Implementação da infra-estrutura e protocolo de comunicação para tratamento e disponibilização de dados do projeto ePoste

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UNIVERSIDADE_FEDERALDO RIO GRANDE DO NORTE

DECOMPUTAÇÃO

Implementação da infra-estrutura e protocolo

de comunicação para tratamento e

disponibilização de dados do projeto ePoste

Samuel de Paiva Rêgo

Orientador: Prof. Dr. Valentin Obac Roda

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação da UFRN (área de concentração: Engenharia de Computação) como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências.

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UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede. Catalogação da Publicação na Fonte

Rêgo, Samuel de Paiva.

Implementação da infra-estrutura e protocolo de comunicação para tratamento e disponibilização de dados do projeto ePoste / Samuel de Paiva Rêgo. – Natal, 2014.

77 f. : il.

Orientador: Prof. Dr. Valentin Obac Roda.

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação.

1. ePoste – Dissertação. 2. Sensores - Dissertação. 3. Iluminação - Dissertação. 4. Protocolo ZigBee - Dissertação. 5. Gerenciamento de dados - Dissertação. I. Roda, Valentin Obac. II. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título.

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Ao meu orientador Valentin Obac Roda, professores Leonardo Gomes de Paiva Amorim e Jefferson Doolan Fernandes, e o pesquisador Jean Oliveira de Paiva, sou grato pela orientação.

Aos demais colegas de pós-graduação, pelas críticas e sugestões.

As meus pais Manoel do Rêgo Neto e Benta Suely de Paiva Rêgo (em memória), meus irmãos Leandro de paiva Rêgo, Thiago de Paiva Rêgo, Gilliard de Paiva Rêgo e Bruno de Paiva Rêgo pelo apoio durante esta jornada.

À CAPES, pelo apoio financeiro.

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Resumo

O projeto “ePoste” é um sistema de monitoramento por comunicação sem fio que tem por objetivo sensorear e atuar em um ou vários pontos de iluminação pública. O presente trabalho consistiu na elaboração da estrutura e do protocolo de comunicação do projeto ePoste e também o tratamento de dados para detecção de eventos nos sensores localizados nos postes. Anteriormente a comunicação entre os sensores era local, e quando havia a necessidade de coleta de dados ou atuação nesses dispositivos, o operador tinha que se deslocar até o alcance da rede local. De posse disto, a proposta tem o interesse de aumentar a dinamicidade do sistema, chegando a possíveis integrações com sistemas já existentes para gestão de iluminação. É levado em consideração a mesma tecnologia de comunicação sem fio existente entre os sensores, utilizando o protocolo ZigBee operando sobre rede mesh, adicionado de um gateway para a

comunicação desta rede com a internet. O protocolo desenvolvido, trata da formação de quadro em nível mais baixo, onde se define início, tamanho, e checagem de erros, utilizado na comunicação entre o sensor, concentrador e servidor; e também o protocolo de nível mais alto, tratando-se de um serviço que utiliza atributos de nomes para atender requisições GET e POST sob o protocolo HTTP, implementado no servidor de dados, estando disponível para a comunicação com os sistemas clientes no caso, sistemas de gerenciamento de iluminação.

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The“ePoste” project is a monitoring system by wireless communication which aims sensing and acting in one or several public illumination points. This present work consisted in designing the structure and the communication protocol of ePoste project and also the data treatment to detect the events on sensors located on poles. Previously the communication on sensors was in locus, and when the data collect was necessary or the acting of these devices, the operator had to move until the local net range. Possessing of it, the purpose is to increase the dynamicity of system, targeting the integrations possible with systems which already existed to illumination management. Consideration shall be given the same existing wireless communication technology between the sensors, using the ZigBee protocol operating on mesh network, added a gateway for communication of this network with the internet. The protocol developed, involves the formation of four levels lower, where the beginning, size and error checked are defined, using communication between the sensor, concentrator and server; and also the protocol of upper level, which is a service that uses attributes of names to answer requests GET and POST under HTTP protocol, implementing on data server, being available to communicate with client systems, in the case illumination management systems.

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Sumário

Sumário i

Lista de Figuras iii

Lista de Tabelas v

Lista de Símbolos e Abreviaturas viii

1 Introdução 1

1.1 Motivação . . . 1

1.2 Objetivos . . . 2

1.3 Projeto ePoste . . . 2

1.4 Sistemas de gerenciamento de dados por comunicação sem fio . . . 3

1.5 Organização do Trabalho . . . 5

2 Principais Tecnologias Aplicadas 7 2.1 Rede sem fio . . . 7

2.2 Redes ZigBee . . . 7

2.2.1 Topologias . . . 8

2.3 Padrão JSON (JavaScript Object Notation) . . . 10

2.3.1 Sintaxe . . . 10

2.4 Considerações finais . . . 12

3 Projeto: Resultados e Discussão 13 3.1 Considerações iniciais . . . 13

3.2 Sistema de Gerenciamento de Dados - SGD . . . 13

3.3 Sensor . . . 14

3.4 Concentrador . . . 18

3.5 Servidor . . . 21

3.6 Banco de dados . . . 22

3.7 Comunicação . . . 24

3.8 Aplicativo para cadastro de sensor ePoste . . . 24

3.9 Sistema cliente de gerenciamento de iluminação . . . 25

3.10 Considerações finais . . . 27

4 Conclusões 28 4.1 Perspectivas desta pesquisa . . . 29

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A.1 Banco de dados no concentrador . . . 31

A.2 Banco de dados no servidor . . . 32

B Comunicação e Padrões de Mensagens 35 B.1 Estrutura do quadro de mensagens: servidor - concentrador - sensor . . . 35

