Sistema de Monitorização de Comportamento Animal: O Ciclo Reprodutivo

Sistema de Monitoriza¸c˜

ao de Comportamento

Animal - O Ciclo Reprodutivo

Por

Ricardo Manuel Dias Antunes

Orientador: Pedro Miguel Mestre Alves da Silva

Co-orientador: Carlos Manuel Jos´e Alves Serˆodio

Disserta¸c˜ao submetida `a

UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o

74/2006 de 24 de Mar¸co e no Regulamento de Estudos P´os-Graduados da UTAD

DR, 2.a

s´erie – Delibera¸c˜ao n.o

Sistema de Monitoriza¸c˜

ao de Comportamento

Animal - O Ciclo Reprodutivo

Por

Ricardo Manuel Dias Antunes

Orientador: Pedro Miguel Mestre Alves da Silva

Co-orientador: Carlos Manuel Jos´e Alves Serˆodio

Disserta¸c˜ao submetida `a

UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o

74/2006 de 24 de Mar¸co e no Regulamento de Estudos P´os-Graduados da UTAD

DR, 2.a

s´erie – Delibera¸c˜ao n.o

Orienta¸c˜ao Cient´ıfica :

Pedro Miguel Mestre Alves da Silva

Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias da Escola de Ciˆencias e Tecnologia da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

Carlos Manuel Jos´e Alves Serˆodio

Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias da Escola de Ciˆencias e Tecnologia da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

”O que sabemos ´e uma gota, o que ignoramos ´e um oceano.” Isaac Newton, (1642-1727)

`

A minha Fam´ılia, em especial aos meus pais Ant´onio e Nat´alia `

A minha namorada Concei¸c˜ao

Sistema de Monitoriza¸c˜ao de Comportamento

Animal - O Ciclo Reprodutivo

Ricardo Manuel Dias Antunes

Submetido na Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro para o preenchimento dos requisitos parciais para obten¸c˜ao do grau de

Mestre em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores

Resumo — Ao longo dos ´ultimos anos tem-se verificado nas explora¸c˜oes pecu´arias a necessidade de melhorar a eficiˆencia da produ¸c˜ao animal. A t´ecnica de insemina¸c˜ao artificial (IA) ´e a op¸c˜ao de baixo custo mais plaus´ıvel para optimizar a eficiˆencia re-produtiva e consequente melhoramento gen´etico. No entanto, o ˆexito da insemina¸c˜ao artificial ´e fundamentado na correcta e atempada detec¸c˜ao do estro comportamen-tal (cio). Torna-se assim imprescind´ıvel estudar sinais comportamentais e biol´ogicos dos animais durante o ciclo reprodutivo.

A utiliza¸c˜ao de t´ecnicas de avalia¸c˜ao do comportamento animal durante o ciclo re-produtivo s˜ao baseadas em m´etodos de an´alise de longo termo e cansativos, por vezes aumentando o desconforto do animal. Contudo, assistiu-se nas ´ultimas d´ecadas a um elevado desenvolvimento e miniaturiza¸c˜ao da electr´onica de consumo assim como das comunica¸c˜oes. Assim, as comunica¸c˜oes assumem-se cada vez mais indispens´aveis no quotidiano, nas mais diversas ´areas, potenciando a automatiza¸c˜ao do processo muito dependente da interven¸c˜ao humana. Resultante deste desenvolvimento, registam-se grandes progressos tecnol´ogicos como o aparecimento de v´arios tipos de redes e protocolos para suporte de comunica¸c˜oes sem fios.

O objectivo deste trabalho ´e implementar um sistema de monitoriza¸c˜ao, que de forma autom´atica caracterize o processo de cobri¸c˜ao (n´umero de saltos, dura¸c˜ao e identi-fica¸c˜ao dos animais envolvidos no salto), registando a hora e data da ocorrˆencia. O sistema desenvolvido ´e de baixo consumo e utiliza a tecnologia RFID (Radio Fre-quency Identification) para a identifica¸c˜ao dos animais envolvidos, para o processa-mento dos dados um microcontrolador e para as comunica¸c˜oes uma WSN (Wireless Sensor Network ) baseada no padr˜ao IEEE 802.15.4.

Palavras Chave: Sistema de monitoriza¸c˜ao, Reprodu¸c˜ao animal, RFID, WSN, IEEE 802.15.4.

Monitoring System for Animal

Behavior - The Reproductive Cycle

Ricardo Manuel Dias Antunes

Submitted to the University of Tr´as-os-Montes and Alto Douro in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Electrical and Computers Engineering

Abstract — Over recent years there has been in livestock explorations the need to increase the efficiency of animal production. The technique of artificial insemination (AI) is the low cost option more plausible to optimize the reproductive efficiency and consequent genetic improvement. However, the success of artificial insemina-tion is based on correct and timely detecinsemina-tion of behavioral estrus (heat). It thus becomes essential to study the behavioral and biological signs of animals during the reproductive cycle.

