DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA
ENGENHARIA ELÉTRICA
ANDRESSA CAROLINNE DEL MONEGO
ESTUDO E APLICAÇÃO DE UMA REDE DE SENSORES SEM FIO
PARA MONITORAMENTO DE AMBIENTES
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA
ESTUDO E APLICAÇÃO DE UMA REDE DE SENSORES SEM FIO
PARA MONITORAMENTO DE AMBIENTES
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do curso de Engenharia Elétrica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de “Engenheiro Eletricista”.
Orientador: Professor Dr. Guilherme Luiz Moritz
CURITIBA
A folha de aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso de Engenharia Elétrica
Estudo e aplicação de uma rede de sensores sem fio
para monitoramento de ambientes
Este Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro Eletricista do curso de Engenharia Elétrica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).
Curitiba, 26 de novembro de 2015.
____________________________________ Prof. Emerson Rigoni, Dr.
Coordenador de Curso Engenharia Elétrica
____________________________________ Profa. Annemarlen Gehrke Castagna, Ma. Responsável pelos Trabalhos de Conclusão de Curso
de Engenharia Elétrica do DAELT
ORIENTAÇÃO BANCA EXAMINADORA
______________________________________ Guilherme Luiz Moritz, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Orientador
_____________________________________ Guilherme Luiz Moritz, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná _____________________________________ Glauber Gomes de Oliveira Brante, Dr. Universidade Tecnológica Federal do Paraná
_____________________________________ Jean Carlos Cardozo da Silva, Dr.
DEL MONEGO, Andressa Carolinne. ESTUDO E APLICAÇÃO DE UMA REDE DE SENSORES SEM FIO PARA MONITORAMENTO DE AMBIENTES. 55 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2015.
O presente trabalho aborda o desenvolvimento de uma rede de sensores sem fio para monitorar ambientes. Para esse fim, determinam-se condições para se utilizar uma rede sem fio de baixa complexidade e que possua eficiência e flexibilidade. Também aborda-se a estruturação de um software para visualizar os resultados obtidos pela rede de monitoramento. A partir desta premissa, foram estudadas neste trabalho, diferentes tecnologias sem fio e comparadas com as redes ZigBee, para enfatizar a sua escolha. Em seguida, apresenta-se a topologia de rede escolhida para este projeto, como também a utilização do Microsoft Visual Studio e a linguagem de programação C# como alternativa de implementação do software. Também demonstra-se a escolha de demonstra-sensores de temperatura e umidade DHT11 para a validação do conceito de monitoramento da rede implementada. A arquitetura da rede conta com a utilização de um banco de dados e a placa Tiva Launchpad C Series para coordenar esta rede, assim como módulos Wireless CC2530 para fazer a comunicação entre os nós, utilizando a tecnologia ZigBee.
DEL MONEGO, Andressa Carolinne. . 55 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2015.
This present paper discusses the development of a wireless sensor network to monitor environments. For this, there were certain conditions to use a wireless network as a low complexity, efficiency and flexibility. It also approaches the structuring of a software to view the results obtained by monitoring network. From this premise, it will be seen in this work different wireless technologies and compared with the ZigBee networks, to emphasize their choice. Then shows the network topology chosen for this project, as well as the use of Microsoft Visual Studio and the C programming language C# as an alternative to software implementation. Also, it shows the choice of temperature and humidity sensors DHT11 for practical monitoring of this generic network. The network architecture includes the use of a database and a Tiva Launchpad Series C to coordinate this network, as well as Wireless module CC2530 to communicate between nodes using ZigBee technology.
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FIGURA 1 Escopo da distribuição das redes sem fio: Alcance vs. Taxa de Dados. Adaptado de Baker(2005). . . 9 –
FIGURA 2 Diferentes topologias de uma rede ZigBee. Adaptado de Faludi (2010). . . 12 –
FIGURA 3 Esquema de uma picorrede Bluetooth. Adaptado de: Kurose (2010). . . 13 –
FIGURA 4 Estrutura da rede de sensores e seus componentes. . . 15 –
FIGURA 5 Ilustração de uma placa Tiva C Series TM4C123G LaunchPad. Adaptado de Texas (2013). . . 17 –
FIGURA 6 Módulo Wireless CC2530 e seus principais componentes. Adaptado de Texas (2009a). . . 18 –
FIGURA 7 Diagrama de blocos do software - arquitetura e classes. . . 20 –
FIGURA 8 Aba de opções da rede. . . 22 –
FIGURA 9 Aba de visualização do gráfico - aspecto 3D e visualização da série de dados. . . 22 –
FIGURA 10 Projeto de nível 1: Mensagem de atualização do gráfico. . . 23 –
FIGURA 11 Mensagem de informações que pode ser acessada pelo usuário. . . 24 –
FIGURA 12 Popup Menu para salvar o gráfico em um diretório desejado pelo usuário. 25 –
FIGURA 13 MessageBox com o diretório em que o arquivo foi salvo. . . . 25 –
FIGURA 14 Aba de informações da rede. . . 26 –
FIGURA 15 Placa SMARTRF05 acoplada ao hardware de implementação dos rádios. 27 –
FIGURA 16 Nós sensores acoplados com sensor de temperatura DHT11 e o módulo de rádio. . . 30 –
FIGURA 17 Soma de verificação utilizada pelo Tiva para determinar e interpretar os dados de temperatura e umidade. . . 31 –
FIGURA 18 Comunicação geral entre o microcontrolador e o sensor DHT11. Fonte: Adaptado de (D-ROBOTICS, 2010). . . 32 –
FIGURA 19 Detalhes iniciais da comunicação entre o sensor DHT11 e a placa Tiva C. Fonte: Adaptado de (D-ROBOTICS, 2010). . . 32 –
FIGURA 20 Detalhes iniciais da transferência de dados entre o sensor DHT11 e a placa Tiva C - situação de bit "0". Fonte: Adaptado de (D-ROBOTICS, 2010). . 33 –
FIGURA 21 Detalhes iniciais da transferência de dados entre o sensor DHT11 e a placa Tiva C - situação de bit "1". Fonte: Adaptado de (D-ROBOTICS, 2010). . 33 –
FIGURA 22 Registro da interrupção dentro do arquivo TI-RTOS. . . 34 –
FIGURA 23 Aquisição do osciloscópio do sinal inicial de comunicação. . . 35 –
FIGURA 24 Aquisição do osciloscópio do trem de pulso resposta do sensor DHT11. . . 35 –
FIGURA 25 Aquisição do osciloscópio dos pulsos com duração de 71.6µs. . . 36 –
FIGURA 26 Aquisição do osciloscópio dos pulsos com duração de 23.6µs. . . 36 –
FIGURA 27 Esquema da Sala- Situação dos sensores. . . 38 –
FIGURA 28 Instalação dos sensores no laboratório A-307 (LABSC) para as medições. 39 –
FIGURA 29 Aba de configurações com filtro de banco de dados através do usuário. . . . 40 –
FIGURA 30 Gráfico do perfil de temperatura durante todo o dia 11 de novembro de 2015. . . 41 –
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FIGURA 33 Gráfico do perfil de umidade durante todo o dia 12 de novembro de 2015. 42 –
FIGURA 34 Variação do perfil de temperatura das 21 horas às 21 horas e 59 minutos do dia 11 de novembro de 2015. . . 44 –
FIGURA 35 Variação do perfil de temperatura das 8 horas às 8 horas e 59 minutos do dia 12 de novembro de 2015. . . 45 –
FIGURA 36 Variação do perfil de umidade entre às 21 horas e 21 horas e 59 minutos do dia 11 de novembro de 2015. . . 46 –
FIGURA 37 Variação do perfil de umidade entre às 8 horas e 8 horas e 59 minutos do dia 12 de novembro de 2015 . . . 46
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TABELA 1 Diferenças de o padrão ZigBee e o padrão Bluetooth. . . 13 –
TABELA 2 Características dos padrões de rede 802.11. . . 14 –
TABELA 3 Esquema de ligação dos pinos do CC2530 com a placa EK-TM4C123GXL. 28 –
TABELA 4 Esquema de ligação entre a placa Tiva e o Sensor de Temperatura e Umidade DHT11 . . . 29 –
TABELA 5 Especificações detalhadas sobre as características de medição do sensor DHT11 (D-ROBOTICS, 2010). . . 37
