona apenas no Windows,Microsoft WindowsR

, desta forma este sistema foi utilizado at´e que o firmware do MSP430 estivesse pronto.

(32)

La-zarus1

. Esta IDE permite a compila¸cão do mesmo código em sistemas operacionais di-ferentes. Às vezes são necessárias adapta¸cões mas, mesmo assim, o código é portável, removendo a exigência de um certo sistema operacional para o uso da aplica¸cão.

Ilustrando a portabilidade do software de computador, o sistema operacional utilizado no in´ıcio do desenvolvimento foi o Microsoft WindowsR

, por´em, posteriormente, o de-senvolvimento continuou em hardware da AppleR

com sistema operacional Mac OS XR , copiando o c´odigo fonte e prosseguindo com o desenvolvimento. Os testes em laborat´orio foram feitos utilizando o Mac OS XR

.

Os programas e c´odigos-fonte citados podem ser obtidos de Nascimento (2014).

4.1 DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE DE REDE ZIGBEE

O novo software se denomina “Simplified ZigBee Sensor”, abreviado como SZS, por formar uma rede de sensores em rede ZigBee com código mais simples objetivando a fácil compreensão do mesmo, e propriedades e fun¸cões externas que ele utiliza.

A configura¸cão do dispositivo envolve algumas tarefas que podem ser feitas automati-camente com o uso do Grace, como a configura¸cão das freqüências de opera¸cão (clocks -há o clock de alta frequência e o clock de baixa freqüência), configura¸cões dos contadores e watch-dog, das portas de comunica¸cão, fun¸cões dos pinos das portas GPIO (General purpose input and output - entrada e sa´ıda de uso geral), entre outras configura¸cões.

4.1.1 Procedimentos do SZS

As tarefas executadas pelo SZS são o estabelecimento da rede, leitura de sensores e envio de relatórios ao dispositivo configurado para recebê-los.

Quando um dispositivo é ligado, ele faz, durante cinco segundos, uma busca por redes compat´ıveis já criadas. Se nenhuma rede é encontrada, faz nova busca de cinco segun-dos, se novamente nenhuma rede é encontrada ele cria uma rede e é considerado o nó coordenador. No caso de encontrar uma rede, ele faz tentativa de ingresso como roteador. Depois de ligado, o dispositivo pode ser configurado como dispositivo final ou rotea-dor (neste caso, fará a mesma busca descrita no parágrafo anterior) pelo botão ou pela interface serial.

Periodicamente os sensores são lidos e seus valores gravados em memória com estampas de tempo. Se o dispositivo estiver configurado para receber os relatórios da rede, os seus próprios relatórios são gerados e enviados à interface serial, do contrário, se houver na rede dispositivo configurado para receber os relatórios, ele é gerado e enviado ao dispositivo.

1

(33)

Se nenhuma das condi¸cões for atendida nenhum relatório é enviado. Para determina¸cão da topologia, um pacote “heartbeat”2

(cuja tradu¸cão literal é bati-mento card´ıaco) é enviado em modobroadcast, contendo a lista de dispositivos conhecidos e seus ´ındices na lista, assim é poss´ıvel que cada dispositivo possua informa¸cão não so-mente do endere¸co dos vizinho e ´ındices em sua lista, mas também de seu próprio ´ındice nos dispositivos vizinhos, que não necessariamente é igual em cada dispositivo.

Paralelamente, e funcionando como a tarefa de maior prioridade de processamento, há um relógio de software, a partir do qual são geradas as estampas de tempo.

Outras tarefas são o tratamento de mensagens recebidas pela interface serial, o moni-toramento do botão e tratamento de pressionamentos e uma sa´ıda de indica¸cão de status por meio de LED’s.

4.1.2 Unidades do SZS

O software foi dividido em várias unidades, cada uma possuindo uma tarefa espec´ıfica (interface de comandos, driver ou outras) ou agrupamento de tarefas para uma determi-nada fun¸cão. Com algumas exce¸cões citadas adiante, cada unidade possui uma rotina de inicializa¸cão e uma rotina de processamento que deve ser chamada periodicamente. A própria rotina de processamento, ao ser executada, retorna o tempo para o seu próximo agendamento em ms.