B.2 Padrões de mensagens . . . 36

B.2.1 SOLICITAÇÃO DO ESTADO DE CONEXÃO . . . 36

B.2.2 CONSULTA DE DADOS DO SENSOR . . . 37

B.2.3 LIGAR A CARGA DO SENSOR . . . 39

B.2.4 DESLIGAR A CARGA DO SENSOR . . . 40

B.2.5 CONFIGURAÇÃO DE ACIONAMENTO AUTOMÁTICO DA CARGA DO SENSOR . . . 41

B.2.6 LIGAR A CARGA DOS SENSORES . . . 42

B.2.7 DESLIGAR A CARGA DOS SENSORES . . . 44

B.2.8 CONFIGURAÇÃO DE ACIONAMENTO AUTOMÁTICO DA CARGA DOS SENSORES . . . 45

B.2.9 CONSULTA DE DADOS DOS SENSORES . . . 46

B.2.10 LIGAR A CARGA DO SENSOR PELO SERVIDOR . . . 48

B.2.11 DESLIGAR A CARGA DO SENSOR PELO SERVIDOR . . . . 49

B.2.12 CONFIGURAÇÃO DE ACIONAMENTO AUTOMÁTICO DA CARGA NO SENSOR PELO SERVIDOR. . . 51

B.2.13 LIGAR A CARGA DOS SENSORES PELO SERVIDOR. . . 52

B.2.14 DESLIGAR A CARGA DOS SENSORES PELO SERVIDOR. . 53

B.2.15 CONFIGURAÇÃO DE ACIONAMENTO AUTOMÁTICO DA CARGA DOS SENSORES PELO SERVIDOR. . . 54

B.3 Estrutura do formato de mensagens: servidor - cliente . . . 55

B.4 Padrões de mensagens . . . 57

B.4.1 CONSULTA DE DADOS DO SENSOR PELO CLIENTE . . . . 58

B.4.2 LIGAR A CARGA DO SENSOR PELO CLIENTE . . . 60

B.4.3 DESLIGAR A CARGA DO SENSOR PELO CLIENTE . . . 61

B.4.4 CONFIGURAÇÃO DE ACIONAMENTO AUTOMÁTICO DA CARGA DO SENSOR PELO CLIENTE . . . 62

B.4.5 LIGAR A CARGA DOS SENSORES PELO CLIENTE . . . 63

B.4.6 DESLIGAR A CARGA DOS SENSORES PELO CLIENTE . . . 64

B.4.7 CONFIGURAÇÃO DE ACIONAMENTO AUTOMÁTICO DA CARGA DOS SENSORES PELO CLIENTE . . . 66

B.4.8 CONSULTA DE DADOS DOS SENSORES PELO CLIENTE . . 67

B.4.9 CONSULTA DE DADOS DO CONCENTRADOR . . . 70

B.4.10 CONSULTA DE DADOS DOS CONCENTRADORES . . . 71

B.4.11 CADASTRO DE DADOS DO CONCENTRADOR . . . 73

B.4.12 CADASTRO DE DADOS DO SENSOR . . . 74

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Lista de Figuras

2.1 Topologia em Estrela. . . 9

2.2 Topologia de Agrupamento em Árvore. . . 9

2.3 Topologia em Malha. . . 10

3.1 Fluxograma: Sistema de Gerenciamento de Dados. . . 14

3.2 Circuito do sensor de temperatura. . . 15

3.3 Circuito do sensor de corrente. . . 15

3.4 Circuito do sensor de luminosidade. . . 16

3.5 Circuito do atuador da carga. . . 17

3.6 Sensor ePoste. . . 17

3.7 Raspberry Pi (Fonte: engineering.edx.org). . . 18

3.8 Dispositivos para a comunicação com a rede ZigBee. . . 19

3.9 DWM-156 (Fonte: www.dlink.ir). . . 19

3.10 Gabinetes dos módulos do concentrador. . . 20

3.11 Gabinete do concentrador. . . 20

3.12 Diagrama de blocos da implementação do concentrador. . . 21

3.13 Diagrama de blocos da implementação do servidor. . . 22

3.14 Tabelas do banco de dados no concentrador. . . 22

3.15 Tabelas do banco de dados no servidor. . . 23

3.16 Diagrama de comunicação: sensor - concentrador - servidor - cliente. . . 24

3.17 Aplicativo para cadastro de sensor ePoste. . . 25

3.18 Tela de login no sistema cliente. . . 26

3.19 Tela de visualização de pontos de iluminação no sistema cliente. . . 26

3.20 Tela de comandos de pontos de iluminação no sistema cliente. . . 27

4.1 Instalação do sensor ePoste. . . 28

B.1 Diagrama de comunicação: Estado de conexão. . . 36

B.2 Diagrama de comunicação: Consulta de dados do sensor. . . 37

B.3 Diagrama de comunicação: Ligar a carga do sensor. . . 39

B.4 Diagrama de comunicação: Desligar a carga do sensor. . . 40

B.5 Diagrama de comunicação: Configurar o acionamento automático da carga do sensor. . . 41

B.6 Diagrama de comunicação: Ligar a carga dos sensores. . . 42

B.7 Diagrama de comunicação: Desligar a carga dos sensores. . . 44

B.8 Diagrama de comunicação: Configuração de acionamento automático da carga dos sensores. . . 45

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B.11 Diagrama de comunicação: Desligar a carga do sensor pelo servidor. . . . 49

B.12 Diagrama de comunicação: Configurar o acionamento automático da carga do sensor pelo servidor. . . 51

B.13 Diagrama de comunicação: Ligar a carga dos sensores pelo servidor. . . . 52

B.14 Diagrama de comunicação: Desligar a carga dos sensores pelo servidor. . 53

B.15 Diagrama de comunicação: Configuração de acionamento automático da carga dos sensores pelo servidor. . . 54

B.16 Diagrama de comunicação: Consulta de dados do sensor pelo cliente. . . 58

B.17 Diagrama de comunicação: Ligar a carga do sensor pelo cliente. . . 60

B.18 Diagrama de comunicação: Desligar a carga do sensor pelo cliente. . . 61

B.19 Diagrama de comunicação: Configuração de acionamento automático da carga do sensor pelo cliente. . . 62

B.20 Diagrama de comunicação: Ligar a carga dos sensores pelo cliente. . . 63

B.21 Diagrama de comunicação: Desligar a carga dos sensores pelo cliente. . . 64

B.22 Diagrama de comunicação: Configuração do acionamento automático da carga dos sensores pelo cliente. . . 66

B.23 Diagrama de comunicação: Consulta de dados dos sensores pelo cliente. . 67

B.24 Diagrama de comunicação: Consulta de dados do concentrador. . . 70

B.25 Diagrama de comunicação: Consulta de dados dos concentradores. . . 71

B.26 Diagrama de comunicação: Cadastro de dados do concentrador. . . 73

B.27 Diagrama de comunicação: Cadastro de dados do sensor. . . 74

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Lista de Tabelas

2.1 Pilha do Protocolo ZigBee (fonte: www.gta.ufrj.br). . . 8

A.1 Tabela InformationSensor no concentrador. . . 31

A.2 Tabela SendCommandSensor. . . 32

A.3 Tabela RecvCommandSensor. . . 32

A.4 Tabela Concentrator. . . 33

A.5 Tabela InformationSensor no servidor. . . 33

A.6 Tabela InformationSensorHistory. . . 34

B.1 Formato do quadro de mensagens: servidor - concentrador - sensor. . . . 35

B.2 Formato da mensagem para solicitação do estado de conexão. . . 37

B.3 Formato da mensagem para resposta do estado de conexão. . . 37

B.4 Formato da mensagem para consulta de dados do sensor. . . 38

B.5 Formato da mensagem para resposta à consulta de dados do sensor. . . 38

B.6 Formato da mensagem para ligar a carga do sensor. . . 39

B.7 Formato da mensagem para resposta ao ligar a carga do sensor. . . 40

B.8 Formato da mensagem para desligar a carga do sensor. . . 40

B.9 Formato da mensagem para resposta ao desligar a carga do sensor. . . 41

B.10 Formato da mensagem para a configuração de acionamento automático da carga do sensor. . . 41

B.11 Formato da mensagem para resposta da configuração de acionamento automático da carga do sensor. . . 42

B.12 Formato da mensagem para ligar a carga dos sensores. . . 43

B.13 Formato da mensagem de resposta ao acionamento da carga dos sensores. 43 B.14 Formato da mensagem para desligar a carga dos sensores. . . 44

B.15 Formato da mensagem para resposta ao desligar da carga dos sensores. . . 45

B.16 Formato da mensagem para a configuração de acionamento automático da carga dos sensores. . . 45

B.17 Formato da mensagem para resposta da configuração de acionamento automático da carga dos sensores. . . 46

B.18 Formato da mensagem para consulta de dados dos sensores. . . 47

B.19 Formato da mensagem para resposta à consulta de dados dos sensores. . . 47

B.20 Formato da mensagem para ligar a carga do sensor pelo servidor. . . 48

B.21 Formato da mensagem para resposta ao ligar a carga do sensor pelo servidor. 49 B.22 Formato da mensagem para desligar a carga do sensor pelo servidor. . . . 50

B.23 Formato da mensagem para resposta ao desligar a carga do sensor pelo servidor. . . 50

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B.25 Formato da mensagem para resposta da configuração de acionamento automático da carga do sensor pelo servidor. . . 52 B.26 Formato da mensagem para ligar a carga dos sensores pelo servidor. . . . 52 B.27 Formato da mensagem para resposta ao ligar a carga dos sensores pelo

servidor. . . 53 B.28 Formato da mensagem para desligar a carga dos sensores pelo servidor. . 53 B.29 Formato da mensagem para resposta ao desligar a carga dos sensores pelo

servidor. . . 54 B.30 Formato da mensagem para a configuração de acionamento automático

da carga dos sensores pelo servidor. . . 55 B.31 Formato da mensagem para resposta da configuração de acionamento

automático da carga dos sensores pelo servidor. . . 55 B.32 Formato da mensagem para requisição: cliente - servidor. . . 56 B.33 Formato da mensagem para resposta: servidor - cliente. . . 57 B.34 Formato da mensagem para consulta de dados do sensor pelo cliente. . . . 58 B.35 Formato da mensagem para resposta a consulta de dados do sensor pelo

cliente. . . 59 B.36 Formato da mensagem para ligar a carga do sensor pelo cliente. . . 60 B.37 Formato da mensagem para resposta ao ligar a carga do sensor pelo cliente. 61 B.38 Formato da mensagem para desligar a carga do sensor pelo cliente. . . 61 B.39 Formato da mensagem para resposta ao desligar a carga do sensor pelo

cliente. . . 62 B.40 Formato da mensagem para a configuração de acionamento automático

da carga do sensor pelo cliente. . . 62 B.41 Formato da mensagem para resposta da configuração de acionamento

automático da carga dos sensores pelo cliente. . . 63 B.42 Formato da mensagem para ligar a carga dos sensores pelo cliente. . . 64 B.43 Formato da mensagem para resposta ao ligar a carga dos sensores pelo

cliente. . . 64 B.44 Formato da mensagem para desligar a carga dos sensores pelo cliente. . . 65 B.45 Formato da mensagem para resposta ao desligar a carga dos sensores pelo

cliente. . . 65 B.46 Formato da mensagem para a configuração de acionamento automático

da carga dos sensores pelo cliente. . . 66 B.47 Formato da mensagem para resposta a configuração de acionamento

automático da carga dos sensores pelo cliente. . . 67 B.48 Formato da mensagem para consulta de dados dos sensores pelo cliente. . 67 B.49 Formato da mensagem para resposta a consulta de dados dos sensores