bps BPSK CSMA/CA FFD GPIO GSM IEEE LAN LQI MAC MAN O-QPSK PC PDA PHY PAN RSSF UTFPR WAN Wifi
bits por segundo
Binary phase-shift keying
Carrier sense multiple access with collision avoidance Full Funtion Device
General Purpose Input/Output
Global System for Mobile Communications
Institute of Electrical and Electronics Engineers Local Area Network
Link Quality Indicator
Medium Access Control
Metropolitan Area Network
Offset quadrature phase-shift keying Personal Computer
Personal Digital Assistant Physical Layer
Personal Area Network
Rede de Sensores sem Fio
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Wide Area Network
1 INTRODUÇÃO . . . 5 1.1 TEMA . . . 5 1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA . . . 5 1.3 PROBLEMAS E PREMISSAS . . . 5 1.4 OBJETIVOS . . . 6 1.4.1 Objetivo Geral . . . 6 1.4.2 Objetivos Específicos . . . 6 1.5 JUSTIFICATIVA . . . 6 1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS . . . 7 1.7 ESTRUTURA DO TRABALHO . . . 7
2 REDES SEM FIO . . . 8
2.1 COMUNICAÇÃO SEM FIO . . . 8
2.2 REDES ZIGBEE . . . . 9 2.2.1 Dispositivos de rede . . . 10 2.2.2 Topologias de Rede . . . 11 2.3 BLUETOOTH . . . 12 2.4 WIFI . . . 14 3 CARACTERÍSTICAS DO HARDWARE . . . 15 3.1 ESTRUTURA DA REDE . . . 15
3.2 DESCRIÇÃO DOS COMPONENTES DA REDE . . . 16
3.2.1 TM4C 123G - Tiva Launchpad C Series . . . 16
3.2.2 Wireless Module CC2530 . . . 17
3.3 DESCRIÇÃO DO SISTEMA . . . 18
4 IMPLEMENTAÇÃO DO SOFTWARE . . . . 19
4.1 DETERMINAÇÃO DOS NÍVEIS DE IMPLEMENTAÇÃO . . . 19
4.2 RECURSOS DA LÓGICA BASE - PROJETO NÍVEL 0 . . . 20
4.3 RECURSOS DA INTERFACE - PROJETO NÍVEL 1 . . . 21
4.3.1 Aba 1 - Opções da rede . . . 23
4.3.2 Aba 2 - apresentação do gráfico e dos dados . . . 24
4.3.3 Aba 3 - informações pertinentes da rede . . . 26
5 IMPLEMENTAÇÃO DO HARDWARE . . . 27
5.1 CARACTERÍSTICAS DA REDE . . . 27
5.2 CARACTERÍSTICAS DE COMUNICAÇÃO . . . 28
5.3 TIPOS DE PACOTES EXISTENTES . . . 28
5.4 IMPLEMENTAÇÃO DO SENSOR DE TEMPERATURA E UMIDADE . . . 29
5.5 ROTINA DE VERIFICAÇÃO - CHECKSUM . . . 30
5.6 FUNCIONAMENTO ELETRÔNICO DO SENSOR DHT11 E ADEQUAÇÃO DO SISTEMA DE MEDIÇÃO AO SISTEMA DE COMUNICAÇÃO. . . 31
5.6.1 Característica Eletro-Eletrônica do envio do sinal . . . 31
5.6.2 Adequação do programa para a leitura e envio de dados . . . 34
6.1 MEDIÇÃO NO LABORATÓRIO A307 (LABSC-UTFPR) . . . 38
6.1.1 Resultados da Medição no LABSC . . . 40
6.2 APLICAÇÕES EM TRABALHOS FUTUROS DA REDE ZIGBEE DE TEMPERATURA E UMIDADE . . . 47
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS . . . 48
REFERÊNCIAS . . . 50
Apêndice A -- MENSAGENS UTILIZADAS PELO PROTOCOLO . . . 52 Apêndice B -- ROTINA DE PROGRAMAÇÃO DE RECEBIMENTO DO BUFFER . 54
1 INTRODUÇÃO
1.1 TEMA
As redes de sensores sem fio (RSSF) vêm crescendo e evoluindo rapidamente, viabilizando novos serviços de comunicação e monitoramento em diferentes áreas de atuação. Rede de sensores são caracterizadas por um conjunto de nós de sensores, aplicados em um ambiente físico para coleta e monitoramento de dados. São capazes de monitorar grandes áreas, apresentam grande atrativo em aplicações em larga escala e monitoramento em tempo real devido a possibilidade de gerar grande quantidade de dados monitorados (MITTAL; BHATIA, 2010). A aplicação de RSSF hoje pode ser feita em diversos campos de atuação como: agricultura, pecuária, mineração, processamento de informação, entre outros (LOUREIRO, 2006).
Na atualidade, as redes sem fio são utilizadas para monitorar variáveis como pressão barométrica, temperatura, umidade atmosférica, direção dos ventos e monitoramento hidrológico (YE et al., 2009). O uso de RSSF chama atenção por ser capaz de fazer medições e transmissão de dados coletados a partir de ambientes afastados e sem acesso a internet (YE et al., 2009; SANCHEZ, 2006). Como proposta de aplicação para este trabalho, pretende-se desenvolver uma rede para monitoramento de temperatura e umidade.
1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA
O presente trabalho propõe o estudo de uma rede de sensores para monitoramento de umidade e temperatura de um ambiente. Também será implementado um software para analisar os dados monitorados.
1.3 PROBLEMAS E PREMISSAS
A RSSF pode ser aplicada em diversas áreas, portanto, é um sistema versátil de monitoramento e coleta de dados em tempo real. Pode-se monitorar a temperatura, pressão barométrica, umidade relativa do ar, concentrações de compostos em ambientes hidrológicos,
velocidades dos ventos, entre outros. O uso de RSSF é interessante para atingir regiões que necessitam de exploração em lugares remotos e de difícil acesso (YE et al., 2009), como também para melhorar a visualização destas variáveis através de interfaces gráficas. Devido a esta procura pela eficiência e a facilidade de monitorar em tempo real variáveis ambientais, propõe-se construir uma RSSF para monitorar temperatura e umidade em diferentes ambientes e também introduzir um software para a visualização gráfica dos dados obtidos por este hardware. Nas seções seguintes, os objetivos gerais e específicos são apresentados para o melhor entendimento deste Trabalho de Conclusão de Curso.
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 OBJETIVO GERAL
Estudar e implementar um método de aplicação de uma rede de sensores sem fio e aplicá-la para monitoramento de variáveis em um ambiente.
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Identificar a aplicabilidade de sensores sem fio no monitoramento de variáveis em um ambiente através de levantamento bibliográfico;
• Estudar as topologias de rede sem fio e optar pela que melhor atende as necessidades da rede proposta;
• Construir um hardware capaz de monitorar os dados de temperatura e umidade;
• Explorar um software para visualização e armazenamento das variáveis estudadas.
1.5 JUSTIFICATIVA
Atualmente os sistemas de monitoramento vêm se mostrando necessários na indústria por diversos fatores. A obtenção de processos cada vez mais refinados, gerou a necessidade de monitorar as variáveis de maneira autônoma, podendo substituir a mão de obra por um sistema automatizado capaz de adquirir dados e manipulá-los de acordo com as necessidades do usuário. O uso da RSSF para monitorar dados proporciona autonomia e segurança através da possibilidade de um sistema 24 horas, utilizando a rede móvel que alimenta os sensores. Dessa forma, pode-se acompanhar os dados adquiridos agregando-os com softwares de tratamento e análise.
1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Na primeira etapa, pretendeu-se construir uma RSSF capaz de monitorar temperatura e umidade em ambientes de diferentes características. O protocolo de comunicação a ser utilizado para este trabalho foi cedido pelo aluno Lucas Eduardo Ribeiro. Este protocolo estudado por ele em sua iniciação científica serviu como base para o adequação utilizada pelo hardware proposto. Em seguida, foi criado um software para receber, manipular e reproduzir os dados coletados de todo o ambiente na forma de gráficos. Esses gráficos são agrupados por média de minutos, horas ou dias para que o usuário consiga visualizar mudanças ocorridas durante o período de análise desejado. Os dados são coletados através de sensores de temperatura e umidade e apresentados no software através dos gráficos. Este software possibilita ao usuário a visualização do status da rede. O software será programado em C# e a interface gráfica foi construída no programa Microsoft Visual Studio.
1.7 ESTRUTURA DO TRABALHO
No primeiro Capítulo foi abordada uma introdução aos estudos sobre RSSF, a motivação para este trabalho, os objetivos a serem alcançados e metodologia a ser utilizada. No segundo Capítulo serão apresentadas algumas tecnologias de redes sem fio, enfatizando o modelo ZigBee, motivando a sua escolha. No terceiro Capítulo apresenta-se o modelo de hardware e todos os materiais a serem utilizados, bem como a sua arquitetura e disposição.