The utilization of evaluation techniques of animal behavior during the reproductive cycle are based on analytical methods that are long-term and tiring, sometimes in-creasing the discomfort of the animal. However, We saw in recent decades to a high development and miniaturization of consumer electronics as well as the communi-cations. So, communications are assumed to be increasingly essential in everyday’s life, in several areas, potentiating the automatization of the process very dependent on human intervention. Resulting from this development, was register greatest tech-nological progress as the emergence of various types of networks and protocols to support wireless communications.

It is objective of this work to implement a monitoring system, to automatically characterize the process of mating (number of jumps, duration and identification of animals involved in the jump) and register the time and date of the occurrence. The system developed is low-power consumption and that uses RFID (Radio Fre-quency Identification) technology to identify the involved animals, a microcontroller to process the data and for communications a WSN (Wireless Sensor Network ) based on the IEEE 802.15.4 standard was used.

Key Words: Monitoring System, Animal reproduction, RFID, WSN, IEEE 802.15.4.

Agradecimentos

Os meus sinceros agradecimentos ao Professor Doutor Pedro Mestre e ao Professor Doutor Carlos Serˆodio na qualidade de orientadores da presente disserta¸c˜ao, pela sua gentileza, apoio, partilha do saber, pela disponibilidade em efectuar revis˜oes e sugest˜oes e por toda a confian¸ca depositada em mim para concluir este trabalho. O meu apre¸co pela sua amizade e apoio no decorrer deste ´ultimo ano.

Aos Professores Jorge Azevedo e Jos´e Carlos Almeida pela sua disponibilidade, apoio e por todas as informa¸c˜oes que gentilmente disponibilizaram.

Aos meus pais, pela educa¸c˜ao e valores transmitidos e por todos os sacrif´ıcios que fizeram para eu efectuar o meu percurso acad´emico. Obrigado por todo o apoio e motiva¸c˜ao que demonstraram perante as adversidades e dificuldades na realiza¸c˜ao deste trabalho. Aos meus irm˜aos por tudo aquilo que representam, estando sempre presentes quando mais preciso.

`

A minha namorada, pelo apoio, amor, amizade, compreens˜ao e companheirismo que me foi dado.

Aos meus amigos por estes bons anos de amizade, companheirismo e camaradagem. Por ´ultimo, gostaria de agradecer `a Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro por me ter proporcionado este excelente percurso acad´emico.

A todos, bem hajam !