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B.53 Formato da mensagem para resposta a consulta de dados dos concentradores. . . 72 B.54 Formato da mensagem para cadastro de dados do concentrador. . . 73 B.55 Formato da mensagem para resposta ao cadastro de dados do concentrador. 74 B.56 Formato da mensagem para cadastro de dados do sensor. . . 75 B.57 Formato da mensagem para resposta ao cadastro de dados do sensor. . . . 75 B.58 Formato da mensagem para consulta do histórico de dados do sensor. . . . 76 B.59 Formato da mensagem para resposta a consulta do histórico de dados do

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API Application Programming Interface

GET Requests data from a specified resource

GPRS General Packet Radio Service

GPS Global Position Systems

HTTP Hypertext Transfer Protocol

JSON JavaScript Object Notation

LDR Light Dependent Resistor

POST Submits data to be processed to a specified resource

SGD Sistema de Gerenciamento de Dados

SGL Sistema de Gerenciamento Local

TCP Transmission Control Protocol

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Capítulo 1

Introdução

Antes desta pesquisa, o projeto ePoste era constituído somente de uma rede local de sensores que se comunicavam sem fio sob o protocolo ZigBee. Os dispositivos já possuíam sensores de luminosidade, temperatura e corrente, e também era possível realizar o acionamento de um determinada carga. Para tanto, existia um software desenvolvido para teste local de comunicação com a rede de sensores, com protocolo simples. Este trabalho até aqui favoreceu a dissertação de mestrado de (AMORIM, 2011).

A contribuição desta pesquisa ao projeto ePoste, com continuidade ao trabalho de (AMORIM, 2011), consiste na criação de uma solução de comunicação e gerenciamento dos dados, atribuindo mais inteligência nas redes locais dos sensores e adicionamento de concentradores (opera no compartilhamento e aquisição dos dados na rede local dos sensores ePoste). Para isto, foi criado um protocolo de comunicação que possibilita alta confiabilidade e disponibilidade dos dados para o servidor.

Os sensores estão configurados para receberem comandos de atuação (para acionamento da carga instalada), consulta de dados, e também para suas identificações. A interação com os sensores de uma rede local é feita através de um concentrador que funciona como gateway conectado à internet através da tecnologia GPRS. Sendo o

concentrador composto pelo microcomputador Raspberry Pi, o rádio XBeePRO e um modem 3G.

1.1 Motivação

Observados os problemas enfrentados pelas prestadoras de serviços na resolução de problemas na iluminação pública, é perceptível que há a necessidade de um sistema inteligente que informe às centrais de monitoramento, possíveis danos na operação nos pontos de iluminação. Portanto, no modelo atual, a solução é lenta e tentadora a diversas reclamações, onde cidadãos realizam ligações frequentemente informando problemas de pontos apagados, e como consequência do atraso no atendimento, surgem outros fatos ligados a segurança dos moradores, propiciando assaltos, furtos e abusos.

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fluxo de cidadãos em determinado local. As lâmpadas sempre acesas durante todo o período noturno, favorecem a permanência de indivíduos em ambientes nos horários inapropriados, podendo causar ruídos excessivos pela realização de atividades, como, por exemplo, esporte em um ambiente de quadra de jogos.

1.2 Objetivos

Este trabalho tem como objetivo possibilitar a comunicação com o projeto ePoste, através de um sistema capaz de realizar transferência de dados de forma confiável, entre a rede local de sensores, concentradores e o servidor de dados na internet.

As informações consultadas no sensor contém a descrição atual de operação da lâmpada e também os sinais do consumo de corrente elétrica, intensidade luminosa e temperatura ambiente.

Desenvolvimento de uma infraestrutura de comunicação com múltiplos níveis de inteligência, onde o concentrador da rede local deverá ser capaz de operar mesmo na ausência de comunicação do sistema de gerenciamento de iluminação. As principais tarefas que deverão estar sob autonomia dos concentradores são as de controle de acionamento de lâmpadas, detecção de problemas na natureza de falha de comunicação, lâmpada queimada, reator com defeito, e até mesmo, detectar indícios de incêndios próximos a pontos de iluminação.

O sistema de gerenciamento de dados implementado no servidor deve ser preparado contra as principais falhas: tratamento de dados com erro; travamento na execução de rotinas de decodificações das mensagens; e, travamento com múltiplas requisições.

Com este trabalho, deve ser criado o sistema de gerenciamento local de dados operando no concentrador, que além das funcionalidades citadas acima, possua rotinas para captura de dados nos sensores, permitindo melhor fluxo das informações, evitando gargalo com os múltiplos envios dos sensores. O concentrador é formado por um microcomputador Raspberry Pi, que tem algumas vantagens como armazenamento e processamento relativamente alto, permitindo assim um alto grau de liberdade em implementações.

Sendo assim, o objetivo geral que estrutura este trabalho, é fazer com que desenvolvedores de sistemas, possam utilizar os dados sem a preocupação de gerência destes a “baixo nível”. Será disponibilizado a documentação do protocolo de mensagens implementado pelo servidor de dados em alto nível por requisições através do protocolo HTTP.

1.3 Projeto ePoste

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 3

[...] Teve como motivação o sistema de iluminação pública da cidade de Natal/RN, onde apresenta problemas recorrentes no aspecto do monitoramento, visto que atualmente não é possível detectar em tempo real as lâmpadas que estão acesas durante o dia, ou as que estão apagadas (queimadas) durante a noite. Estes fatores depreciam a eficiência dos serviços prestados, bem como, do uso dos recursos energéticos, posto que há desperdício de energia e, consequentemente, de recursos financeiros que poderiam ser aplicados no próprio sistema de iluminação pública. Este trabalho teve como objetivo a criação de um novo produto em substituição aos atuais relés fotoelétricos utilizados na iluminação pública, os quais possuem as mesmas funções, como também agregam outras: ligar ou desligar a lâmpada remotamente (flexibilização do controle a partir do uso de algoritmos supervisórios específicos), verificação do status da lâmpada (acesa ou

apagada) e comunicação sem fio com o sistema através do protocolo ZigBee (AMORIM, 2011).

1.4 Sistemas

de

gerenciamento

de

dados

por

comunicação sem fio

É comum o encontro de soluções implementadas com diversas tecnologias de comunicação sem fio. Com a facilidade em encontrar módulos que trabalhem com essas tecnologias sem fio, surge a possibilidade do desenvolvedor imaginar diversas situações em que podem ser aplicadas, tratando-se de transferências de mensagens personalizadas via internet, permitindo de qualquer lugar realizar uma simples alteração do estado de um dispositivo ou consulta de informações. A seguir são apresentados alguns trabalhos relacionados a esta proposta.

MONITORAMENTO DE ATIVOS HOSPITALARES ATRAVÉS DE UMA REDE DE SENSORES SEM FIO

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REDE ZIGBEE GERENCIADA POR SISTEMA DE MONITORAMENTO REMOTO UTILIZANDO TCP/IP E GPRS

[...] Propõe a integração de técnicas de sensoreamento dinâmico, redes de dados sem fio e internet. A implementação dos nós da rede visa permitir o monitoramento de objetos que se movem tanto numa rede interna, limitada a uma edificação, quanto numa rede externa, através de coordenadas GPS. A rede sem fio, que utiliza o protocolo ZigBee, é composta por sensores, atuadores e lâmpadas e é dotada de mobilidade através de controles remotos. A rede ZigBee é integrada, através de um gateway, a uma rede TCP/IP para permitir o

monitoramento e a atuação remota sobre ela, via um servidor HTTP e/ou uma rede de dados celular (GPRS), que, quando fora do alcance dos nós da rede ZigBee interna, torna-se responsável pelo envio de coordenadas GPS na rede externa (ZUCATO, 2009).

SISTEMA DE MONITORAMENTO DE SENSORES UTILIZANDO O PROTOCOLO ZIGBEE PARA COMUNICAÇÃO SEM FIO

[...] Criação de um sistema de monitoramento de sensores utilizando comunicação sem fio, permitindo acesso através de qualquer dispositivo ou computador que possua um navegador de internet. O sistema é composto pela parte que captura a informação dos sensores, pelo servidor web em conjunto com um sistema de gerenciamento de banco de dados e por um dispositivo, independente de plataforma, que possa se conectar a uma rede sem fio e utilizar o navegador para acessar o sistema. O sistema oferece ao usuário a possibilidade de visualizar as informações capturadas dos sensores em um gráfico linear, podendo acompanhar os dados capturados em período anteriores como também pode acompanhar em tempo real (JúNIOR et al., 2013).