No quarto Capítulo são apresentadas as características que englobaram a criação do software proposto. De forma análoga, é apresentado o banco de dados escolhido e seu uso em conjunto com o software que o acompanha. O quinto Capítulo é destinado à caracterização do protocolo utilizado para o envio de dados através dos rádios. Apresenta-se as adequações do mesmo para o agrupamento com o sistema de aquisição de temperatura e umidade e a prova conceitual do funcionamento dos sensores utilizados. No sexto Capítulo é apresentada a validação do hardware e do software através de um teste feito nas dependências da UTFPR, propondo a aplicação da rede. Finalmente, no Capítulo sete apresentou-se as conclusões da análise sobre os resultados obtidos, as considerações finais do trabalho e sugestões para trabalhos futuros.
2 REDES SEM FIO
As redes sem fio apresentaram um crescimento significativo nos últimos anos, sendo o Wifi e o Bluetooth os mais difundidos na atualidade (MONSIGNORE, 2007). Como objetivo teórico deste capítulo, foram determinados alguns requisitos a serem atendidos como: baixa latência, otimização do uso de energia e implementação de redes de elevado número de dispositivos e baixa complexidade de nós. Serão abordados, também, diferentes protocolos de rede sem fio como Wifi, ZigBee e Bluetooth, com o propósito de justificar a utilização do padrão ZigBee neste presente trabalho.
2.1 COMUNICAÇÃO SEM FIO
Atribui-se à comunicação sem fio a definição de um sistema de comunicação onde ondas eletromagnéticas carregam sinais sobre um trajeto, ou parte dele, sem a utilização de um meio físico cabeado, utilizando, por exemplo, o ar, meio aquático ou até mesmo o espaço (JINDAL et al., 2005). Para definir os diferentes padrões de comunicação sem fio, deve-se apresentar algumas características principais sobre esta redes de comunicação, referente ao alcance de cada padrão de rede (MONSIGNORE, 2007):
• Personal Area Network: Redes PAN são redes de curto alcance, da ordem de apenas alguns metros. Possui como padronização o modelo IEEE 802.15 (MONSIGNORE, 2007);
• Local Area Network: Redes LAN são redes de curto alcance, porém pode alcançar a ordem de dezenas de metros. Possui como padronização o modelo IEEE 802.11 (MONSIGNORE, 2007);
• Metropolitan Area Network: As redes MAN apresentam alcance na ordem de dezenas de quilômetros. Possui como padronização o modelo IEEE 802.16 (MONSIGNORE, 2007);
• Wide Area Network: As redes WAN se propõem a abranger em um contexto global. Um exemplo desta são as redes GSM (Global System for Mobile Communications). Possui como padronização o modelo IEEE 802.20 (MONSIGNORE, 2007);
• Redes ad hoc: Redes ad hoc são redes que não possuem infra-estrutura. São compostas basicamente por dispositivos móveis ou sem fio, que através de sua mobilidade podem entrar e sair da rede de maneira aleatória. São geralmente designadas como pontos de acesso (MONSIGNORE, 2007).
Na Figura 1 apresentam-se algumas redes sem fio utilizadas atualmente, comparando o alcance com a taxa de dados de cada rede.
Figura 1: Escopo da distribuição das redes sem fio: Alcance vs. Taxa de Dados. Adaptado de Baker(2005).
2.2 REDES ZIGBEE
Devido a necessidade de criar um protocolo capaz de seguir a padronização de rede PAN alimentada a bateria, as redes ZigBee surgiram e são complementares a norma do IEE 802.15.4 (MALAFAYA et al., 2005). As especificações definem as camadas de aplicação e rede, operando dentro da especificação de MAC (Medium Access Control ou Controle de Acesso ao Meio) e PHY (Camada física do modelo OSI) do 802.15.4, como também o serviço de segurança entre as redes (MALAFAYA et al., 2005). Pode-se citar duas características importantes para este estudo, que são:
• 2,4 GHz e taxa de 250 KB/s (para operação de uso geral com modulação O-QPSK (Offset quadrature phase-shift keying);
• 915 MHz e taxa de 40 KB/s (para operação de nível continental-América Latina e Austrália, modulação BPSK (Binary phase-shift keying);
• 868 MHz com taxa de 20 KB/s (para operação de nível continental-Europa, modulação BPSK).
2. Possui alcance de até 150 metros.
Nas seções subsequentes, serão apresentadas as características de uma rede ZigBee. Serão classificados os componentes como: coordenadores, roteadores e dispositivos finais responsáveis pela estruturação das topologias existentes na atualidade.
2.2.1 DISPOSITIVOS DE REDE
As redes ZigBee possuem três tipos de dispositivos. O coordenador é o responsável pela distribuição de endereços e formação da rede, assim como pela segurança e formação da mesma como um todo, podendo haver apenas um único coordenador dentro de uma única topologia (FALUDI, 2010). O dispositivo que assume esse papel é considerado um dispositivo de classe FFD (Full Function Device) (MALAFAYA et al., 2005). O roteador é o dispositivo de comunicação dentro de uma RSSF ZigBee. Ele possibilita passagem de informações participando de redes existentes, como também, recebe informações de rota. São dispositivos que necessitam estar sempre ligados, por isso são fixos em locais onde podem ser conectados à rede elétrica (FALUDI, 2010). Porém, os roteadores também são capazes de atuar como um interlocutor intermediário entre diferentes nós, sem a intervenção de um coordenador. Assim como o anterior este também é um dispositivo FFD (MALAFAYA et al., 2005).
Por sua vez, os endpoints ou end devices, assim como o roteador são também dispositivos de comunicação, porém com funções reduzidas do mesmo. São capazes apenas de enviar e receber informações. Estes dispositivos não agem como mensageiros entre nós, o que ocasiona em uma economia significativa de energia, podendo entrar em modo standby quando não estão sendo utilizados (FALUDI, 2010). Este tipo de dispositivo necessita de um coordenador ou um roteador para que consiga acessar a rede. Assim, podem entrar em modo dormência quando não estiverem sob utilização, pois o coordenador ou roteador, que são considerados seu dispositivo pai, armazenam suas informações coletadas durante seu tempo de atividade na rede. Não há restrição quanto ao número destes dispositivos lógicos em uma
rede ZigBee (FALUDI, 2010). Devido a esta característica, os end devices são considerados dispositivos RFD (Reduced Function Device) (MALAFAYA et al., 2005).
2.2.2 TOPOLOGIAS DE REDE
Uma tecnologia Zigbee apresenta algumas topologias que compõem uma rede, podendo ser arranjada em pares (pairs), estrela, árvore (cluster tree) e malha (mesh). Em uma rede em estrela, o coordenador está conectado diretamente com os dispositivos finais (end devices), dessa forma toda a informação que circula na rede passa pelo coordenador da mesma. Dentre todas as topologias, redes organizadas na topologia estrela são as que possuem menor alcance, pois os dispositivos não permitem conexão com o coordenador e o roteador ao mesmo tempo (MACEDO, 2010).
Em um arranjo em malha a comunicação da rede se desloca a partir do centro. Os dispositivos podem se comunicar com qualquer dispositivo dentro da rede, desde que esteja em seu alcance. Segundo o autor Macedo (2010), o tráfego de rede pode circular entre outros roteadores caso um deles falhe, tornando a rede mais confiável. O arranjo árvore é uma variação da topologia em malha. O coordenador da rede se liga com diferentes roteadores, proporcionando comunicação entre eles. A extensão da rede pode ser feita apenas adicionando-se novos roteadores. Se um roteador falhar, a rede ZigBee irá estabelecer um novo caminho para a passagem dos pacotes (MACEDO, 2010). Na Figura 2 apresenta-se algumas topologias que a rede ZigBee pode assumir.
Figura 2: Diferentes topologias de uma rede ZigBee. Adaptado de Faludi (2010).
Fundamentando-se nas informações apresentadas nessas seções, a topologia escolhida para ser utilizada nesse trabalho será a topologia estrela, pois satisfaz as condições necessárias para aplicação proposta.
2.3 BLUETOOTH
Redes Bluetooth são especificadas pela norma da IEEE 802.15.1. Possuem como característica operar com baixo custo, baixa potência e curta faixa de operação (KUROSE; ROSS, 2010). Esta tecnologia é abordada por Kurose (2010) como uma tecnologia que substitui o meio cabeado entre dispositivos, podendo conectar laptops, celulares, PDAs e outros aparelhos periféricos através do ar. Redes Bluetooth operam em faixa de radio de 2,4 GHz. Este tipo de rede é caracterizada por uma rede ad hoc, ou seja, não é preciso existir estrutura de rede (pontos de acesso de rede) para interconectar dispositivos Bluetooth, organizando-se de maneira autônoma (KUROSE; ROSS, 2010). As redes 802.15.1 são organizadas através de picorredes (ou piconet), que são pequenos agrupamentos de rede, com no máximo oito dispositivos ativos em uma mesma picorrede (contando com o nó mestre) (KUROSE; ROSS, 2010). A Figura 3 apresenta um esquema de uma picorrede Bluetooth 802.15.1.