Tendo em vista que uma rotina que utilize mais tempo em sua execu¸cão atrasa a execu¸cão das próximas, cada rotina deve utilizar somente o tempo necessário. Mesmo assim, a execu¸cão de rotinas cr´ıticas em termos de periodicidade é separada.

As unidades s˜ao:

• Principal — Controla a execu¸c˜ao das outras unidades;

• ADC — Obt´em os valores dos sensores conectados ao conversor ADC;

• Botão — Executa a¸cões de acordo com pressionamentos do botão;

• Interface com o CC2480TM

— Envia e recebe comandos do CC2480TM

;

• Relógio — Mantém um relógio de software;

• LED — Controla os LED’s da placa;

• Rede — Controla a comunica¸c˜ao com a rede;

• Relat´orio — Cria os relat´orios para serem enviados por rede ou interface serial;

• SPI — Driver para a interface SPI;

• UART — Driver para a interface serial.

O diagrama de uso entre as unidades implementadas, que em linguagem C s˜ao

cha-2

(34)

mados de “includes”, est´a representado na ilustra¸c˜ao 3.

Principal

ADC

Botão

Interface CC2480

Relógio LED

Rede Relatório

SPI

UART

Ilustra¸c˜ao 3: Diagrama de uso entre as unidades do SZS.

As se¸c˜oes a seguir apresentam informa¸c˜oes sobre estas unidades.

4.1.2.1 Unidade principal (main)

Esta unidade controla a execu¸cão de todas as outras unidades. É nela que são fei-tas as chamadas de inicializa¸cão e chamadas periódicas às rotinas de processamento das unidades.

Para separar a execu¸cão de rotinas normais de rotinas de tempo cr´ıtico, o agendamento é verificado para todas as rotinas de processamento normais com chamadas periódicas e de-pois o micro-controlador é colocado em LPM (Low power mode - modo de baixo consumo de energia). Quando o processador sai deste estado, a agenda é verificada novamente, em um processamento c´ıclico.

O LPM é interrompido de acordo com interrup¸cões do timer A. A interrup¸cão também executa rotinas de tempo cr´ıtico. Neste programa a única rotina de tempo cr´ıtico é o avan¸co do relógio. A cada interrup¸cão do timer, a rotina de incremento de tempo do relógio (denominada tick) é chamada, neste programa a cada 250µs, e verifica-se se o micro-controlador deve sair do LPM, o que deve ocorrer a cada 1ms.

4.1.2.2 ADC

A unidade ADC é formada dos arquivos adc.c e adc.h, a rotina de processamento desta unidade é a adc process(). A unidade realiza as medi¸cões dos sensores ligados ao conversor analógico-digital: Luminosidade, temperatura e tensão de alimenta¸cão, sendo os dois últimos sensores internos do micro-controlador. O diagrama de blocos da ilustra¸cão 4 exibe a máquina de estados da unidade.

(35)

determi-ADC_IDLE

ADC_CHARGING_T adc_proccess()

ADC_READING_T adc_proccess()

ADC_CHARGING_V adc_proccess()

ADC_READING_V adc_proccess()

ADC_CHARGING_L adc_proccess()

ADC_READING_L adc_proccess()

adc_proccess()

Ilustra¸c˜ao 4: M´aquina de estados da unidade ADC.

nar quais serão as a¸cões executadas, quanto tempo deve ser o intervalo para o próximo agendamento e definir o próximo estado.

O ADC trabalha com interrup¸cões. Quando a interrup¸cão é recebida, o valores de medi¸cão e estampa de tempo são gravados nas variáveis corretas de acordo com o estado atual. Valores gravados emflags3

indicam quando a medi¸cão foi conclu´ıda de modo que a adc process() pode passar a máquina de estados à etapa seguinte.

4.1.2.3 Bot˜ao

A unidade de controle do botão chama-se button, os arquivos são but.c e but.h, a ro-tina de processamento é a but process(). A unidade conta o número de pressionamentos do botão a partir de um primeiro durante 3,2 segundos, passado este tempo, o valor é armazenado para que na próxima chamada da rotina de processamento a a¸cão adequada seja executada: quatro pressionamentos causam a reinicializarão da placa, dois pressio-namentos a configuram para roteador e um pressionamento a configura para dispositivo final. A máquina de estados representada na ilustra¸cão 5 foi criada para evitar pulos do botão, que poderiam resultar em uma contagem incorreta de vários pressionamentos seguidos.