CONTROLE À DISTÂNCIA DE DISPOSITIVOS DE ILUMINAÇÃO UTILIZANDO O PADRÃO ZIGBEE

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 5

O sistema contém funcionalidades responsáveis por manter o cadastro desses ambientes e dispositivos, além de efetuar o acionamento dos dispositivos cadastrados. O programa computacional interage com o módulo coordenador que envia as informações à placa XBee-Pro cuja finalidade é encaminhar as solicitações do sistema para o módulo remoto. O módulo remoto também contém um módulo XBee-Pro, além de um microcontrolador e dois relês responsáveis pelo acionamento dos dispositivos de iluminação (VENTURI, 2009).

SISTEMA DE AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL BASEADO EM SENSORES ZIGBEE

[...] Este trabalho consiste na implementação de um sistema de automação residencial baseado em diversos tipos de sensores sem fio. A atuação do sistema ocorre de forma automática, somente com as informações adquiridas desses sensores (movimento, temperatura, umidade, luminosidade, entre outros). Eles utilizam o protocolo ZigBee como meio de comunicação, formando uma rede sensores sem fio (ESCHNER, 2011).

UTILIZAÇÃO DA TECNOLOGIA ZIGBEE PARA SENSOREAMENTO DE NÍVEL DE RIO PARA MONITORAMENTO DE CHEIAS

[...] Devido ao grande numero de cheias que correm no Alto Vale do Itajaí surge à necessidade de monitoramento dos rios e córregos como medida preventiva e de alerta, portanto este trabalho tem como proposta a utilização de meios eletrônicos para medição do nível de rios substituindo meios tradicionais de medição, utilizando a integração de rede de sensores dinâmicos com a tecnologia sem fio Zigbee (STUHLER et al., 2012).

1.5 Organização do Trabalho

Este trabalho é apresentado de forma sequencial para o embasamento técnico-científi-co adequado para o entendimento ao assunto tratado. Descrição de cada capítulo:

• OCapítulo 1, no caso este, apresenta como se encontra o sistema de gerenciamento de dados, como é formado e suas funcionalidades. São relatados problemas que a sociedade encontra no cotidiano. Por fim, são apresentados os principais objetivos propostos na implementação do sistema.

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• No Capítulo 3 é apresentado como foi desenvolvido o trabalho proposto, mostrando como a solução do sistema do gerenciamento de dados funciona, detalhando as tecnologias e protocolos de comunicação.

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Capítulo 2

Principais Tecnologias Aplicadas

2.1 Rede sem fio

Rede sem fio é a comunicação sem a utilização de cabos elétricos, onde os sinais são transmitidos pelo meio atmosférico através de sinais de portadoras.

Os equipamentos utilizados para comunicação sem fio são relativamente mais caros, comparados com os de uma infra-estrutura de rede por cabeamento, isso em relação ao próprio avanço tecnológico, onde as redes sem fio estão também sendo utilizadas para transmissão de dados, assim como áudio e vídeo. A área de cobertura é um dos principais parâmetros para definir qual tecnologia de transmissão sem fio deve ser utilizada. Sendo estas organizadas em quatro grandes grupos: WPAN, WLAN, WMAN e WWAN.

• WPAN (Wireless Personal Area Network): Definido pelo padrão IEEE 802.15, essas redes são mais precisamente utilizadas em redes locais, possibilitando a comunicação entre dispositivos em distâncias curtas, algo em torno de 10 a 100 metros;

• WLAN (Wireless Local Area Network): Comum em redes locais, mas com alcance maior, entre 100 e 300 metros. Definido pelo padrão IEEE 802.11, possibilitando extensões à redes de cabeamentos, como par metálico ou fibra óptica;

• WMAN (Wireless Metropolitan Area Network): Esta é a rede responsável por fazer o link das redes locais para as redes de altas velocidades, ou seja, as redes que operam em banda larga;

• WWAN (Wireless Wide Area Network): São redes que utilizam tecnologias para transmissão em longas distâncias, usadas principalmente por concessionárias de telecomunicações em serviços de dados e de voz.

2.2 Redes ZigBee

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Tabela 2.1. As frequências de operação do padrão 802.15.4 podem ser 868/915 MHz ou 2.4GHz com 16 canais chegando a taxas de transmissões de 250kbps, sendo que essas frequências não requerem licença para funcionamento (DANTAS, 2010).

Usuário Aplicação

ZigBee Alliance Suporte e Aplicação Rede (NWK) / Segurança (SSP)

IEEE 802.15.4 MAC PHY

Tabela 2.1: Pilha do Protocolo ZigBee (fonte: www.gta.ufrj.br).

A tecnologia ZigBee aparece com alternativa viável, que possibilita a utilização dos sistemas de controle sem fio em dispositivos simples.

2.2.1 Topologias

Numa rede ZigBee pode se encontrar dois tipos de dispositivos, um com funções mais elaboradas e outros com menos, aplicados a uma determinada situação. São eles, o FFD e o RFD.

• FFD (Full Function Device): São dispositivos que possuem as funções completas, sendo mais complexos, consumindo mais energia devido a potencia de processamento do hardware embarcado, podendo operar como coordenador,

roteador ou dispositivo final na rede;

• RFD (Reduced Function Device): São dispositivos de funções limitadas em relação aos FFD’s, em uma rede ZigBee podem operar como roteadores ou dispositivos finais, sendo comumente utilizado com aplicações de sensores e acionadores.

O padrão ZigBee comporta três tipos lógicos de dispositivos, sendo eles: O Coordenador, o Roteador e o Dispositivo Final. A seguir é detalhado o papel de cada um desses na rede.

• ZC (ZigBee Coordinator): O dispositivo coordenador é definido somente a partir de um dispositivo FFD, sendo este responsável por gerenciar a rede ZigBee, como roteamento e distribuição de endereços, podendo até possibilitar a interconexões com outra rede ZigBee;

• ZR (ZigBee Router): O dispositivo Roteador também só pode ser implementado a partir de um FFD. Podendo criar rotas intermediárias de comunicação entre nós na rede, sem interferência do coordenador, sendo também utilizado como repetidor de sinais;

• ZED (ZigBee End Device): O Dispositivo Final pode ser definido por um FFD ou RFD, sendo este acoplado a sensores ou atuadores, podendo estar em modosleep

(24)

CAPÍTULO 2. PRINCIPAIS TECNOLOGIAS APLICADAS 9

A rede ZigBee pode operar em três possíveis topologias, sendo a estrela, o agrupamento em árvore e a mesh (malha). A topologia em estrela consiste de um ou

vários dispositivos finais que se comunicam somente com um coordenador, ver a Figura 2.1.

Figura 2.1: Topologia em Estrela.

Na topologia de agrupamento em árvore, na Figura 2.2, dispositivos finais estão conectados com o coordenador ou com os roteadores.

Figura 2.2: Topologia de Agrupamento em Árvore.

(25)

Figura 2.3: Topologia em Malha.

2.3 Padrão JSON (JavaScript Object Notation)

É um formato de mensagem de texto utilizado para transferência de dados, considerado mais simples e compacto em relação a mensagem no formato XML. O formato JSON apesar de simples, é bastante utilizados por grandes empresas de tecnologia da informação, assim como troca de dados em base de dados públicos (ECMA, 2013).

2.3.1 Sintaxe

A Sintaxe utilizada no formato JSON tem como base o principio usado no JavaScript para exibição de informações, onde cada valor é rotulado com um nome que exprime o seu significado, conforme o Exemplo 1.

Exemplo 1:

“ano”: 2014

Os valores apresentados no JSON podem ser: inteiro ou real, booleano, do tipo texto e null, sendo esses os valores bases, onde há algumas diferenciações nas impressões desses tipos, podendo ficar melhor entendido observando os exemplos de 2 a 6 mostrados a seguir.

Exemplo 2:

(26)

CAPÍTULO 2. PRINCIPAIS TECNOLOGIAS APLICADAS 11

Exemplo 3:

“descricao”: “www.eposte.com.br”

Exemplo 4: “temperatura”: -1

Exemplo 5: “estado”: false

Exemplo 6:

“descricao”:null

Além dos exemplos apresentados anteriormente com as definições dos tipos básicos, pode-se construir estruturas mais complexas, havendo inserções de caracteres especiais como: vírgula, colchetes e chaves. Essa estruturas são capazes de formar objetos que representam classes em programação, por exemplo, e como também, formar listas de objetos. Observar os Exemplos 7 e 8.