Figura 3: Esquema de uma picorrede Bluetooth. Adaptado de: Kurose (2010).
Em uma picorrede a hierarquia é basicamente organizada através do comportamento mestre e escravo, onde um nó assume a característica de mestre da rede, enquanto os outros nós são denominados seus escravos. Cada picorrede pode possuir 255 dispositivos estacionários, mas só podem transmitir se o nó mestre ordenar sua atividade (KUROSE; ROSS, 2010).
Na Tabela 1 observam-se comparações sobre os dois padrões de rede 802.15.
Tabela 1: Diferenças de o padrão ZigBee e o padrão Bluetooth.
Característica ZigBee Bluetooth
Alcance projetado (Kits especiais ou ambiente externo)
10 a 100 metros até 400 metros 10 metros acima de 100 metros Taxa de transmissão 20 a 250 kbps 1 Mbps Latência (típica) Inserção de novo escravo
Mudança de estado do escravo: sleep para ativo.
30 ms 15 ms 15 ms 20 s 3 s 2 ms
Perfil de Alimentação (Bateria) Anos
Requer alimentação do escravo otimizada
Dias
Funcionalidades Adhoc maximizadas
Segurança 128 bits AES e definível na camada de aplicação do usuário 64 bits e 128 bits
Frequência de Operação 868 MHz, 902-928 MHz
2,4 GHz ISM 2,4 GHz ISM
Complexidade Simples Complexo
Topologias de Rede Adhoc, estrela, malha híbrida Adhoc em picorredes
Número de dispositivos por rede 2 a 65.000 8
Escalabilidade / Extendabilidade Muito alta / sim Baixa / não
Flexibilidade Multo Alta Média (depende do perfil)
Elasticidade e confiabilidade Muito Alta Média
2.4 WIFI
Apesar das variações todos os padrões de rede 802.11 utilizam do mesmo protocolo de acesso ao meio: o CSMA/CA (Acesso múltiplo por verificação de portadora com anulação/prevenção de colisão). É na verdade um método de transmissão onde em cada estação, o canal passa por uma varredura, sendo assim, o nó se abstém de enviar informações quando o canal se encontra ocupado (KUROSE; ROSS, 2010). Para apresentar de maneira simplificada as variações do padrão 802.11, a Tabela 2 apresenta as faixas de operação em frequência e a taxa de dados destes padrões.
Tabela 2: Características dos padrões de rede 802.11.
Padrão Faixa de operação em frequência (GHz) Taxa de dados (Mbps)
802.11a 2,4 - 2,485 até 11
802.11b 5,1 - 5,8 até 54
802.11g 2,4 - 2,485 até 54
802.11n 2,4 - 5 288,9 ou 600
Fonte:(KUROSE; ROSS, 2010).
A Tabela 2 foi adaptada para apresentar também os valores referência para o padrão 802.11n (HOLT; HUANG, 2010), que atualmente está sendo amplamente utilizado. Este padrão de rede opera em ambas as faixas de operação, tanto em 2,4 GHz quanto em 5,8 GHz (HOLT; HUANG, 2010). A grande desvantagem do protocolo 802.11 segundo Monsignore (2017) é o alto consumo de potência quando comparado com os demais protocolos apresentados, sendo inviável para a utilização de sensores.
Uma vez que o padrão de rede Wifi é mais complexo e com maior taxa de dados do que realmente demanda uma rede de sensoriamento, optou-se em não utilizar esta metodologia. Comparando os padrões ZigBee e Bluetooth é possível perceber certa vantagem do padrão ZigBee, como a sua maior flexibilidade, menor complexidade na estruturação e um maior alcançe projetado, de acordo com a Tabela 1. Este fato influenciou a escolha deste para a construção do hardware que foi apresentado nesse trabalho.
3 CARACTERÍSTICAS DO HARDWARE
O protocolo 802.15.4 descreve um padrão de comunicação de dados sem fio, com baixo consumo, bidirecional e de curto alcance (MACEDO, 2010). Neste capítulo serão abordadas as especificações de hardware do padrão ZigBee, como sua arquitetura, sua estrutura e endereçamento de pacotes.
3.1 ESTRUTURA DA REDE
Como visto no Capítulo 2, a topologia escolhida para a construção da rede de sensores foi a topologia em estrela. Esta apresenta simplicidade quando se necessita de poucos nós, retira a dependência de roteadores para manter a comunicação entre os coordenadores e os end devices mais distantes(FALUDI, 2010). O esquema da rede escolhido para este trabalho está apresentado na Figura 4.
Nas seções subsequentes serão apresentadas as descrições dos componentes, da topologia da rede e os requisitos de funcionamento que serão aplicados neste trabalho.
1. PC (Personal Computer)
O PC representa na rede o banco de dados e a interface do software que será desenvolvido. Através deste dispositivo será possível acessar os dados coletados pelos sensores que serão armazenados em um banco de dados.
2. Coordenador
O coordenador da rede, como visto no Capítulo 2, é o responsável por enviar comandos para os end devices. O coordenador será composto por uma placa TM4C 123G (Tiva Launchpad C Series) e um módulo Wireless CC2530.
3. Comunicação
A comunicação será sem fio de acordo o padrão ZigBee citado no Capítulo 2. Para que a comunicação seja feita entre os nós da rede, todos deverão conter um módulo CC2530. A conexão pode ser estabelecida e o coordenador pode enviar as ordens aos nós e receber os dados que foram coletados. Para programar os módulos CC2530 foi utilizada da placa base SMARTRF05 da Texas Instruments.
4. End Devices
Os end devices foram compostos por um módulo CC2530 para realizar a comunicação entre os nós e o nó coordenador e uma placa Tiva Launchpad 123G. Cada end device contém também um sensor de temperatura e umidade DHT, podendo ser o sensor DHT11 ou DHT22.
3.2 DESCRIÇÃO DOS COMPONENTES DA REDE
Nesta seção serão descritos todos os componentes eletrônicos que foram utilizados para a construção da rede de sensores proposta nesse Trabalho de Conclusão de Curso.
3.2.1 TM4C 123G - TIVA LAUNCHPAD C SERIES
É uma placa microcontroladora de baixo custo que utiliza a platforma de avaliação ARM®Cortex™-M4F. É uma placa com múltiplas entradas e saídas GPIO (General Purpose Input/Output), frequência de 80 MHz e memória SRAM (Static Random Access Memory)
de 32 KB. É utilizada em aplicações como: controlar componentes de baixa potência ou dispositivos portáteis inteligentes, sistemas de monitoramento residencial e comercial, controle de movimento, instrumentação médica, equipamentos de teste e medição, automação de fábrica, transporte e controle de iluminação (TEXAS, 2014). Sua procura é dada devido ao baixo custo da placa, sua eficiência satisfatória, apresentar-se em uma placa compacta e seu foco em economia de energia (TEXAS, 2013). A Figura 5 representa uma placa TM4C 123G com todas as suas funcionalidades disponíveis.
Figura 5: Ilustração de uma placa Tiva C Series TM4C123G LaunchPad. Adaptado de Texas (2013).
3.2.2 WIRELESS MODULE CC2530
O CC2530 é um módulo de radiofrequência equipado com um cristal de 32 MHz. Apresenta também componentes passivos externos para o filtro e um conector SMA (SubMiniature version A) para a antena ou qualquer outro instrumento de ligação de radiofrequência. Apresenta entradas de IO para conexão física com placas micro controladas (TEXAS, 2009). Na Figura 6 demonstra-se um módulo wireless CC2530 com os seus principais componentes.
Figura 6: Módulo Wireless CC2530 e seus principais componentes. Adaptado de Texas (2009a).
3.3 DESCRIÇÃO DO SISTEMA
O sistema idealizado para este trabalho possui como característica ser uma rede que utiliza tecnologia ZigBee, para estruturação de uma topologia capaz de monitorar ambientes. Será introduzido a esta rede sensores de temperatura e umidade para explorar o perfil desta grandeza em diferentes ambientes, como fim didático de aplicação.
O sensor de temperatura e umidade a ser utilizado para a aplicação prática desta rede foram os sensores DHT11. Sua faixa de medição para umidade é de 20 a 90 % em temperatura ambiente (25°C ) e de 20 a 80 % em 50°C (D-ROBOTICS, 2010). Para medidas de temperatura, o intervalo de medição deste sensor é de 0 a 50°C, sendo um intervalo suficiente para a aplicação deste trabalho (D-ROBOTICS, 2010). O módulo wireless CC2530 foi escolhido através da tecnologia de redes sem fio optada, no caso ZigBee. Através deste módulo, foi possível estabelecer a comunicação entre os sensores DHT11, como também a integração com a placa microcontroladora Tiva Launchpad C Series TM4C 123G.