´Indice

Resumo ix

Abstract xi

Agradecimentos xiii

´Indice de Tabelas xix

´Indice de Figuras xxiii

1 Introdu¸c˜ao 1

1.1 Motiva¸c˜ao . . . 1

1.2 Objectivos . . . 2

1.3 Implementa¸c˜ao . . . 3

1.4 Organiza¸c˜ao da Disserta¸c˜ao . . . 4

2 Identifica¸c˜ao de Cios em Fˆemeas Ovinas 5 2.1 Ciclo ´Estrico Ovino . . . 5

2.2 M´etodos de Detec¸c˜ao do Cio . . . 6

2.2.1 Observa¸c˜ao Visual . . . 7 xv

2.2.2 Detectores de Monta Sens´ıveis `a Press˜ao . . . 8

2.2.3 Detectores de Monta Electr´onicos . . . 10

3 Enquadramento Tecnol´ogico 13 3.1 RFID – Radio Frequency Identification . . . 13

3.1.1 Tags . . . 15

3.1.2 Banda de Frequˆencias . . . 17

3.1.3 Leitores . . . 18

3.1.4 Antenas . . . 19

3.1.5 EPC (Electronic Product Code) . . . 19

3.1.6 Tipos de Comunica¸c˜ao . . . 20

3.2 WSN – Wireless Sensor Network . . . 24

3.2.1 O padr˜ao IEEE 802.15.4 . . . 25

4 Concep¸c˜ao e Implementa¸c˜ao 33 4.1 Sistema proposto . . . 34

4.2 Tag RFID a utilizar . . . 34

4.3 Leitor m´ovel . . . 35

4.3.1 Leitor RFID . . . 37

4.3.2 Microcontrolador . . . 37

4.3.3 Comunica¸c˜oes . . . 39

4.3.4 Gest˜ao de Energia . . . 41

4.4 Sistema de aquisi¸c˜ao de dados . . . 43

4.4.1 Comunica¸c˜oes . . . 44

4.4.2 Aplica¸c˜ao para aquisi¸c˜ao de dados . . . 44

4.5 Protocolo de comunica¸c˜ao . . . 46

4.5.1 Estrutura das mensagens . . . 47

4.6 Firmware do microcontrolador . . . 48

5 Testes, Resultados e Conclus˜oes Finais 53 5.1 Implementa¸c˜ao e testes ao prot´otipo . . . 53

5.2 Acesso aos dados . . . 63

5.3 Conclus˜oes finais e perspectivas de trabalho futuro . . . 66 xvi

Referˆencias bibliogr´aficas 67

´Indice de tabelas

3.1 Banda de Frequˆencias RFID e suas aplica¸c˜oes [1–3]. . . 18

5.1 Distˆancia de leitura entre um leitor e tags RFID. . . 55

5.2 Resultados de testes efectuados com antena desenvolvida. . . 56

5.3 Resultados com detec¸c˜ao de duas tags em simultˆaneo. . . 57

5.4 Resultados em segundos (s) da dura¸c˜ao do salto. . . 59

5.5 Consumo energ´etico do prot´otipo. . . 60

5.6 Tempo ´util da bateria para saltos de 10s. . . 61

´Indice de figuras

2.1 Actividade de monta . . . 7

2.2 Rufi˜ao munido com arnˆes marcador no momento da monta. . . 8

2.3 Marca¸c˜ao com tinta . . . 9

2.4 Dispositivo ESTRUS ALERT . . . 9

2.5 Dispositivo KAMAR . . . 10

2.6 Dispositivo MountCount . . . 11

2.7 Sistema HeatWatch . . . 12

3.1 Diagrama de um sistema RFID [4]. . . 14

3.2 Exemplo de tags activas [5]. . . 15

3.3 Exemplo de uma tag passiva [6]. . . 16

3.4 Exemplo de uma tag semi-passiva da Via Verde [7]. . . 17

3.5 Leitor RFID UHF Unitech com antena incorporada [8]. . . 18

3.6 Tipos de antenas para RFID. . . 20

3.7 Estrutura de um c´odigo EPC de 96bits [3]. . . 20

3.8 Regi˜oes near-field e far-field de uma antena [9]. . . 21 xxi

3.9 Sistema RFID com comunica¸c˜ao near-field [10]. . . 22 3.10 Comunica¸c˜ao near-field a menos de 100 MHz . . . 23 3.11 Comunica¸c˜ao far-field a menos de 100 MHz . . . 24 3.12 Exemplos de Topologia Estrela e Ponto-a-Ponto [11]. . . 26 3.13 Modelo das camadas OSI/ISO [12]. . . 27 3.14 Arquitectura do padr˜ao 802.15.4 [11]. . . 28 3.15 Transferˆencia para o coordenador numa rede beacon-enabled . . . 30 3.16 Transferˆencia para o coordenador numa rede nonbeacon-enabled . . . 30 3.17 Transferˆencia de dados para um dispositivo numa rede beacon-enabled 31 3.18 Transferˆencia de dados para um dispositivo numa rede beacon-enabled 31

4.1 Sistema de monitoriza¸c˜ao proposto. . . 34 4.2 Tag utilizada em testes. . . 35 4.3 Diagrama funcional do leitor m´ovel. . . 36 4.4 Placa do circuito impresso do leitor m´ovel. . . 36 4.5 Circuito do leitor m´ovel. . . 37 4.6 Antena desenvolvida para o prot´otipo. . . 38 4.7 Diagrama dos pinos do PIC18F2620 [13]. . . 39 4.8 M´odulo XBee Pro utilizado em testes. . . 40 4.9 Vista frontal e lateral dos m´odulos XBee/XBee Pro [14]. . . 40 4.10 Circuito do temporizador NE555. . . 42 4.11 Circuito do conversor DC-DC Max1733. . . 43 4.12 Circuito do regulador de tens˜ao LM7805. . . 43 4.13 Arquitectura do sistema de aquisi¸c˜ao de dados. . . 44 4.14 Diagrama da Base de Dados. . . 46 4.15 Estrutura de uma mensagem API [14]. . . 47 4.16 Estrutura da mensagem do protocolo proposto. . . 47

4.17 Diagrama da primeira m´aquina de estados. . . 49 4.18 Estrutura do c´odigo de identifica¸c˜ao da tag RFID. . . 49 4.19 Diagrama da segunda m´aquina de estados. . . 50 4.20 Fluxograma da aplica¸c˜ao principal . . . 51

5.1 Teste de identifica¸c˜ao das tags RFID no HyperTerminal. . . 54 5.2 Tags utilizadas em testes. . . 54 5.3 Tipo de antenas utilizadas. . . 55 5.4 Tags a uma distˆancia de 7.3cm. . . 57 5.5 Vista de tags dentro da ´area da antena. . . 58 5.6 Vista da caixa do prot´otipo aberta. . . 61 5.7 Vista da caixa do prot´otipo fechada. . . 62 5.8 Vista do prot´otipo de perfil. . . 62 5.9 Diagrama do mapa de navega¸c˜ao do site. . . 63 5.10 P´agina Web do login. . . 64 5.11 P´agina Web do menu. . . 64 5.12 P´agina Web que lista todos os eventos. . . 65 5.13 P´agina Web que lista eventos por ovelha. . . 65