Exemplo 7: {

“titulo”: “Projeto ePoste”,

“resumo”: “Controle inteligente de iluminação pública”, “ano”: 2014,

}

Exemplo 8: [

{

“titulo”: “Projeto ePoste”,

“resumo”: “Controle inteligente de iluminação pública”, “ano”: 2014,

}, {

“titulo”: “Projeto Tijolo de Barro”,

“resumo”: “O Barro mais forte que cimento”, “ano”: 2014,

(27)

2.4 Considerações finais

(28)

Capítulo 3

Projeto: Resultados e Discussão

3.1 Considerações iniciais

Neste capítulo são apresentados os métodos e estratégias utilizados para a implementação do sistema de gerenciamento de dados no projeto ePoste. Também são apresentados os testes e os resultados esperados e atingidos.

3.2 Sistema de Gerenciamento de Dados - SGD

O sistema de gerenciamento de dados é formado pela composição de quatro partes, são elas: os sensores ePoste, os concentradores de dados, o servidor de dados e os sistemas clientes. Houve a preocupação na criação de hardware e software que

possibilitasse alta confiabilidade e segurança nas transações de dados no sistema. Na Figura 3.1 é apresentada a configuração do sistema, onde temos as redes locais formadas por concentradores em comunicação com os sensores sob o padrão ZigBee, podendo operar com até 65.536 sensores, e os concentradores por sua vez estão em comunicação direta com o servidor de dados, por fim, temos os sistemas cliente que comunicam com o servidor.

(29)

Figura 3.1: Fluxograma: Sistema de Gerenciamento de Dados.

A segurança no acesso as informação do SGD está no bloqueio do endereço eletrônico do cliente, assim, só permitindo os comando de requisições de sistemas com endereço autorizado.

3.3 Sensor

O dispositivo desenvolvido no projeto ePoste é composto de três sensores e um atuador. Os sensores presentes no ePoste são os de temperatura, corrente e luminosidade; e o atuador que possibilita o acionamento de um relé-eletromecânico. A seguir, são apresentados os circuitos para os sensores e atuador.

(30)

CAPÍTULO 3. PROJETO: RESULTADOS E DISCUSSÃO 15

Figura 3.2: Circuito do sensor de temperatura.

Para obter o valor da temperatura em graus Célsius (ºC), utiliza-se a Equação 3.1, ondeTEMPé o valor da conversão A/D com resolução de 16 bits.

T =

3.3

65535100(T EMP) +70

10 (3.1)

O circuito do sensor de corrente, apresentado na Figura 3.3 é composto principalmente pelo circuito integrado ACS712, capaz de medir a corrente alternada e convertendo para um valor contínuo para ser lido na conversão A/D.

Figura 3.3: Circuito do sensor de corrente.

Para obter o valor da corrente elétrica consumida pela carga em miliampere (mA), utiliza-se a Equação 3.2, onde CORR é o valor da conversão A/D com resolução de 16

bits.

C=

3.3

65535(CORR)−0.5

0.3

1000 (3.2)

(31)

dependente de luz. Esse sensores são comuns nos relés fotoelétricos na iluminação pública. O entendimento da operação do LDR é simples, onde, quando a intensidade luminosa aumenta a resistência diminui, e vice-versa. E através de um canal analógico é realizada a leitura para o microcontrolador. Ficou definido que quando a variável

LUMEN possuir valores menores que 30000, considere o ambiente escuro, e para os

valores maiores que 40000 considere o ambiente claro.

Figura 3.4: Circuito do sensor de luminosidade.

Para facilitar o trabalho com o valor LUMEN, utiliza-se a Equação 3.3 para ser

expresso em porcentagem (%).

L= (LU MEN)100

65535 (3.3)

Para acionamento da carga no sensor ePoste, foi desenvolvido o circuito atuador, mostrado na Figura 3.5, com a composição principal de um relé-eletromecânico. O comando de acionamento faz com que o nível de tensão em LAMP aumente

(32)

Figura 3.5: Circuito do atuador da carga.

A vantagem na utilização do relé para acionamento de altas cargas, é que com pequenas potências 5VDC/60mA, pode-se acionar circuitos com potências maiores 250VAC/7A, não ocorrendo perda de energia. Seguindo o padrão da iluminação pública, se um relé fotoelétrico apresentar problema, o sensor ePoste deve manter a lâmpada ligada (AMORIM, 2011).

Houve a preocupação em manter o padrão de encaixe com os relés convencionais, como visto na Figura 3.6, onde com uma simples troca este ponto de iluminação já pode ser monitorado.

(a) Sensor ePoste (padrão de encaixe). (b) Sensor ePoste (interior).

Figura 3.6: Sensor ePoste.

OFirmwaredo sensor ePoste foi modificado para atender algumas operações. Foram

(33)

comunicação com o concentrador através do protocolo detalhado no Apêndice B.

3.4 Concentrador

O concentrador tem a função de gerenciar a rede local em comunicação com os sensores ePoste operando sob o padrão ZigBee, realizando armazenamento das informações capturadas neles, e enviando para o servidor quando solicitado, através da internet.

A composição do concentrador é formada por um microcomputador Raspberry Pi (LANG et al., 2014), ver Figura 3.7, utilizado com o propósito de possibilitar um alto grau de liberdade na implementação do Sistema de Gerenciamento Local - SGL, levando em consideração a embarcação do sistema operacional Linux no microcomputador. A comunicação com a internet é feita através de um modem conectado à Raspberry Pi.

Figura 3.7: Raspberry Pi (Fonte: engineering.edx.org).

(34)

(a) XBeePro. (b) AUTCOM.

Figura 3.8: Dispositivos para a comunicação com a rede ZigBee.

Figura 3.9: DWM-156 (Fonte: www.dlink.ir).

(35)

Figura 3.10: Gabinetes dos módulos do concentrador.

Figura 3.11: Gabinete do concentrador.

(36)

sensores, pois havendo falha de comunicação de algum sensor que esteja operando como roteador, e na possibilidade de existência de outros sensores próximos ao concentrador, permitirá que este crie novas rotas de dados entre os dispositivos ZigBee, pois todos os módulos XBee estão se comunicando em topologia em malha.

Figura 3.12: Diagrama de blocos da implementação do concentrador.

O diagrama apresentado na Figura 3.12 mostra as implementações que compõem o concentrador. A Raspberry Pi esta operando com o sistema operacional “Debian Wheezy”, e com a aplicação desenvolvida em Java, faz o gerenciamento de dados dos sensores utilizando o banco de dados PostgreSQL (estrutura apresentada na Seção 3.6), estabelecendo conexão com o servidor via Socket e com os sensores pela rede de padrão ZigBee. Para o compartilhamento de dados foram criados protocolos de comunicação com o servidor e sensores.

3.5 Servidor

A estrutura que compõe o servidor de dados é apresentada no diagrama da Figura 3.13. A aplicação foi desenvolvido na linguagem Java. O armazenamento e consulta de dados é feito em banco de dados PostgreSQL. Mais a frente é apresentado na Seção 3.6 a estrutura do banco de dados, mostrando como estão dispostas as tabelas.

(37)

protocolo HTTP, operando sob os métodos GET e POST. Os padrões de mensagens utilizados para ambas as conexões são detalhado no Apêndice B.

Esta aplicação é responsável por toda a lógica de funcionamento entre o concentrador e o sistema cliente, nela está implementada a gestão dos fluxos de dados entre as partes com a formatação dos dados para o padrão do protocolo estabelecido e checagem de erros. Toda a disponibilização das informações para o cliente é no formato JSON (ECMA, 2014).

Figura 3.13: Diagrama de blocos da implementação do servidor.

3.6 Banco de dados

A descrição das tabelas do banco de dados implementadas no concentrador e no servidor, são apresentadas nas Figuras 3.14 e 3.15, respectivamente. A descrição das tabelas e suas funcionalidades estão no Apêndice A.

(38)

(39)

3.7 Comunicação

Figura 3.16: Diagrama de comunicação: sensor - concentrador - servidor - cliente.

Na comunicação entre as partes, todas as mensagens enviadas no sentido do cliente para o sensor, são de configurações e requisições, e no sentido sensor para cliente são as mensagens de respostas as configurações e requisições. No Apêndice B, são definidos os formatos e padrões dos tipos das mensagens implementadas.

3.8 Aplicativo para cadastro de sensor ePoste

(40)

(a) Tela principal para inserção dos dados.

(b) Mapa para localização de poste

(c) Leitor de código de barras.

Figura 3.17: Aplicativo para cadastro de sensor ePoste.

3.9 Sistema cliente de gerenciamento de iluminação

A empresa CSL - Soluções em Informática, trabalha na construção e manutenção no sistema de ordens de serviços ecall center junto a Prefeitura do Natal/RN. No entanto,

(41)

Figura 3.18: Tela de login no sistema cliente.