4 IMPLEMENTAÇÃO DO SOFTWARE
Neste Capítulo será descrita a fase de idealização e implementação do software para esse projeto, através de uma análise preliminar das necessidades do hardware.
4.1 DETERMINAÇÃO DOS NÍVEIS DE IMPLEMENTAÇÃO
A topologia do software foi pensada baseando-se no princípio de orientação ao objeto onde a lógica do processo, por definição, não deve estar atrelada à interface gráfica, para que a interface possa ser alterada ou substituída por outra de diferente natureza sem que comprometa a funcionalidade do sistema. Pensando nesta premissa, o aplicativo foi dividido em dois projetos: O primeiro deles é o projeto de nível 0, que é responsável pela leitura da UART através da porta COM virtual (portas de comunicação serial). O projeto de nível 0 é composto por 3 classes:
• Classe pública Struct Dado: Classe responsável pela declaração dos atributos que são recebidos através da UART como temperatura, umidade, intensidade do sinal LQI (Link Quality Indicator) e sensor de origem, dentro da programação do projeto;
• Classe privada LeitorDePorta: Classe responsável pela ativação e sincronização da Thread que está lendo a porta, recolhendo os dados e alocando em um método público; • Classe privada EscreveNoBanco: Classe responsável em receber os dados do método
público e alocar na tabela dinâmica do banco de dados.
Para entender o conceito de funcionamento do software construído para este trabalho, a Figura 7 apresenta um diagrama de blocos com a divisão da arquitetura do projeto, as principais classes pertencentes a cada projeto e suas relações, como também uma breve descrição de cada função.
Figura 7: Diagrama de blocos do software - arquitetura e classes.
O banco de dados utilizado foi o Microsoft Acces, escolhido por atender as expectativas do projeto. O acesso ao banco foi realizado utilizando uma interface padrão, dessa forma pode-se substituir este banco por outro de forma simplificada. É capaz de pode-ser acessado pelo projeto de nível 0 e nível 1 através de sua conexão Microsoft Access Database File (OLE DB). Dentro da plataforma Access, foi criado uma tabela chamada DadosSensores, onde todos os dados recebidos via UART e lidos pelo projeto de nível 0 são enviados e alocados de acordo com a configuração prévia. Porém, como a conexão é padrão, o software está apto a estabelecer conexão com qualquer banco de dados a escolha do usuário, de acordo com suas necessidades. O sistema de consulta utilizando linguagem SQL pode ser feito através do assistente de consulta.
Nas seções seguintes, serão apresentados os recursos de cada projeto, e também as suas funções, para um maior entendimento e envolvimento com a interface gráfica proposta.
4.2 RECURSOS DA LÓGICA BASE - PROJETO NÍVEL 0
Para o projeto de nível 0 foram escolhidos recursos que englobassem a leitura da porta COM, através de uma Thread que fosse disparada no instante que o aplicativo fosse inicializado. Para que essa condição funcionasse, foi necessária a criação de uma classe capaz de fazer a leitura dos dados recebidos através da porta utilizando variáveis do tipo string e alocá-los em um método público. Dentro do mesmo nível do projeto, uma classe foi criada para atribuir os
valores coletados no banco de dados. Essa classe recebe os dados de Temperatura, Umidade, LQI e Endereço de destino, como também o horário onde esses dados foram recebidos, fornecidos pelo sistema operacional. Esses dados são separados e posicionados em uma tabela dentro do banco de dados, e podem ser acessados pelo projeto de nível 1 sempre que forem solicitados.
Para garantir que os dados armazenados estejam corretos, foi criada uma rotina onde um buffer armazena as variáveis retiradas do da UART, garantindo que o sincronismo seja feito através da comparação do tamanho dos pacotes recebidos. Esta rotina permite que mesmo que vários pacotes cheguem ao mesmo tempo, estes sejam armazenados da mesma forma, sem estourar o buffer de recepção. A rotina funciona de forma a garantir que os pacotes recebidos da porta serial sejam armazenados mesmo que sejam enviados vários pacotes ao mesmo tempo. Mesmo que vários pacotes sejam recebidos, a variável buffer criada para armazenar os dados recebidos armazena os diversos pacotes e os encaminha para a tabela do banco de dados por ordem de recebimento. Esta rotina pode ser verificada no Apêndice B.
4.3 RECURSOS DA INTERFACE - PROJETO NÍVEL 1
A interface apresenta como papel chamar os dados do banco de dados, filtrando a escala (dia, hora e minuto), o tipo de variável (temperatura, umidade), e por fim o nó sensor de onde essa informação foi recebida (1,2,3 ou 4). Os gráficos poderão ser apresentados em uma única janela separados em 4 séries de 0 a 3, mas também poderão ser apresentados todos juntos na mesma janela. Também é possível acionar o aspecto 3D do gráfico, através de um CheckButton. As Figuras 8 e 9 ilustram a interface gráfica construída utilizando os recursos em C#. Estas interfaces serão melhor exploradas nas subseções deste Capítulo.
Figura 8: Aba de opções da rede.
O projeto de nível 1 engloba toda a interface gráfica pensada para este trabalho. Esta interface possui 3 abas, sendo elas:
• Aba 1 : opções da rede;
• Aba 2 : apresentação do gráfico e dos dados;
• Aba 3 : informações pertinentes da rede;
4.3.1 ABA 1 - OPÇÕES DA REDE
Na primeira aba constam as opções para a plotagem do gráfico. Nestas opções é possível determinar qual a variável que se deseja visualizar, qual o intervalo de tempo que se deseja construir o gráfico e de qual sensor se deseja visualizar no gráfico, ou seja, determina quais séries devem ser exibidas na aba do gráfico. Ao optar pelo sensor 1, por exemplo, o banco de dados recebe os dados do endereço de origem e este é filtrado pelo projeto nível 0. Ao escolher este sensor, apenas os valores correspondentes a esse endereço serão mostrados. A série com os valores também é impressa no TextBox e é atualizada cada vez que o botão de atualização da aba de opções é pressionado. A Figura 10 apresenta mensagem mostrada quando o gráfico foi atualizado.
Figura 10: Projeto de nível 1: Mensagem de atualização do gráfico.
Na aba opções apresenta-se um filtro, baseado nas médias das medições, para que o usuário faça as consultas diretamente do dia e período que desejar. Isso permite ao usuário selecionar um intervalo de seu interesse para ser apresentado no gráfico.
Para que o usuário se sinta mais familiarizado com as funções que esta aba pode apresentar um linklabel foi adicionado. Com o clique do mouse, o usuário recebe uma mensagem através de um messageBox com algumas informações sobre os recursos desta aba. A Figura 11 ilustra este caso.
Figura 11: Mensagem de informações que pode ser acessada pelo usuário.
4.3.2 ABA 2 - APRESENTAÇÃO DO GRÁFICO E DOS DADOS
Na segunda aba onde se encontra o gráfico, existe uma outra aba com um TextBox onde é possível visualizar os dados de cada série escolhida. Cada vez que se altera a escolha das características desejadas, tanto o gráfico quanto o TextBox atualizam juntos com o ato de apertar o botão "Atualizar Gráfico". Há também uma função Pop-Up Menu, onde ao clicar com o botão direito do mouse em cima do gráfico, abrirá um menu onde será possível salvar o gráfico no diretório desejado pelo usuário como mostram as Figuras 12 e 13.
Figura 12: Popup Menu para salvar o gráfico em um diretório desejado pelo usuário.
Figura 13: MessageBox com o diretório em que o arquivo foi salvo.
Ao realizar atualizações a serem mostradas pelo gráfico, um label recebe as informações de variável x escala de tempo que foi escolhida, para que o gráfico possa ser interpretado de uma forma mais segura. Isso garante que as informações que estão sendo mostradas são realmente as informações que foram escolhidas. Da mesma forma, se mais de um sensor for escolhido, a legenda com as cores que cada sensor é representado estará habilitada para facilitar a visualização.
4.3.3 ABA 3 - INFORMAÇÕES PERTINENTES DA REDE
Dentro da proposta do Software, está presente uma aba para visualizar informações sobre a rede: como o seu LQI, o último envio e sua atividade. Na Figura 14, está representada a aba de opções na situação de medição das variáveis de temperatura e umidade do laboratório A-307 (LABSC). Nota-se que o nó consta como inativo, uma vez que tinha sido desligado para recolhimento dos sensores.