Lista de Acr´

onimos

Sigla Expans˜ao

API Application Programming Interface

ASCII American Standard Code for Information Interchange ASK Amplitude Shift Keying

CAP Contention Access Period CCA Clear Channel Assessment CFP Contention Free Period

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance DC Direct Current

DI Data In DO Data Out

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum ED Energy Detection

EEPROM Electronic Erasable Read Only Memory EPC Electronic Product Code

EUSART Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter

FDX Full Duplex

FFD Full Function Device FSK Frequency Shift Keying GTS Guaranteed Time Slots HDX Half Duplex

HF High Frequency

HTTP HyperText Transfer Protocol IA Insemina¸c˜ao Artificial

IDE Integrated Development Environment ISM Industrial, Scientific and Medical

ISO International Organization for Standardization JDBC Java Database Connectivity

JSP JavaServer Pages LF Low Frequency

Sigla Expans˜ao

LQI Link Quality Indication LOS Line Of Sight

LR-WPAN Low Rate Wireless Personal Area Network MAC Medium Access Control

Mac OS Macintosh Operating System MLME MAC Sublayer Management Entity NLOS Non Line Of Sight

OEM Original Equipment Manufacturer OSI Open System Interconection PAN Personal Area Network PCB Printed Circuit Board PDUs Protocol Data Units

PIC Peripheral Interface Controller PHY Physical Layer

PLME Physical Layer Management Entity PPDU PHY Protocol Data Units

PSK Phase Shift Keying RAM Random Access Memory RF Radio Frequency

RFD Reduced Function Device RFID Radio Frequency Identification RISC Reduced Instruction Set Computer ROM Read Only Memory

RSSI Received Signal Strength Indicator RTC Real Time Clock

SDK Software Development Kit

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter UHF Ultra High Frequency

WORM Write Once/Read Many Memory WSN Wireless Sensor Network

1

Introdu¸c˜

ao

1.1

Motiva¸c˜

ao

Com a evolu¸c˜ao e desenvolvimento exponencial da tecnologia, o ramo das telecomu-nica¸c˜oes vem assumir uma importˆancia vital nos dias de hoje, tornando-se os sis-temas e redes de comunica¸c˜ao sem fios cada vez mais indispens´aveis nas mais diversas ´areas. Como exemplo disso, a tecnologia RFID (Radio Frequency Identification) tem revelado um enorme potencial na identifica¸c˜ao de animais e sua monitoriza¸c˜ao. Todas as actividades de produ¸c˜ao animal em torno da Zootecnia visam a gest˜ao da produ¸c˜ao animal, de modo a obter uma explora¸c˜ao animal rent´avel e vi´avel economicamente. A eficiˆencia reprodutiva ´e o principal factor que afecta a produ¸c˜ao e a eficiˆencia econ´omica de uma explora¸c˜ao [15, 16].

A insemina¸c˜ao artificial (IA) ´e uma das t´ecnicas utilizadas para aumentar a pro-dutividade e diminuir os custos de produ¸c˜ao, garantindo o melhoramento gen´etico e conserva¸c˜ao dos animais [17–19]. Nas explora¸c˜oes onde se utiliza a insemina¸c˜ao artificial, a eficiˆencia reprodutiva depende da identifica¸c˜ao correcta e atempada da fase de estro (denominado como cio) nas fˆemeas, pois contribui para a realiza¸c˜ao da insemina¸c˜ao artificial no momento oportuno [15, 17, 20–22].

Do ponto de vista da Zootecnia o estudo do comportamento animal durante o ci-clo reprodutivo assume particular importˆancia na identifica¸c˜ao da fase de estro nas

2 CAP´ITULO 1. INTRODUC¸ ˜AO

fˆemeas. Os modelos tradicionais de avalia¸c˜ao do comportamento animal s˜ao recor-rentemente baseados em m´etodos de an´alise exaustiva de dados, quer atrav´es de observa¸c˜ao directa ou da observa¸c˜ao de registos de imagem e v´ıdeo [20, 23–25]. Estes processos por serem longos e exaustivos possuem na sua maioria erros intr´ınse-cos ao factor humano, quer por desaten¸c˜ao, quer por ambiguidade da observa¸c˜ao ou mesmo por cansa¸co. Apesar destas t´ecnicas serem consideradas de tempo real e n˜ao invasivas pecam na sua vertente de aplicabilidade e em alguns casos no incremento do estado de stress dos animais [20, 26].