(42)

Figura 3.20: Tela de comandos de pontos de iluminação no sistema cliente.

A integração deste sistema com a de abertura de chamados para as empresas terceirizadas que prestam serviços à Prefeitura do Natal/RN, possibilita que toda essa negociação seja feita de forma automática sem intervenção de um usuário operador, uma vez que o sistema cliente possui rotinas capazes de detectar possíveis problemas onde os sensores ePoste estão instalados. As Figuras 3.18, 3.19 e 3.20 mostram o ambiente do sistema.

3.10 Considerações finais

Os resultados obtidos foram satisfatórios nos sentidos de conectividade, disponibilidade e confiabilidade nas transferências dos dados. O concentrador teve comportamento estável em sua operação. Com o protocolo estabelecido tornou-se simples e seguro a implementação, no quesito de checagem de erros para a comunicação entre sensor, concentrador e servidor, e também entre o servidor e cliente na checagem do endereço IP permitindo ou não o acesso as informações contidas no servidor de dados pelos sistemas clientes. Uma das principais vantagens que o sistema apresenta é a forma simples de comunicação com estes sistemas através do padrão de mensagens JSON.

(43)

Conclusões

Como mostrado ao longo desta pesquisa, criou-se o Sistema de Gerenciamento de Dados em contribuição ao trabalho de (AMORIM, 2011), aperfeiçoando o controle dos dados do projeto ePoste. Como inovação, o sistema possibilita a comunicação remota de sistemas clientes com os sensores, mantendo-o online sempre que houver a necessidade de consulta de dados referentes aos pontos de iluminação, como as correntes de consumo, intensidade luminosa e temperatura ambiente em ponto específico, e, partindo desse pressuposto a identificação, por exemplo, de uma lâmpada queimada.

Foram realizados testes de funcionalidades do sistema que se mostrou bem operacional, sendo instalados cerca de 200 sensores na Av. Rio Branco e na Rua João Pessoal, no centro de Natal/RN.

Tornou-se possível a atualização remota do firmware embarcado no sensor ePoste,

pois antes deste trabalho, a reprogramação necessitava de mais pessoas envolvidas, como profissionais para remover e instalar os sensores, podendo demandar bastante tempo, onde teria que aguarda a disponibilidade da equipe especializada contratada pela Prefeitura de Natal/RN. Parte do processo é apresentado na Figura 4.1.

Figura 4.1: Instalação do sensor ePoste.

(44)

CAPÍTULO 4. CONCLUSÕES 29

execução de aplicações em linguagens de alto nível, como a Java que foi utilizada na implementação do sistema.

Nesta perspectiva, benefícios relevantes surgirão para a sociedade com a concretização deste trabalho, pois destacamos que no sistema tradicional a solução para os problemas são demorados devido a chegada tardia das informações, elevando os custos na manutenção, e como também, a insatisfação dos cidadãos que realizam ligações relatando o problema e cobrando sua solução.

Com este sistema implantado, as informações de todos os sensores são atualizadas em frações de minutos, dando a possibilidade da equipe responsável pela assistência definir um plano de atuação identificando principalmente as prioridades e custos nas locomoções. Há também uma grande economia relacionada ao valor pago à concessionária de energia elétrica, em que não mais pagaria por valores estatísticos de utilização desta, arcando agora com os custos do real consumo da iluminação.

Adicionalmente, o sistema empregado para o gerenciamento de dados armazena informações acerca das temperaturas em cada ponto de iluminação que o sensor ePoste esteja instalado, identificando possíveis incêndios por elevações atípicas de temperatura, que por sua vez essas informações podem estar em constante monitoramento pelas autoridades competentes.

4.1 Perspectivas desta pesquisa

• Conexão do concentrador com a internet: Para melhor operabilidade nas transferências de informações no sistema, convém a substituição da tecnologia de comunicação utilizada pelo concentrador em conexão com a internet por outra de maior velocidade e que se mantenha o máximo de tempo disponível, como também na comunicação com o servidor de dados, pois este é responsável pelo fornecimento de todas as informações para os sistemas clientes.

• Possibilidades de monitoramentos diversos: A estrutura de comunicação do sistema desenvolvido, pode ser aplicado em outras áreas que precise de monitoramento de variáveis, como fumaça, umidade, pressão e etc. Realizando alterações para os sensores específicos, e adequação no protocolo.

• Coletar automaticamente as coordenadas geográficas dos sensores: O processo de instalação dos sensores ePoste demora um tempo consideravelmente alto, onde o instalador tem que coletar as coordenadas de localização onde o sensor esta sendo instalado, buscando o local específico no mapa, conforme visto na Seção 3.8. A proposta é que se faça uso da potência dos sinais de comunicação, onde através de algorítimo específico seja estimada sua localização. Um dos grandes desafios para isto são as construções interferindo no sinal de comunicação.

(45)

AMORIM, L. G. P. Utilização de Sistemas Dedicados e Protocolos de Rede Aplicados à Eficiência Energética da Iluminação Pública. Dissertação (Mestrado) — Universidade

Federal do Rio Grande do Norte, Natal, RN, nov. 2011.

AVELINO Álvaro M.; RêGO, S. de P.; AMORIM, L. G. de P.; FERNANDES, J. D. Monitoramento de ativos hospitalares através de uma rede de sensores sem fio. Revista Brasileira de Inovação Tecnológica em Saúde, v. 2, p. 1–8, 2012.

DANTAS, M. Redes de Comunicação e Computadores: Abordagem Quantitativa.

Florianópolis: Visual Books, 2010.

DIGI.ZigBee RF Modules by Digi International. Minnetonka, USA, set. 2011.

ECMA.The JSON Data Interchange Format. Genebra, Suiça, out. 2013.

ECMA.Introdução ao JSON. [S.l.], out. 2014. Disponível em: <http://www.json.org/>.

ESCHNER, R. H. Sistema de Automação Residencial Baseado em Sensores ZigBee.

Dissertação (Mestrado) — Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, 2011.

JúNIOR, F. I. de A.; MIRANDA, S. de S. C.; JúNIOR, W. S. da S. Sistema de monitoramento de sensores utilizando o protocolo zigbee para comunicação sem fio.

CONGIC - Congresso Nacional de Iniciação Científica, 2013.

LANG, J.; BRABEN, D.; GLASS, L.; LOMAS, P.; MYCROFT, A. Raspberry Pi’ Homepage. [S.l.], out. 2014. Disponível em: <http://www.raspberrypi.org/>.

STUHLER, J. A.; ALEXANDRINI, F.; ALEXANDRINI, C. F. D.; FAVERI, J. E. de; ARAúJO, T. S. Utilização da tecnologia zigbee para sensoriamento de nível de rio para monitoramento de cheias.SEGT - Simpósio de Excelência em Gestão e Tecnologia, 2012.

VENTURI, P. A. Controle à Distância de Dispositivos de Iluminação Utilizando o Padrão ZigBee. Dissertação (Mestrado) — Faculdade de Tecnologia e Ciências Sociais

Aplicadas, Brasília, DF, jan. 2009.

ZUCATO, F. L. Rede ZigBee Gerenciada por Sistema de Monitoramento Remoto Utilizando TCP/IP e GPRS. Dissertação (Mestrado) — Universidade de São Paulo, São

Paulo, SP, 2009.

(46)

Apêndice A

Bancos de Dados

A.1 Banco de dados no concentrador

Para o armazenamento das informações capturadas dos sensores, e para o controle de envio e recebimento de mensagens no concentrador, foi definido um banco de dados composto por três tabelas, sendo elas: “InformationSensor”, “SendCommandSensor” e “RecvCommandSensor”.

InformationSensor

id:long sensorId:long currenteValue:long temperatureValue:long lumenValue:long powerSignalValue:long modeOperation:long date:Date

time:Time

dateDiscovery:Date timeDiscovery:Time

Tabela A.1: Tabela InformationSensor no concentrador.

(47)

SendCommandSensor

id:long seq:long

commandId:long sensorId:long

Tabela A.2: Tabela SendCommandSensor.

O objetivo da Tabela A.2 de nome “SendCommandSensor” como o próprio nome já sugere, ela auxilia no envio de comandos. Esses são os comandos que são direcionados para os sensores. O campo “seq” é utilizado no controle de confirmações de recebimento de mensagens; o comando é indicado no campo “commandId”, e o “sensorId” para identificar o sensor.

RecvCommandSensor

id:long seq:long

commandId:long sensorId:long

Tabela A.3: Tabela RecvCommandSensor.