5 IMPLEMENTAÇÃO DO HARDWARE
Neste Capítulo serão abordados os passos de concepção do hardware utilizado para as medições de temperatura, umidade, o protocolo ZigBee utilizado e as características abordadas no Capítulo 3.
5.1 CARACTERÍSTICAS DA REDE
Os módulos CC2530 foram previamente gravados através de uma placa base SMARTRF05 da Texas Instruments utilizando os programas base da ZSTACK, fornecidos também pela Texas Instruments. A IDE utilizada para a gravação do firmware foi a IAR Embedded Workbench. A Figura 15, cedida por (RIBEIRO et al., 2015), demonstra a placa SMARTRF05 utilizada para a gravação do firmware dos módulos CC2530.
Figura 15: Placa SMARTRF05 acoplada ao hardware de implementação dos rádios.
Inicialmente os rádios foram ligados a placa Tiva seguindo a Tabela 3. Os pinos P2-0 e P1-2 estão em Pull-Down através de um resistor de 10kΩ. Os pinos VDD estão alimentados via Tiva no pino +3,3V e os pinos GND também utilizam o GND da própria placa. Optou-se por alimentar todos os nós sensores através de fontes diretamente na tomada.
Tabela 3: Esquema de ligação dos pinos do CC2530 com a placa EK-TM4C123GXL. PINO SITUAÇÃO P2-0 PULL-DOWN P1-2 PULL-DOWN P0-2 PB-1 P0-3 PB-0 P0-4 PC-4 P0-5 PC-5 5.2 CARACTERÍSTICAS DE COMUNICAÇÃO
Para realizar a comunicação via rádio foi utilizado um módulo de rádio CC2530. Este módulo opera em 2,4-GHz e pode ser aplicado em sistemas que utilizam ZigBee, sistemas de automação industriais ou prediais, e também para redes de sensores sem fio com baixo consumo de potência (INSTRUMENTS, 2015).
Um protocolo foi desenvolvido para que a transmissão de mensagens via ZigBee incluísse os dados de temperatura, umidade e número do sensor. Este protocolo será descrito nas próximas seções.
5.3 TIPOS DE PACOTES EXISTENTES
Foram determinados para esse protocolo 4 tipos de pacotes sendo: Mensagens (0xAABB), Topologias de Rede (0xEEAA), Mensagens Padrão (0xDDCC) e Mensagens de Erro (0xFFEE). Depois de todas as considerações feitas por (RIBEIRO et al., 2015), a estrutura da mensagem enviada tomou uma morfologia onde os dois primeiros bits determinam o tipo de cada pacote. Estas mensagens podem ser melhor exploradas no Apêndice A.
Para que houvesse conexão automática dos nós com o coordenador, era necessário que as estações que fazem o papel de nó sensor fossem capazes de entrar automaticamente na rede, e o coordenador registraria os endereços dos nós através da topologia de rede que o mesmo apresenta. Dessa forma, o protocolo induziu aos nós que o endereço do coordenador (sempre igual a 0) deveria ser seu valor padrão de conexão. Da mesma forma, o coordenador utiliza da informação contida topologia de rede que ele possui conhecimento e conecta-se aos nós também de maneira automática. Isso faz-se importante devido as estações dos nós sensores serem móveis, e não apresentarem terminais console para que a configuração dos nós seja feita
manualmente.
5.4 IMPLEMENTAÇÃO DO SENSOR DE TEMPERATURA E UMIDADE
O sistema de medição foi idealizado para medir a temperatura e a umidade através de um sensor DHT11. Foram adicionados ao programa principal NetworkEnDevice as bibliotecas DHT (arquivos .c e .h), e uma Thread que é disparada a cada 2 segundos, para que seja feita a medição e envio dos valores de temperatura e umidade através do sensor. Na Tabela 4 consta o esquema de ligação do sensor à placa.
Tabela 4: Esquema de ligação entre a placa Tiva e o Sensor de Temperatura e Umidade DHT11
EK-TM4C123GXL DHT11
VBUS VCC
PF4 DATA
GND GND
Para que o sensor funcionasse de maneira correta, foi criada uma struct th de forma que os dados fossem encaminhados pelo código por passagem de parâmetro por referência. O programa piloto permitia que o sensor imprimisse no console virtual a medida de temperatura e umidade a cada 2 segundos. Para que isso fosse possível foram criadas três funções principais: dht_init(), dht_read() e dht_readTH().
• Função dht_init():
Esta função é a responsável pelo inicialização das funções de leitura e recebimento de dados provenientes do sensor;
• Função dht_read():
Esta função é responsável pela leitura do pino PF4 do Tiva e realizar a soma de verificação checksum;
• Função dht_readTH():
Esta função é responsável pela leitura dos dados propriamente ditos e uma inicial filtragem dos dados que são enviados para o pino PF4 após a soma de verificação realizada pela função anterior como também alocar os dados lidos nas variáveis correspondentes.
Foram realizados testes com esta versão onde os valores eram medidos e enviados para o console através da UART. Esta aplicação permitiu definir o programa piloto do projeto
nível 0 apresentado no Capítulo 5 para a coleta e armazenamento de dados de temperatura e umidade. Para a união do projeto principal NetworkEnDevice que é usado para estabelecer o protocolo de comunicação, foi introduzida uma Thread denominada SensorReadFxn. Essa Thread "acorda"o nó sensor para que este faça a medição e envie para o coordenador, depois de estabelecida a conexão. O parâmetro de referência da função dht_readTH() th é por natureza uma struct com variáveis do tipo float, e o vetor Data que recebe os dados e envia pelo ZigBee através da estrutura afDataRequest() é um vetor do tipo char. Dendo assim, foi necessária realizar uma conversão para que o vetor conseguisse receber os valores das variáveis celcius_temp e humidity através do comando sprintf e strcat para concatenamento de dados dentro do vetor. A Figura 16 mostra os nós acoplados com o sensor DHT11 e o módulo CC2530.
Figura 16: Nós sensores acoplados com sensor de temperatura DHT11 e o módulo de rádio.
Para a introdução dos dados e manipulação dos mesmos pelo software, os valores de t e h são concatenados juntamente com o número do sensor no vetor Data.
5.5 ROTINA DE VERIFICAÇÃO - CHECKSUM
Segundo o datasheet do sensor DHT11, a comunicação é feita através de 3 fios. Dois deles possuem a finalidade de alimentação do sensor, e o terceiro (pino Data) é utilizado para transmitir os dados adquiridos pelo sensor. No caso do sensor DHT11 a transmissão completa de dados somam 40 bits, onde o maior bit considerado é transmitido inicialmente. O formato do dado é do tipo 40 bits, onde: 8 bits para a parte inteira de umidade, 8 bits para a parte decimal de umidade, 8 bits para a parte inteira de temperatura, 8 bits para a parte decimal de temperatura, e
por fim, 8 bits para a soma de verificação checksum. Nota-se que para uma transmissão correta, os últimos 8 bits são sempre da soma de verificação (D-ROBOTICS, 2010).
Dentro do código para a leitura dos dados recebidos pelo sensor foi criado um vetor, onde os bits de checksum devem ser iguais a soma de todos os bits enviados, na posição do vetor criado DataBuffer[]. Como o sensor DHT11 não apresenta sensibilidade para determinar a parte decimal de umidade e temperatura, apenas os 8 bits inteiros são enviados pelo sensor. A soma de verificação ocorre na rotina que segue na Figura 17 a seguir.
Figura 17: Soma de verificação utilizada pelo Tiva para determinar e interpretar os dados de temperatura e umidade.
A rotina da soma de verificação apresenta um papel importante no código para a medição da temperatura e umidade. Sem esta rotina não se pode verificar se os bits estão sendo recebidos corretamente, e assim inibe os erros de medição que podem ocorrer durante as medidas, como também possíveis sujeiras de memória do código estruturado em C.
5.6 FUNCIONAMENTO ELETRÔNICO DO SENSOR DHT11 E ADEQUAÇÃO DO
SISTEMA DE MEDIÇÃO AO SISTEMA DE COMUNICAÇÃO.
Nesta seção, serão descriminados os métodos que o sensor DHT11 utiliza para enviar os dados de sua interface física para o pino habilitado na placa Tiva TMC123G para receber estes dados.