Mesmo com o controle para evitar pulos, mal contato no bot˜ao pode fazer com que a

3

(36)

BUT_IDLE

BUT_PRESSED but_proccess()

BUT_DEBOUNCE but_proccess()

but_proccess()

Ilustra¸c˜ao 5: M´aquina de estados da unidade button.

contagem fique incorreta. Nota-se que a fun¸cão que muda o estado para BUT S PRESSED é a BUT ISR(), o tratamento de interrup¸cão do botão. Desta forma a but process() não lê o estado do botão diretamente.

4.1.2.4 Interface com o CC2480TM

Esta unidade é destinada à comunica¸cão com o transceptor CC2480TM

, seus arquivos são o cc2480ai.c e cc2480ai.h. A máquina de estados da ilustra¸cão 6 é utilizada para a tomada de decisão de a¸cões em rela¸cão ao CC2480TM

.

CCAI_S_INIT

CCAI_S_POWERUPHOLD ccai_proccess()

CCAI_S_POWERUPWAIT ccai_proccess()

CCAI_S_DORESET ccai_reset()

CCAI_S_RESETHOLD ccai_proccess()

CCAI_S_RESETWAIT ccai_proccess()

CCAI_S_RUNNING ccai_p_sys_reset_ind() Any state

ccai_fullReset()

ccai_reset()

(37)

Ao contrário das maquinas de estado anteriores, não há um ciclo, mas sim um objetivo de atingir o estado final, que deve ser mantido durante o normal funcionamento da placa. Esta unidade não se confunde com a unidade rede adiante, o objetico neste ponto é a transferência de mensagens com o CC2480TM

, e n˜ao a configura¸c˜ao da rede.

A implementa¸cão desta unidade não é completa. Embora possua todas as fun¸cões necessárias a todas as mensagens com o CC2480TM

, somente as fun¸cões pertencentes às interfaces necessárias ao programa são utilizadas. As interfaces utilizadas são destinadas exatamente a tornar mais simples a implementa¸cão. Estão implementadas as interfaces de sistema (SYS Interface), de configura¸cão (Configuration interface) e de API (Applicatoin Programming Interface - Interface de programa¸cão de aplicativo) Simples (Simple API interface). As interfaces cujas fun¸cões não são implementadas são a interface AF (AF interface) e a interface ZDO (ZDO interface).

4.1.2.5 Rel´ogio

A unidade relógio, chamada de clock, contém os arquivos clock.c e clock.h, e não possui uma máquina de estados nem rotina de procedimento, mas possui a rotina cr´ıtica clock tick(). Esta unidade tem como fun¸cão manter um contador que funciona como um relógio que pode ser ajustado, tanto para sincronia como para sintonia. A sincronia é feita ajustando o valor do tempo atual, enquanto que a sintonia é feita ajustando-se o tamanho do passo do relógio.

A fun¸cão clock tick() deve ser chamada em intervalos rigorosamente regulares para que o relógio seja confiável. Se o relógio estiver sob ajuste, a fun¸cão marca como pendente e retorna normalmente, e a rotina que definiu a situa¸cão de ajuste fará a chamada a clock tick() quando chegar ao final. Para o bom funcionamento, o relógio não pode ficar na situa¸cão de ajuste durante um tempo maior do que o per´ıodo entre chamadas à clock tick().

O formato armazenado e de leitura é uma estampa de tempo com duas variáveis, uma para segundos, com 48 bits significativos, e outra para nanossegundos, com 32 bits. A variável de segundos, embora só utilize 48 bits, ocuparia 64 bits internamente no micro-controlador e sua memória se utilizado como um único número, já que não há dispon´ıvel um tipo inteiro de 48 bits, ela foi dividida em duas partes, uma de 32 bits de menor signi-ficância e outra de 16 bits, de maior signisigni-ficância. O tratamento fica mais complexo, mas a economia de memória é suficientemente expressiva: 16 bits para cada valor armazenado.