Torna-se assim urgente a implementa¸c˜ao eficiente da aplica¸c˜ao de sistemas au-tom´aticos de apoio `a decis˜ao que levem ao aumento da produtividade, diminuindo os custos de produ¸c˜ao, assim como a interac¸c˜ao homem-animal, aumentando o conforto e bem-estar animal.

Assim, a identifica¸c˜ao e avalia¸c˜ao da rela¸c˜ao e interdependˆencia entre os factores ambientais, conforto animal, nutricionais e as respostas biol´ogicas s˜ao de elevada importˆancia durante o processo produtivo.

Pelo apresentado, ser´a de grande interesse e aplicabilidade o desenvolvimento de uma sonda (de acesso remoto) de baixo consumo, que dever´a ter capacidade para monitorizar a actividade animal com capacidade para obter informa¸c˜oes acerca do seu ciclo reprodutivo.

Em suma, prop˜oe-se o desenvolvimento de uma sonda suportada por uma WSN (Wireless Sensor Network ), que encaminhar´a os dados para um direct´orio/base de dados remoto para potenciar a an´alise em tempo real a partir de uma p´agina Web.

1.2

Objectivos

O objectivo deste trabalho ´e desenvolver um sistema de monitoriza¸c˜ao do comporta-mento animal durante o ciclo reprodutivo para solucionar o problema dos m´etodos tradicionais de recolha de dados na ´area da Zootecnia. O projecto ´e composto pelas seguintes quatro fases:

• Concep¸c˜ao, valida¸c˜ao e fabrico de uma sonda para recolha autom´atica dos dados relativos ao processo de cobri¸c˜ao (salto, tentativa de salto, dura¸c˜ao do salto, identifica¸c˜ao dos animais envolvidos no salto);

1.3. IMPLEMENTAC¸ ˜AO 3

• Desenvolvimento da aplica¸c˜ao de recolha de dados, base de dados e Interface Web com o utilizador;

• Concep¸c˜ao e implementa¸c˜ao de uma WSN para suporte da infraestrutura de comunica¸c˜ao;

• Testes de valida¸c˜ao do prot´otipo.

Todo o trabalho desenvolvido ´e caracterizado na recolha autom´atica dos dados, que foi conseguido recorrendo ao uso da tecnologia RFID. No uso desta tecnologia foram elaboradas v´arias solu¸c˜oes, de modo a utilizar a que melhor se adapta aos objectivos propostos.

Ap´os a recolha dos dados fez-se uso de um microcontrolador, este por sua vez ´e respons´avel por gerir todo o sistema, desde a recolha, processamento e envio dos dados, possuindo todo o programa funcional, protocolos de comunica¸c˜ao e/ou al-goritmos de associa¸c˜ao/agrega¸c˜ao de n´os, problemas de consumo muito importante para a longevidade e autonomia das baterias.

Para transmitir os dados ao utilizador, s˜ao utilizados m´odulos de comunica¸c˜ao de baixo consumo, utilizando uma WSN baseada no padr˜ao IEEE 802.15.4 e um proto-colo de comunica¸c˜ao de alto n´ıvel desenvolvido especificamente para este trabalho. Por fim, ´e utilizada uma aplica¸c˜ao em Java que possui um driver 802.15.4 proposto por Mestre [27], que tem como finalidade guardar os dados numa base de dados MySQL, para posterior observa¸c˜ao e an´alise dos seus utilizadores numa p´agina Web, implementada recorrendo a JSP (JavaServer Pages).

1.3

Implementa¸c˜

ao

Para melhorar a eficiˆencia da detec¸c˜ao de cios implica diminuir a interac¸c˜ao homem-animal, diminuir os custos associados `a m˜ao de obra e do m´etodo utilizado na detec¸c˜ao e aumentar a sua fiabilidade, foi desenvolvido um sistema de detec¸c˜ao de cios, que de forma autom´atica monitoriza toda a actividade de monta. Este sistema utiliza a tecnologia RFID, o que permite a m´ınima interven¸c˜ao do utilizador para o seu funcionamento.

4 CAP´ITULO 1. INTRODUC¸ ˜AO

O sistema desenvolvido apresenta in´umeras vantagens, tais como baixo consumo energ´etico, baixo custo, robustez, reduzidas dimens˜oes e n˜ao provocar mal-estar aos animais envolvidos. No entanto a maior vantagem adv´em do facto de n˜ao haver necessidade de saber quais as fˆemeas com probabilidade de entrar em cio, pois em todas as fˆemeas podem ser colocadas tags RFID passivas de reduzidas dimens˜oes, baixo custo e sem necessidade de fonte de alimenta¸c˜ao. O sistema apresentado neste trabalho tem como caso de estudo os ovinos.