5.6.1 CARACTERÍSTICA ELETRO-ELETRÔNICA DO ENVIO DO SINAL
Para iniciar o processo de comunicação, a placa ou unidade computacional envia um sinal de início. Assim o sensor DHT11 muda seu status de baixo consumo de potência para modo de operação (D-ROBOTICS, 2010). O sensor espera a finalização do sinal de início enviada pelo Tiva e manda o sinal de 40 bits, como dito na seção 5.5. Após o término do envio da mensagem, o sensor retorna ao seu modo de economia de baixo consumo de potência e
aguarda um novo sinal de início do Tiva C. Sem o sinal de início da conexão, o sensor não irá enviar a mensagem de 40 bits (D-ROBOTICS, 2010). A Figura 18 retirada do próprio datasheet, demonstra o esquema do processo de comunicação geral.
Figura 18: Comunicação geral entre o microcontrolador e o sensor DHT11. Fonte: Adaptado de (D-ROBOTICS, 2010).
A Figura 19 retirada do datasheet, demonstra detalhadamente o estabelecimento da comunicação antes do envio de dados.
Figura 19: Detalhes iniciais da comunicação entre o sensor DHT11 e a placa Tiva C. Fonte: Adaptado de (D-ROBOTICS, 2010).
O envio de 1-bit é iniciado por um período de 50 µs, em nível baixo de tensão. Em seguida, em nível alto de tensão, se a transmissão durar de 26 a 28 µs, significa que o 1-bit enviado representa um dado "0"(ver Figura 20).
Figura 20: Detalhes iniciais da transferência de dados entre o sensor DHT11 e a placa Tiva C -situação de bit "0". Fonte: Adaptado de (D-ROBOTICS, 2010).
A continuação da transmissão acontece até os 40 bits serem enviados. O comportamento se estende para a tradução de bits enviados e reconhecidos como "1"em 70 µs (ver Figura 21).
Figura 21: Detalhes iniciais da transferência de dados entre o sensor DHT11 e a placa Tiva C -situação de bit "1". Fonte: Adaptado de (D-ROBOTICS, 2010).
5.6.2 ADEQUAÇÃO DO PROGRAMA PARA A LEITURA E ENVIO DE DADOS
Para que o programa de leitura de dados fosse acoplado ao protocolo de comunicação, a interrupção utilizada pelo DHTInitHandler() deveria estar registrada no arquivo .cfg da TI-RTOS. De acordo com o datasheet do Tiva Launchpad 123G, na Tabela 2.9 - Interrupções, o número da interrupção do PORTF é o vetor 46 (TEXAS, 2014), registrando a interrupção na programação interna da placa. A Figura 22 apresenta o registro da interrupção.
Figura 22: Registro da interrupção dentro do arquivo TI-RTOS.
5.6.3 VERIFICAÇÃO DO FUNCIONAMENTO DO SENSOR ATRAVÉS DA
UTILIZAÇÃO DO OSCILOSCÓPIO
Com o auxílio de um osciloscópio digital, foram feitas aquisições diretas no pino PF4 para comprovar o comportamento do sensor DHT11. Nota-se que o funcionamento do DHT11 segue suas características teóricas demonstradas no Datasheet. Primeiramente, na Figura 23 apresenta-se o aguardo do sinal de início da comunicação em nível baixo dada pela placa Tiva C. Este período caracteriza uma espera de ao menos 18 ms para que o sensor perceba que a comunicação quer iniciar-se. A aquisição comprova o comportamento e o período estipulado no Datasheet do sensor. Nota-se também que, ao fim do período de 18 ms, encontra-se o trem
de pulso enviado pelo sensor, onde se denotam as informações dos 40 bits enviados para a placa microcontroladora.
Figura 23: Aquisição do osciloscópio do sinal inicial de comunicação.
A Figura 24 apresenta os detalhes do trem de pulsos enviados durante manipulação do osciloscópio. Foi ajustado um zoom capaz de englobar todo o trem de pulso de resposta do sensor e avaliar suas características.
Figura 24: Aquisição do osciloscópio do trem de pulso resposta do sensor DHT11.
Para determinar as características comportamentais do trem de pulso e confrontá-las com o comportamento esperado pelo sensor DHT11, foi aplicado um zoom-in de 10x, e através de cursores, foram feitas as medições de tempo para verificar se os 1-bit enviados eram
considerados "1"ou "0". Através do período de duração deste pulso, de acordo com o Datasheet, esse comportamento é verificado, onde 70µs é considerado "1"e 26-28 µs é considerado "0". A Figura 25 demonstra a medição através de cursores para os pulsos com duração de 71.6µs aproximadamente.
Figura 25: Aquisição do osciloscópio dos pulsos com duração de 71.6µs.
Da mesma forma, procedeu-se também para os pulsos com duração de 23.6 µs, apresentados na Figura 26. Nota-se que todas as imagens seguem o estipulado pelo Datasheet do sensor DHT11, apresentando um comportamento esperado.
Figura 26: Aquisição do osciloscópio dos pulsos com duração de 23.6µs.
digital e, as especificações dadas na documentação do sensor, o comportamento do sensor DHT11 está dentro do esperado. Prova-se conceitualmente que o hardware de comunicação está corretamente vinculado com o programa de aquisição de temperatura e umidade. Dessa forma, pode-se utilizar este sistema para o monitoramento de ambientes, garantindo assim medidas confiáveis de temperatura e umidade, dentro das características construtivas do sensor DHT11.
5.7 DETALHE DAS ESPECIFICAÇÕES DO SENSOR DHT11
Visando auxiliar na interpretação dos gráficos através do software proposto, faz-se necessário o conhecimento de especificações do sensor quanto a resolução, repetibilidade e precisão. Estas informações conduzem à uma interpretação dos resultados, permitindo assim assumir que possíveis flutuações de temperatura e umidade mostradas pelo gráfico podem ou não estar dentro da resolução e precisão do sensor DHT11.
Na Tabela 5 constam as informações destas características para temperatura e também umidade para posteriormente, no Capítulo 6, as discussões sobre os resultados obtidos pelos gráficos do software possam ser melhor exploradas para determinar a validação do mesmo.
Tabela 5: Especificações detalhadas sobre as características de medição do sensor DHT11 (D-ROBOTICS, 2010).
Temperatura Umidade Resolução típica 1°C - 8 Bit 1%RH - 8 Bit
Precisão típica ± 1°C ± 4%RH
6 APLICAÇÃO DA REDE ZIGBEE
Este Capítulo apresenta a aplicação da rede sem fio discutida neste trabalho. Para avaliar a utilidade da rede com topologia estrela, foi realizado um monitoramento de temperatura e umidade de 24 horas no laboratório A-307 - LABSC (Laboratório de Sistemas de Comunicação), situado nas dependências da UTFPR. O intuito foi de avaliar o comportamento do ar-condicionado quanto ao seu papel de resfriamento no ambiente. Da mesma forma verificar nos pontos onde os sensores foi posicionado quais eram as magnitudes destas duas variáveis.
6.1 MEDIÇÃO NO LABORATÓRIO A307 (LABSC-UTFPR)
O laboratório LABSC está localizado no terceiro andar do bloco A, e no seu interior existem dois ar-condicionados localizados na parede extrema, um ao lado do outro. Para comprovar a eficiência da rede foram posicionados 4 sensores na sala. Pôde-se também verificar qual o comportamento do perfil de temperatura e umidade após o desligamento do ar-condicionado no período da noite, onde não se encontrava nenhum utilizador da sala. Na Figura 27 apresenta-se um pequeno esquema da sala, com a posição dos sensores e dos aparelhos de ar-condicionado.
Figura 27: Esquema da Sala- Situação dos sensores.
As medições foram iniciadas às 9 horas e 15 minutos do dia 11 de novembro de 2015 e foram finalizadas no dia 12 de novembro de 2015, no mesmo horário, caracterizando um range
de 24 horas. Durante aproximadamente 12 horas, houve trânsito normal dos usuários e também utilização do ar-condicionado. As medidas iniciaram com a temperatura do ar programada para 17 °C, aumentando para 22 °C no fim da tarde. O ar-condicionado foi desligado no início da noite. Na Figura 28 está uma representação fotográfica das condições de instalação dos 4 nós sensores.
Figura 28: Instalação dos sensores no laboratório A-307 (LABSC) para as medições.
Ao analisar a posição que os sensores se encontram na sala pode-se concluir que esta pode influenciar no comportamento da temperatura e da umidade durante as medições. Estas análises são importantes para concluir se o software foi capaz de apresentar os resultados de forma confiável, de acordo com suposições feitas sob suas posições. O sensor 1 localizado próximo ao ar-condicionado e próximo a uma janela (ver Figura 27), pode estar sob a influência do ar-condicionado, sob a incidência de calor proveniente da parede de extrema durante o dia e sob o arrefecimento da mesma no período da noite. Já o sensor 4 que está localizado próximo à porta, sofre possivelmente a influência do fluxo de pessoas que entram no laboratório durante todo o período de medição com movimentação de pessoas. O ato de abrir a porta pode ocasionar uma mistura de diferentes temperaturas (externa e interna), podendo impactar no valor captado pelo sensor durante as medições. Por fim os sensores 2 e 3 encontram-se próximos à janela (ver Figura 27), porém não estão próximos ao ar-condicionado ou à porta, e desse modo podem sofrer menos influência dessas duas variáveis durante as medições.