4.1.2.6 LED

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indica inicializa¸cão ou opera¸cão normal. Os controles de cada led são diferentes entre si.

LED_S_IDLE

LED_S_RUNNING led_proccess()

Ilustra¸c˜ao 7: M´aquina de estados da unidade de controle de led.

O led verde possui duas fun¸cões que controlam um contador de solicita¸cões para ligá-lo, uma fun¸cão incrementa o contador e outra o decrementa, o valor do contador não fica menor que zero e nem maior que 15. Ao atualizar o contador se o valor final deste é diferente de zero, o led é aceso (ligado), do contrário, é apagado (desligado).

O led vermelho conta com uma fun¸cão de configura¸cão, ela determina uma quantidade de vezes que o led pisca e um intervalo depois do qual se repete o procedimento de piscar. O led pisca a uma freqüência de 5 Hz, ficando aceso durante 5ms e apagado durante 195ms.

O tempo que o led fica apagado após estar aceso é contado antes do tempo determinado no intervalo configurado, por exemplo: a configura¸cão inicial é piscar o led 5 vezes, que leva um segundo considerando os 5 ciclos completos aceso/apagado, e um intervalo de 500ms depois de ter piscado, resultando em um per´ıodo total de 1,5s.

Se a quantidade de vezes a piscar é configurada como zero, o led fica desligado e uma vez por segundo a unidade verifica se houve mudan¸ca na configura¸cão. Se o intervalo é configurado como zero, o led pisca continuamente, desde que a quantidade de vezes tenha sido configurada para um número diferente de zero.

Notar que os tempos do led não são controlados com base na unidade clock, mas sim do oscilador interno do micro-controlador, assim sendo, os tempos configurados para o led podem não estar de acordo com a contagem do tempo do relógio.

4.1.2.7 Rede

A unidade de rede (network) possui os arquivos nwk.c e nwk.h, realiza as tarefas do dispositivo como cliente da rede ZigBee e e é uma das mais complexas so SZS. A partir da máquina de estados representada na ilustra¸cão 8 nota-se que várias fun¸cões podem ser chamadas em qualquer estado e definir um estado espec´ıfico, e a fun¸cão nwk wakeUp tem mais de uma op¸cão de estado de destino.

Várias das fun¸cões que executam mudan¸cas de estados dependem de comunica¸cão com o CC2480TM

, que ´e o dispositivo a ser configurado para criar ou ingressar em uma rede ZigBee. Esta unidade configura o CC2480TM

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NWK_S_INIT

NWK_S_SETDEVICETYPE nwk_setDeviceType()

NWK_S_SUSPENDED

NWK_S_CONFIGURE nwk_wakeUp()

NWK_S_START nwk_wakeUp()

NWK_S_RESETWAIT nwk_configureWriteRsp()

nwk_resetResume()

NWK_S_REGISTER

nwk_configureWriteRsp()

nwk_registerRsp()

NWK_S_STARTWAIT nwk_startRsp()

NWK_S_POSTSTARTCONFIGURE nwk_startConfirm()

NWK_S_GETINFO

nwk_configureWriteRsp()

NWK_S_RUNNING

nwk_getDeviceInfoRsp() Any state

nwk_init()

nwk_suspend()

nwk_setDeviceType()

nwk_wakeUp() nwk_resetResume()

nwk_wakeUp()

Ilustra¸c˜ao 8: M´aquina de estados da unidade de rede.

máquina de estados destina-se principalmente a registrar a etapa anterior ao ingresso em uma rede. O estado final, NWK S RUNNING indica o funcionamento normal com a rede configurada. Estando a rede configurada, as transmissões de dados na rede passam por esta unidade, que adiciona os cabe¸calhos corretos quando enviando dados e verifica os cabe¸calhos em uma recep¸cão de dados para encaminhar o pacote à fun¸cão que deve tratá-lo.

Esta unidade mantém uma lista de vizinhos conhecidos. Seu principal uso é o envio de mensagens unicast. A lista é constantemente atualizada por meio de uma mensagem

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4.1.2.8 Relat´orio

Esta unidade, que possui os arquivos rep.c e rep.h n˜ao possui m´aquina de estados. ´

E a unidade mais simples do SZS, sua fun¸cão é gerar relatórios e enviá-los para outros dispositivos ou a porta serial.