1.4

Organiza¸c˜

ao da Disserta¸c˜

ao

O presente documento est´a dividido em cinco cap´ıtulos incluindo este cap´ıtulo in-trodut´orio, que visa enquadrar este trabalho, bem como apresentar os objectivos tra¸cados, motiva¸c˜ao e uma breve abordagem `as vantagens do sistema proposto . O segundo cap´ıtulo conta com a descri¸c˜ao do ciclo ´estrico ovino e dos v´arios m´etodos de detec¸c˜ao de cios.

No terceiro cap´ıtulo ´e feito um estudo das tecnologias a utilizar e uma abordagem `as suas principais caracter´ısticas da tecnologia RFID, bem como as redes WSN, em especial o padr˜ao IEEE 802.15.4.

No quarto cap´ıtulo ´e apresentado a concep¸c˜ao e implementa¸c˜ao de todo o sistema de monitoriza¸c˜ao da actividade animal.

No quinto cap´ıtulo, apresentam-se os resultados experimentais obtidos nos testes efectuados, an´alise cr´ıtica e discuss˜ao desses mesmos resultados e as conclus˜oes deste trabalho perspectivando-se, tamb´em, algumas considera¸c˜oes sobre evolu¸c˜oes futuras.

2

Identifica¸c˜

ao de Cios em

Fˆemeas Ovinas

Este cap´ıtulo inicia-se com uma breve descri¸c˜ao do ciclo ´estrico ovino, enumerando sinais observ´aveis do comportamento caracter´ıstico das ovelhas durante a fase de estro. De seguida apresenta-se uma breve abordagem aos v´arios m´etodos de detec¸c˜ao de cios existentes. Na parte final do cap´ıtulo, s˜ao apresentados m´etodos de detec¸c˜ao relacionados com a actividade de monta, dando particular destaque aos de natureza electr´onica.

2.1

Ciclo ´

Estrico Ovino

O ciclo ´estrico (ciclo reprodutivo) ´e o intervalo de tempo entre dois estros consec-utivos, cuja dura¸c˜ao m´edia para as ovelhas ´e de 17 dias [28, 29]. As ovelhas s˜ao sazonalmente poli´estricas, pois apresentam mais de um ciclo ´estrico durante a ´epoca do ano com menos luz (Outono/Inverno) [28, 29]. Estro ou cio ´e uma fase do ciclo ´estrico em que as fˆemeas est˜ao receptivas sexualmente, indicando que est˜ao prontas para a cobri¸c˜ao [28, 29]. A dura¸c˜ao do estro nas ovelhas pode variar de 24 a 36 horas [29]. Este ´e o momento ideal para a insemina¸c˜ao artificial.

Durante o cio as ovelhas manifestam sinais comportamentais e f´ısicos caracter´ısticos [28]:

• Nervosismo;

6 CAP´ITULO 2. IDENTIFICAC¸ ˜AO DE CIOS EM FˆEMEAS OVINAS

• Inquieta¸c˜ao;

• Aumento das vocaliza¸c˜oes; • Diminui¸c˜ao de apetite;

• Diminui¸c˜ao da produ¸c˜ao de leite;

• Movimento r´apido da cauda ou cauda erguida;

• Vulva inchada e avermelhada com liberta¸c˜ao de muco vaginal; • Reflexo de imobiliza¸c˜ao.

O sinal mais evidente que indica a possibilidade de uma ovelha estar em cio, ´e quando esta apresenta um reflexo de imobiliza¸c˜ao, o que permite uma monta f´acil e est´avel por um carneiro ou por outra ovelha [28, 29]. Todavia, estes sinais comportamentais s˜ao dificilmente detectados na eventualidade das ovelhas n˜ao poderem ouvir, cheirar ou ver o carneiro [28, 29].

2.2

M´

etodos de Detec¸c˜

ao do Cio

Como referido na sec¸c˜ao 1.1, nas explora¸c˜oes pecu´arias onde se utiliza a insemina¸c˜ao artificial ´e essencial uma correcta e atempada identifica¸c˜ao de cios. Da´ı advˆem v´arios m´etodos que ajudam a detectar cios [21, 26, 30]:

• Observa¸c˜ao visual directa ou de registos de imagens e v´ıdeos; • Utiliza¸c˜ao de rufi˜oes;

• C˜aes treinados para detectar odores espec´ıficos do cio; • Medi¸c˜ao da concentra¸c˜ao de progesterona no leite; • Monitores de impedˆancia vagino-vulvar e temperatura; • Monitores de actividade motora (ped´ometros);

2.2. M´ETODOS DE DETECC¸ ˜AO DO CIO 7

O sinal mais fi´avel que indica a possibilidade de uma fˆemea estar em cio, ´e quando esta apresenta um reflexo de imobiliza¸c˜ao e permite uma monta f´acil e est´avel por um macho ou por outra fˆemea [15, 22, 24, 28, 31]. De acordo com este sinal, ser˜ao descritos de seguida, v´arios m´etodos utilizados para detectar a actividade de monta. O melhor m´etodo ser´a aquele que possibilite menor interven¸c˜ao humana, que n˜ao cause stress aos animais e que apresente uma melhor rela¸c˜ao custo-eficiˆencia.