6.1.1 RESULTADOS DA MEDIÇÃO NO LABSC
Após o encerramento da coleta de dados, estes foram armazenados no Access para a confecção dos gráficos e a realização de testes das aplicações que este projeto apresenta. A aba Opções possibilita fazer o filtro no banco de dados através de uma escolha de data e hora (ver Figura 29) feita pelo próprio usuário através das comboBox.
Figura 29: Aba de configurações com filtro de banco de dados através do usuário.
As informações referentes a cada campo da comboBox são utilizadas para realizar a consulta SQL que o software necessita para resgatar os dados. Este sistema também permite que o usuário saiba qual a data que ele está visualizando no gráfico, atribuindo a ele controle sob a plataforma que utiliza. Também é possível alterar a amplitude dos eixos de tempo e temperatura/umidade utilizando o filtro localizado no canto superior direito da janela. Esse recurso permite ao usuário delimitar uma região de interesse para aumentar a resolução e facilitar a análise visual do gráfico. Com a utilização do mesmo, pôde-se avaliar o comportamento da temperatura e umidade ao longo do dia 11 de novembro de 2015 que iniciou-se as 9 horas e 15 minutos e encerrou-iniciou-se às 23 horas e 59 minutos (ver Figura 30). Ao analisar o gráfico da Figura 30, pode-se verificar que existe uma oscilação de temperatura entre as 20 e 22 horas, com tendência à estabilização a partir de 22 horas. Isso possivelmente pode ser explicado pelo desligamento do ar-condicionado próximo às 20 horas, e o laboratório ter sido fechado próximo às 21 horas e 30 minutos.
Figura 30: Gráfico do perfil de temperatura durante todo o dia 11 de novembro de 2015.
O segundo dia de medição, ou seja, dia 12 de novembro, iniciou-se a 0 hora e encerrando às 9 horas e 15 minutos (ver Figura 31). Da mesma forma, ao analisar este gráfico, percebe-se que a partir das 7 horas da manhã, a tendência de estabilização é interrompida, iniciando uma oscilação. Esse fato pode ser explicado pela chegada ao laboratório próxima a esse horário, onde o ar-condicionado foi novamente ligado. Por fim, as medições foram então finalizadas as 9 horas e 15 minutos.
Figura 31: Gráfico do perfil de temperatura durante todo o dia 12 de novembro de 2015.
da temperatura. A janela de intervalo do eixo x e y está personalizada com os valores máximo e mínimo das medidas. As Figuras 32 e 33 mostram, respectivamente, o perfil de umidade durante os dias 11 e 12 de novembro. No gráfico da Figura 32, percebe-se que o sensor 4 apresentou grande variação de umidade durante todo o período de medição do dia 11 de novembro. Esse fenômeno pode ser explicado pela localização do sensor próximo à porta.
Figura 32: Gráfico do perfil de umidade durante todo o dia 11 de novembro de 2015.
Figura 33: Gráfico do perfil de umidade durante todo o dia 12 de novembro de 2015.
Através da Figura 30 é possível observar que até às 7 horas e 40 minutos aproximadamente, a temperatura se manteve constante, sugerindo que não havia fluxo de
pessoas na sala, comprovado através da aquisição. O ar-condicionado foi ligado à partir deste horário, impactando na temperatura captada pelos sensores. Pode-se também analisar o gráfico de umidade dos dias 11 e 12 de novembro, através das Figuras 32 e 33, onde a umidade era maior antes de ar-condicionado ser ligado. Após isso, a umidade oscilou, mas não ultrapassou uma amplitude de 50 % . A partir das 7 horas do dia 12 de novembro, quando começou a existir movimentação no laboratório, e após o ar-condicionado ser ligado, a umidade sofreu um aumento visível como mostra o gráfico da Figura 33, principalmente os sensores 1 (próximo ao ar-condicionado) e 4 (próximo a porta de entrada). Esse comportamento pode-se atribuir a movimentação das pessoas que utilizam o laboratório e também a abertura da porta de entrada juntamente com a corrente de ar que se movimenta ao adentrar o laboratório. Os gráficos das Figuras 30 a 31 traduzem que os sensores foram capazes de captar as variações de temperatura e umidade deste ambiente no período solicitado de 24 horas.
Para verificar a variação durante o período onde não existiam usuários no laboratório (aproximadamente 21 horas), foi plotado o gráfico de perfil de temperatura com a média dos minutos relativos a esta hora. Na Figura 34 correspondente a esta situação observa-se que a temperatura permaneceu com variações pouco expressivas, confirmando que neste período não houve trocas de calor entre a sala e o ambiente externo, tampouco a interferência do ar-condicionado, uma vez que se encontrava desligado. Ao observar o gráfico da Figura 34 e ressaltar as especificações de resolução e precisão da Tabela 5, nota-se que a variação durante essa hora não ultrapassa ± 1°C durante todos os minutos. Pode-se então assumir que estas variações apresentadas pelo software na plotagem do gráfico, estão dentro das especificações da Tabela 5. Para esse caso, a rede apresentou resultados satisfatórios para fundamentar conclusões relacionadas com estudos de perfil de grandezas como temperatura e umidade.
Figura 34: Variação do perfil de temperatura das 21 horas às 21 horas e 59 minutos do dia 11 de novembro de 2015.
Outra situação a ser investigada foi o período de início das atividades no dia 12. Era de se esperar que ao chegar no laboratório, ligar o ar-condicionado e também com o trânsito de usuários, existiria um momento de variações de temperatura neste período. Portanto a hora escolhida para ser investigada foi a média de minutos no intervalo das 8 às 8 horas e 59 minutos (ver Figura 35). Observou-se que durante este intervalo houveram variações de temperatura em todos os sensores exceto o sensor 4. Este fato pode ser explicado devido a localização do mesmo ser de frente a porta de entrada, atrás da parede da sala de reuniões, impedindo a chegada tão brusca da massa de ar frio lançada pelo ar-condicionado. Porém, a mesma análise de resolução e precisão do sensor DHT11 pode ser estendida para este caso. Apesar das oscilações devido ao início do funcionamento do ar-condicionado, a variação minuto-a-minuto dos 4 sensores não ultrapassa ± 1°C, traduzindo portanto que o software consegue representar as oscilações provenientes das características da Tabela 5.
Figura 35: Variação do perfil de temperatura das 8 horas às 8 horas e 59 minutos do dia 12 de novembro de 2015.
Essa análise foi estendida para o perfil de umidade durante as 24 horas medidas. A variação também é observada nas mesmas horas, onde a mudança do ambiente foi mais perceptível: hora de desocupação do laboratório (21h) e hora de chegada e ligação do ar-condicionado (8h). As Figuras 36 e 37 demonstram a variação por minuto dentro desta hora. O que pode ser observado é que ocorrem variações mais no início da manhã (ver Figura 36). Este fato é justificado pois a umidade durante a noite estabilizou-se na sala, e a mistura de ares (ambiente externo com ambiente interno), deu-se neste período. Neste caso, o sensor 4 do gráfico da Figura 36 próximo à porta, apresentou uma queda de aproximadamente 52 % para aproximadamente 40 %. Sua posição pode explicar esse comportamento, pois a partir deste horário, a porta foi trancada e destrancada somente próximo às 8 horas. O gráfico da Figura 37 apresenta algumas oscilações, porém nota-se que não estão dentro da resolução e precisão
de ± 1%RH que se apresenta na Tabela 5 em todos os momentos. Há em alguns períodos
durante esta hora, de acordo com a análise visual do gráfico, que as variações são maiores que as características específicas do sensor DHT11. Este fato pode ser explicado pela condição brusca de alteração do ambiente com o início do funcionamento do ar-condicionado.
Figura 36: Variação do perfil de umidade entre às 21 horas e 21 horas e 59 minutos do dia 11 de novembro de 2015.
Figura 37: Variação do perfil de umidade entre às 8 horas e 8 horas e 59 minutos do dia 12 de novembro de 2015
Todos os testes realizados acima foram focados em determinar se o software projetado e idealizado neste trabalho de conclusão de curso foi capaz de armazenar os dados coletados pelos sensores e representá-los de forma adequada de acordo com as suposições de posição, resolução e precisão dos sensores e mudanças bruscas sofridas pelo ambiente durante as medições. De acordo com as análises dos gráficos feitas neste Capítulo, comprova-se então que