A Tabela A.3 de nome “RecvCommandSensor” tem o objetivo de auxiliar no recebimento de comandos. Esses são os comandos que são recebidos dos sensores.

A.2 Banco de dados no servidor

(48)

APÊNDICE A. BANCOS DE DADOS 33 Concentrator id:long concentratorId:long description:String ip:String dateDiscovery:Date timeDiscovery:Time lat:double lon:double

Tabela A.4: Tabela Concentrator.

A Tabela A.4 de nome “Concentrator” representa para o sistema em seus elementos os concentradores, onde além de alguns de seus campos já conhecidos, temos o campo “ip” para armazenamento último endereço eletrônico atribuído, utilizado para identificar os envios de mensagens ao concentrador, e também os campos “lat” e “lon”, para cadastramento das suas coordenadas de latitude e longitude para o georreferenciamento, estes parâmetros são configurados manualmente por comando específico que ainda será apresentado no Apêndice B.

InformationSensor id:long sensorId:long concentratorId:long currenteValue:long temperatureValue:long lumenValue:long powerSignalValue:long modeOperation:long date:Date time:Time dateDiscovery:Date timeDiscovery:Time powerLamp:long lat:double lon:double

Tabela A.5: Tabela InformationSensor no servidor.

(49)

conectado, o campo “powerLamp” para a potência da carga instalada, e “lat” e “lon” para as coordenadas de localização.

InformationSensorHistory

id:long sensorId:long concentratorId:long currenteValue:long temperatureValue:long lumenValue:long powerSignalValue:long modeOperation:long date:Date

time:Time

dateDiscovery:Date timeDiscovery:Time

Tabela A.6: Tabela InformationSensorHistory.

(50)

Apêndice B

Comunicação e Padrões de Mensagens

B.1 Estrutura do quadro de mensagens: servidor

-concentrador - sensor

As mensagens trocadas entre o servidor de dados, concentrador e os sensores ePoste, são definidas a partir do formato de quadro mostrado na Tabela B.1. Este quadro possui sua estrutura bem definida com o início de quadro, tamanho de mensagem, identificação, campo de dados e valor para correção de erros na transmissão.

Formato de quadro de mensagens:

Byte 1 Byte 2 Byte 3 Bytes 4-7 Bytes 8-n Byte (n+1)

(DI) (CO) (ID) (SEQ) (DA) (CS)

1 byte 1 byte 1 byte 4 bytes (n-3) bytes 1 byte

Tabela B.1: Formato do quadro de mensagens: servidor - concentrador - sensor.

Descrição do formato de quadro:

• Byte 1: Delimitador de início de quadro (DI)

– Constante 0x7E. Indica que o byte seguinte é o de comprimento. • Byte 2: Comprimento de Quadro (CO)

– O valor do byte de comprimento é igual ao total de bytes do quadro excluídos o byte delimitador de início, o byte de comprimento e o byte de checksum.

– Comprimento [bytes] = ID + SEQ + DA.

– Comprimento [bytes] = Total de bytes do quadro - 3. • Byte 3: Identificador (ID)

– Identifica o tipo de mensagem.

• Bytes 4-7:Sequência de mensagem (SEQ)

(51)

• Bytes 8-n:Dados do Quadro (DA) – Contém os dados do quadro. • Byte (n+1): Checksum (CS)

– Utilizado para verificar integridade dos dados na recepção.

– Calcular: sem incluir o delimitador de início e o byte de comprimento, somam-se todos os bytes mantendo apenas os 8 bits menos significativos do resultado e subtrai de 0xFF.

– Verificar: soma-se todos os bytes, exceto o delimitador de início e o byte de tamanho, incluindo o checksum. A soma deverá ser igual a 0xFF.

B.2 Padrões de mensagens

Os padrões de mensagens são estruturas definidas a partir do formato de quadro apresentado na Tabela B.1, onde em cada operação a mensagem contém uma identificação única (indicada no campo “ID”) independente de onde está sendo transmitida. De acordo com a operação a ser realizada, o campo “DA” conterá uma subestrutura informando os dados necessário na tarefa. A seguir são definidas as subestruturas.

B.2.1 SOLICITAÇÃO DO ESTADO DE CONEXÃO

Figura B.1: Diagrama de comunicação: Estado de conexão.

ID: 0x2A-CONNECTION_STATUS_SC

Origem: Servidor Destino: Concentrador

(52)

APÊNDICE B. COMUNICAÇÃO E PADRÕES DE MENSAGENS 37

Byte 1 Byte 2 Byte 3 Bytes 4-7 Byte 8

DI CO ID SEQ CS

0x7E 0x05 0x2A 4 bytes 1 byte

Tabela B.2: Formato da mensagem para solicitação do estado de conexão.

Mensagem enviada do servidor para o concentrador em solicitação do estado de conexão.

ID: 0x01-CONNECTION_STATUS_CS

Origem: Concentrador Destino: Servidor

Estrutura do Quadro:

DI CO ID SEQ CS

0x7E 0x05 0x01 4 bytes 1 byte

Tabela B.3: Formato da mensagem para resposta do estado de conexão.

Mensagem enviada do concentrador para o servidor em resposta ao estado de conexão.

B.2.2 CONSULTA DE DADOS DO SENSOR

Figura B.2: Diagrama de comunicação: Consulta de dados do sensor.

ID: 0x02-REQ_DATA_CS

Origem: Concentrador Destino: Sensor

(53)

DI CO ID SEQ CS

Tabela B.4: Formato da mensagem para consulta de dados do sensor.

Mensagem enviada do concentrador para o sensor para consulta de dados.

ID: 0x03-RES_DATA_SC

Origem: Sensor Destino: Concentrador

Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Bytes 5-13 Byte 14

DI CO ID SEQ DA CS

0x7E 0x0E 0x03 4 bytes 9 bytes 1 byte

Subestrutura do quadro no campo dados (DA):

Bytes 5-6 Bytes 7-8 Bytes 9-10 Bytes 11-12 Bytes 13

COR TEM LUM SIN MOD

2 bytes 2 bytes 2 bytes 2 bytes 1 byte

Tabela B.5: Formato da mensagem para resposta à consulta de dados do sensor.

Descrição do formato da subestrutura do quadro:

• Bytes 5-6:Corrente (COR)

– Valor da conversão A/D (analógica para digital), com resolução de 16 bits, do sinal de corrente consumido pela carga no sensor.

• Bytes 7-8:Temperatura (TEM)

– Valor da conversão A/D, com resolução de 16 bits, da temperatura no interior do sensor.

• Bytes 9-10:Luminosidade (LUM)

– Valor da conversão A/D, com resolução de 16 bits, da intensidade luminosa do ambiente.

• Bytes 11-12:Potência do sinal (SIN)

– Valor da conversão A/D, com resolução de 16 bits, da intensidade da potencia do sinal de comunicação sem fio.

(54)

– Valor que contém o modo de operação do sensor. Podendo assumir o valores: * 0x00: O acionamento da carga depende da intensidade luminosa;

* 0x01: A carga está sempre ligada; * 0x02: A carga está sempre desligada.

Mensagem enviada do sensor para o concentrador em resposta a consulta de dados.

B.2.3 LIGAR A CARGA DO SENSOR

Figura B.3: Diagrama de comunicação: Ligar a carga do sensor.

ID: 0x04-REQ_ON_CS

DI CO ID SEQ CS

Tabela B.6: Formato da mensagem para ligar a carga do sensor.

Mensagem enviada do concentrador para o sensor para ligar a carga.

ID: 0x05-RES_ON_SC

Byte 1 Byte 2 Byte 3 Bytes 4-7 Bytes 8-10 Byte 11

DI CO ID SEQ DA CS

(55)

Bytes 8-9 Byte 10

COR MOD

2 bytes 1 byte

Tabela B.7: Formato da mensagem para resposta ao ligar a carga do sensor.

Mensagem enviada do sensor para o concentrador em resposta ao ligar a carga.

B.2.4 DESLIGAR A CARGA DO SENSOR

Figura B.4: Diagrama de comunicação: Desligar a carga do sensor.

ID: 0x06-REQ_OFF_CS

DI CO ID SEQ CS

Tabela B.8: Formato da mensagem para desligar a carga do sensor.

Mensagem enviada do concentrador para o sensor para desligar a carga.

ID: 0x07-RES_OFF_SC

(56)

DI CO ID SEQ DA CS

0x7E 0x08 0x07 4 bytes 3 bytes 1 byte

Bytes 8-9 Byte 10

COR MOD

2 bytes 1 byte

Tabela B.9: Formato da mensagem para resposta ao desligar a carga do sensor.