2.2.1

Observa¸c˜

ao Visual

A observa¸c˜ao visual da actividade de monta, quer de forma directa ou de registos de imagem e v´ıdeo, ´e o m´etodo tradicionalmente utilizado [15, 20, 22–24]. Este ´e um m´etodo que envolve pessoas devidamente treinadas para reconhecer e registar os sinais de cios [22]. S˜ao obtidos bons resultados se forem efectuadas observa¸c˜oes com bastante frequˆencia e com dura¸c˜ao de 20 a 30 minutos cada [24]. Os observadores registam toda a actividade de monta (Figura 2.1), incluindo a hora da primeira e ´ultima monta, hora inicial de cada monta, dura¸c˜ao e identifica¸c˜ao dos animais envolvidos na monta [26].

(a) (b)

Figura 2.1: Actividade de monta entre a) bovinos de sexo oposto e b) su´ınos do mesmo sexo [28].

Com o apoio de cˆamaras de v´ıdeo, os observadores podem visualizar 24 horas de registos em 1 hora, embora s´o seja poss´ıvel utilizar este m´etodo com os animais num recinto fechado [20]. Estes processos s˜ao longos e exaustivos e requerem muita aten¸c˜ao por parte do observador, que nas explora¸c˜oes de grandes dimens˜oes tem muita dificuldade em observar os sinais comportamentais[20, 26].

8 CAP´ITULO 2. IDENTIFICAC¸ ˜AO DE CIOS EM FˆEMEAS OVINAS

Em alguns casos, utilizam-se rufi˜oes do sexo masculino vasectomizados1 _{ou fˆemeas}

androgenizadas2 _{munidos com um arnˆes marcador (Figura 2.2) que permite deixar}

uma marca nas fˆemeas montadas [15, 22, 28, 32, 33]. Esta t´ecnica possibilita o aumento da eficiˆencia da observa¸c˜ao visual, embora apresente algumas desvanta-gens uma vez que aumenta a probabilidade de transmiss˜ao de doen¸cas sexualmente transmiss´ıveis, provoca inc´omodo ao animal e necessita de manuten¸c˜ao peri´odica para mudar a tinta [15, 22].

Figura 2.2: Rufi˜ao munido com arnˆes marcador no momento da monta.

2.2.2

Detectores de Monta Sens´ıveis `

a Press˜

ao

O m´etodo mais simples, consiste na aplica¸c˜ao de uma marca de tinta (FIL Tailpaint ou DETECT-HER) na garupa e base da cauda das fˆemeas [15, 19, 24, 31, 34]. A dissipa¸c˜ao da tinta sob a press˜ao exercida pelos animais durante a monta indica a actividade de monta e um poss´ıvel cio [15, 19, 24, 31].

Existem v´arias cores dispon´ıveis, incluindo cores florescentes para f´acil visualiza¸c˜ao. Na Figura 2.3, a imagem do lado direito mostra o aspecto da tinta sem ocorrˆencia de monta e, no lado esquerdo, o aspecto da tinta ap´os v´arias montas. Este m´etodo tem menos eficiˆencia quando os animais apanham chuva ou quando ocorre contacto com vegeta¸c˜ao baixa, indicando falsos positivos [15, 22, 24].

1

Macho com ressec¸c˜ao dos canais deferentes, impedindo a passagem dos espermatoz´oides

2

Fˆemeas tratadas com testosterona (hormona masculina), adoptando um comportamento idˆentico ao do macho

2.2. M´ETODOS DE DETECC¸ ˜AO DO CIO 9

(a) (b)

Figura 2.3: Aspecto da marca de tinta a) sem ocorrˆencia de monta e b) ap´os v´arias montas [34].

Outro m´etodo de marca¸c˜ao consiste na aplica¸c˜ao de um adesivo de cor prateada (ESTROTECT ou ESTRUS ALERT) na garupa das fˆemeas (Figura 2.4), que muda de cor com a fric¸c˜ao do peito dos animais durante a actividade de monta [22, 34]. No entanto peca na sua baixa aplicabilidade, pois apresenta problemas de aderˆencia e o animal pode acabar por perder o dispositivo [22].

(a) (b)

Figura 2.4: Aspecto do dispositivo ESTRUS ALERT a) sem ocorrˆencia de monta e b) ap´os v´arias montas [34].