A primeira tarefa é enviar um texto para a porta serial durante a inicializa¸cão, um banner de identifica¸cão. A rotina deve ser chamada após a inicializa¸cão desta unidade e da UART, mas é independente da rotina de processamento. Esta rotina em especial tem atrasos de tempo para esperar a libera¸cão do buffer da porta serial para continuar enviando os textos até o final. Assim sendo, não é adequada para uso normal no meio do programa, pois pode tomar muito tempo impedindo o funcionamento correto de outras unidades.

Quando o dispositivo é configurado para receber as mensagens da rede, o relatório é enviado diretamente para a porta serial. Do contrário, se há outro dispositivo configurado para recebê-las, o relatório é enviado a ele. Se não há dispositivo configurado para receber as mensagens de relatório, ele não é gerado.

4.1.2.9 SPI

A unidade SPI é responsável pelo canal de comunica¸cão com o CC2480TM

. Sua máquina de estados, representada na ilustra¸cão 9, controla o estado atual do canal de comunica¸cão. Um único buffer é utilizado tanto para envio quanto para recep¸cão de dados. Ao enviar ou receber uma mensagem, a informa¸cão anterior do buffer é perdida.

De acordo com os parˆametros da comunica¸c˜ao SPI, o MSP430F2274TM

´e configurado como dispositivo mestre (master) e o CC2480TM

como escravo (slave). A comunica¸cão é sempre s´ıncrona no n´ıvel de envio de dados, o dispositivo mestre deve enviar um byte para receber um byte do dispositivo escravo. Quando nenhum dado vai ser transmitido mas o dispositivo deve receber dados, são enviados zeros.

No n´ıvel de mensagens, é poss´ıvel o envio de mensagens s´ıncronas e ass´ıncronas, isto é, mensagens que exigem resposta imediata numa mesma transa¸cão ou que não exigem, respectivamente. As mensagens ass´ıncronas podem ser enviadas em ambos os sentidos, mas as mensagens s´ıncronas são sempre iniciadas apenas pelo MSP430F2274TM

, que ´e o dispositivo mestre.

4.1.2.10 UART

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SPI_INIT SPI_IDLE spi_init() SPI_AREQ_START spi_reqEnd() SPI_SREQ_START spi_reqEnd() SPI_POLL_START SPI_SRDYISR() SPI_AREQ_SENDING SPI_SRDYISR() SPI_AREQ_SENT spi_snd() SPI_SRDYISR() SPI_SREQ_SENDING SPI_SRDYISR() SPI_SREQ_SENT spi_snd() SPI_SREQ_RECEIVING_START SPI_SRDYISR() SPI_SREQ_RECEIVING spi_snd() SPI_SREQ_RECEIVING_OVER spi_snd() SPI_SREQ_RECEIVED spi_snd() spi_snd() spi_snd() SPI_POLL_RECEIVING_START SPI_SRDYISR() SPI_POLL_RECEIVING spi_snd() SPI_POLL_RECEIVING_OVER spi_snd() SPI_POOL_RECEIVED spi_snd() spi_snd() spi_snd() Any state spi_init()

Ilustra¸c˜ao 9: M´aquina de estados da unidade SPI.

Não há máquina de estados, o envio e recep¸cão funcionam continuamente, de forma independente, utilizando um buffer para envio de informa¸cões e outro para recep¸cão.

Os dados podem alimentar os buffers independentemente do processamento dos mes-mos, a única exigência é ter espa¸co suficiente no buffer sendo utilizado para o armaze-namento dos novos dados. Os dados gravados no buffer não são eliminados até serem processados, exceto se a rotina de inicializa¸cão for chamada. Desta forma, os dados po-dem ser gravados nos buffers a uma taxa tão rápida quanto permitida pela configura¸cão da interface.

Os tamanhos dos buffers são 128 bytes para envio e 18 bytes para recep¸cão. Estes tamanhos incluem os bytes de cabe¸calho e de rodapé. Os tamanhos dos buffers podem ser ajustados conforme a necessidade da aplica¸cão e o limite é 256 bytes para cada um ou o limite de memória RAM dispon´ıvel.