Mensagem enviada do sensor para o concentrador em resposta ao desligar a carga.

B.2.5 CONFIGURAÇÃO DE ACIONAMENTO AUTOMÁTICO

DA CARGA DO SENSOR

Figura B.5: Diagrama de comunicação: Configurar o acionamento automático da carga do sensor.

ID: 0x08-REQ_AUTO_CS

DI CO ID SEQ CS

(57)

Mensagem enviada do concentrador para o sensor para a configuração de acionamento automático da carga.

ID: 0x09-RES_AUTO_SC

DI CO ID SEQ DA CS

Bytes 8-9 Byte 10

COR MOD

2 bytes 1 byte

Tabela B.11: Formato da mensagem para resposta da configuração de acionamento automático da carga do sensor.

Mensagem enviada do sensor para o concentrador em resposta a configuração de acionamento automático da carga.

B.2.6 LIGAR A CARGA DOS SENSORES

(58)

ID: 0x3B-REQ_ON_ALL_CS

DI CO ID SEQ CS

0x7E 0x05 0x3B 4 bytes 1 byte

Tabela B.12: Formato da mensagem para ligar a carga dos sensores.

Mensagem enviada do concentrador para os sensores conectados a este, para ligar a carga.

ID: 0x3C-RES_ON_ALL_SC

DI CO ID SEQ DA CS

0x7E 0x08 0x3C 4 bytes 3 bytes 1 byte

Bytes 8-9 Byte 10

COR MOD

2 bytes 1 byte

Tabela B.13: Formato da mensagem de resposta ao acionamento da carga dos sensores.

(59)

B.2.7 DESLIGAR A CARGA DOS SENSORES

Figura B.7: Diagrama de comunicação: Desligar a carga dos sensores.

ID: 0x3D-REQ_OFF_ALL_CS

DI CO ID SEQ CS

0x7E 0x05 0x3D 4 bytes 1 byte

Tabela B.14: Formato da mensagem para desligar a carga dos sensores.

Mensagem enviada do concentrador para os sensores conectados a este, para desligar a carga.

ID: 0x3E-RES_OFF_ALL_SC

DI CO ID SEQ DA CS

0x7E 0x08 0x3E 4 bytes 3 bytes 1 byte

(60)

Bytes 8-9 Byte 10

COR MOD

2 bytes 1 byte

Tabela B.15: Formato da mensagem para resposta ao desligar da carga dos sensores.

Mensagem enviada para o concentrador a partir dos sensores conectados a este, em resposta ao desligar carga pelo comando REQ_OFF_ALL_CS.

B.2.8 CONFIGURAÇÃO DE ACIONAMENTO AUTOMÁTICO

DA CARGA DOS SENSORES

Figura B.8: Diagrama de comunicação: Configuração de acionamento automático da carga dos sensores.

ID: 0x3F-REQ_AUTO_ALL_CS

DI CO ID SEQ CS

0x7E 0x05 0x3F 4 bytes 1 byte

Tabela B.16: Formato da mensagem para a configuração de acionamento automático da carga dos sensores.

(61)

ID: 0x40-RES_AUTO_ALL_SC

DI CO ID SEQ DA CS

Bytes 8-9 Byte 10

COR MOD

2 bytes 1 byte

Tabela B.17: Formato da mensagem para resposta da configuração de acionamento automático da carga dos sensores.

Mensagem enviada para o concentrador a partir dos sensores conectados a este, em resposta a configuração de acionamento automático da carga pelo comando REQ_AUTO_ALL_CS.

B.2.9 CONSULTA DE DADOS DOS SENSORES

Figura B.9: Diagrama de comunicação: Consulta de dados dos sensores.

ID: 0x1F-REQ_DATA_ALL_SC

(62)

DI CO ID SEQ CS

0x7E 0x05 0x1F 4 bytes 1 byte

Tabela B.18: Formato da mensagem para consulta de dados dos sensores.

Mensagem enviada do servidor para o concentrador, para consulta de dados dos sensores.

ID: 0x20-RES_DATA_ALL_CS

DI CO ID SEQ DA CS

0x7E 0x2A 0x20 4 bytes 37 bytes 1 byte

Bytes 8-15 Bytes 6-23 Bytes 24-25 Bytes 26-27 Bytes 28-29 Bytes 30-31

CON_ID SEN_ID COR TEM LUM SIN

8 bytes 8 bytes 2 bytes 2 bytes 2 bytes 2 bytes

Bytes 32 Bytes 33-35 Bytes 36-38 Bytes 39-41 Bytes 42-44

MOD DTL TML DTD TMD

1 byte 3 bytes 3 bytes 3 bytes 3 bytes

Tabela B.19: Formato da mensagem para resposta à consulta de dados dos sensores.

Descrição do formato da subestrutura do quadro:

• Bytes 8-15:Identificação do concentrador (CON_ID)

– Identificação única do concentrador tendo como referência o código serial contido no processador da Raspberry Pi.

• Bytes 33-35:Data do Log (DTL)

(63)

• Bytes 36-38:Hora do Log (TML)

– Hora referente ao ultimo log de informações do sensor capturado pelo concentrador. Na ordem: hora(s), minuto(s) e segundo(s).

• Bytes 39-41:Data do Log (DTD)

– Data referente a ultima descoberta do sensor na rede local. Na ordem: dia, mês e ano (duas ultimas casas decimais).

• Bytes 42-44:Hora do Log (TMD)

– Hora referente a ultima descoberta do sensor na rede local. Na ordem: hora(s), minuto(s) e segundo(s).

Mensagem enviada do concentrador para o servidor em resposta à consulta de dados dos sensores.

B.2.10 LIGAR A CARGA DO SENSOR PELO SERVIDOR

Figura B.10: Diagrama de comunicação: Ligar a carga do sensor pelo servidor.

ID: 0x15-REQ_ON_SC

DI CO ID SEQ SEN_ID CS

0x7E 0x0D 0x15 4 bytes 8 bytes 1 byte

Tabela B.20: Formato da mensagem para ligar a carga do sensor pelo servidor.

(64)

ID: 0x16-RES_AUTO_CS

DI CO ID SEQ DA CS

Bytes 8-15 Bytes 16-23 Bytes 24-25 Byte 26

CON_ID SEN_ID COR MOD

8 bytes 8 bytes 2 bytes 1 byte

Tabela B.21: Formato da mensagem para resposta ao ligar a carga do sensor pelo servidor.

Mensagem enviada do concentrador para o servidor em resposta ao ao ligar a carga do sensor especificado.

B.2.11 DESLIGAR A CARGA DO SENSOR PELO SERVIDOR

Figura B.11: Diagrama de comunicação: Desligar a carga do sensor pelo servidor.

ID: 0x17-REQ_OFF_SC

(65)

Tabela B.22: Formato da mensagem para desligar a carga do sensor pelo servidor.

Mensagem enviada do servidor para concentrador, para desligar a carga do sensor especificado.

ID: 0x18-RES_OFF_CS

DI CO ID SEQ DA CS

Tabela B.23: Formato da mensagem para resposta ao desligar a carga do sensor pelo servidor.

(66)

B.2.12 CONFIGURAÇÃO DE ACIONAMENTO AUTOMÁTICO

DA CARGA NO SENSOR PELO SERVIDOR.

Figura B.12: Diagrama de comunicação: Configurar o acionamento automático da carga do sensor pelo servidor.

ID: 0x19-REQ_AUTO_SC

Tabela B.24: Formato da mensagem para a configuração de acionamento automático da carga do sensor pelo servidor.

Mensagem enviada do servidor para concentrador, para a configuração de acionamento automático da carga do sensor especificado

ID: 0x1A-RES_AUTO_CS

DI CO ID SEQ DA CS

0x7E 0x18 0x1A 4 bytes 20 bytes 1 byte

(67)

Tabela B.25: Formato da mensagem para resposta da configuração de acionamento automático da carga do sensor pelo servidor.

Mensagem enviada do concentrador para o servidor em resposta ao comando de configuração para operação automática da carga do sensor especificado.

B.2.13 LIGAR A CARGA DOS SENSORES PELO SERVIDOR.

Figura B.13: Diagrama de comunicação: Ligar a carga dos sensores pelo servidor.

ID: 0x35-REQ_ON_ALL_SC

Byte 1 Byte 2 Byte 3 Bytes 4-7 Bytes 8

DI CO ID SEQ CS

Tabela B.26: Formato da mensagem para ligar a carga dos sensores pelo servidor.

Mensagem enviada do servidor para concentrador para ligar a carga dos sensores conectados ao concentrador.

ID: 0x36-RES_ON_ALL_CS