Tipicamente, tamb´em se utilizam dispositivos que contˆem uma c´apsula de tinta sens´ıvel `a press˜ao (KAMAR ou BovineBeacon) [15, 19, 28, 31, 33]. Estas c´apsulas

10 CAP´ITULO 2. IDENTIFICAC¸ ˜AO DE CIOS EM FˆEMEAS OVINAS

s˜ao colados na garupa das fˆemeas que durante a monta, sob press˜ao exercida, mudam de cor ou rebentam e derramam a tinta de modo a permitir identificar a fˆemea mon-tada (Figura 2.5) [15, 28, 32–34]. Estas c´apsulas podem conter tinta fluorescente, permitindo a identifica¸c˜ao nocturna das fˆemeas montadas [15]. No entanto, perdem-se com alguma facilidade e por vezes s˜ao accionados incorrectamente [22, 28, 31].

(a) (b)

Figura 2.5: Aspecto do dispositivo KAMAR a) sem ocorrˆencia de monta e b) ap´os v´arias montas [34].

Qualquer um destes dispositivos n˜ao dispensa a observa¸c˜ao visual, por´em tˆem a vantagem de serem de baixo custo e f´acil utiliza¸c˜ao [17, 22, 28].

2.2.3

Detectores de Monta Electr´

onicos

Para melhorar a eficiˆencia da detec¸c˜ao de estros e reduzir o maneio animal, foram de-senvolvidos detectores de monta electr´onicos sens´ıveis `a press˜ao, tais como, ShowHeat (comercializado como DEC na Europa), MountCount e HeatWatch [15, 21, 24, 28, 35]. Estes dispositivos s˜ao colocados numa bolsa `a prova de ´agua e colados na garupa das fˆemeas que tˆem probabilidade de vir a entrar em cio e monitorizam as montas durante 24 horas por dia [21, 26].

O ShowHeat, ´e um dispositivo provido de um interruptor de press˜ao, um micropro-cessador, uma bateria e um led. Ap´os a fˆemea ser montada trˆes vezes, detectada

2.2. M´ETODOS DE DETECC¸ ˜AO DO CIO 11

atrav´es da press˜ao exercida no interruptor, activa o led que emite uma luz inter-mitente com 12 segundos de intervalo. `A medida que o tempo passa essa luz in-termitente aumenta de frequˆencia. Esses flashs luminosos podem ser contados para calcular o in´ıcio do estro [21, 35, 36].

O dispositivo MountCount ´e semelhante ao ShowHeat, por´em possui uma s´erie de trˆes leds que indicam suspeita de cio, cio ou tempo ideal para a insemina¸c˜ao. Quando a fˆemea ´e montada a primeira vez, um led acende e pisca indicando um poss´ıvel cio. Se num per´ıodo de 4 horas a fˆemea receber trˆes ou mais montas, acendem os restantes leds que indicam que a fˆemea est´a em cio [21, 36]. Este dispositivo est´a ilustrado na Figura 2.6.

(a) (b)

Figura 2.6: a) Vaca com dispositivo MountCount; b) Aspecto do dispositivo Mount-Count [37].

O HeatWatch ´e o ´unico dispositivo que monitoriza em tempo real toda a actividade de monta [21, 26]. Este ´e composto por um transmissor de ondas r´adio de reduzidas dimens˜oes, ligado a um sensor de press˜ao e alimentado por uma bateria de l´ıtio de 3V [17, 36]. Quando, por press˜ao exercida durante a monta, o sensor de press˜ao ´e activado, s˜ao transmitidos os dados atrav´es de ondas r´adio at´e 400 metros para um receptor fixo (situado num local estrat´egico), onde os dados s˜ao armazenados num buffer [17, 24]. Os dados contˆem a identifica¸c˜ao do sensor de press˜ao (fˆemea montada), data (ano, mˆes e dia), hora (horas e minutos) e a dura¸c˜ao da activa¸c˜ao do sensor (dura¸c˜ao da monta) [17, 26, 28, 36]. A pedido de uma aplica¸c˜ao, os dados s˜ao enviados para um computador, onde se pode visualizar ou imprimir relat´orios

12 CAP´ITULO 2. IDENTIFICAC¸ ˜AO DE CIOS EM FˆEMEAS OVINAS

sobre toda a actividade de monta [17]. A Figura 2.7 ilustra o sistema HeatWatch e o aspecto de uma vaca munida com o dispositivo.

(a) (b)

Figura 2.7: a) Sistema HeatWatch [38]; b) Fˆemea munida com dispositivo HeatWatch[39].

Estes dispositivos apresentam algumas limita¸c˜oes, nomeadamente a possibilidade de perda do dispositivo, n˜ao s˜ao colocados nas fˆemeas cujo estro n˜ao ´e expect´avel e s˜ao caros. Para al´em disso, os dispositivos ShowHeat e MountCount n˜ao dispensam completamente a observa¸c˜ao visual [22, 36].

3

Enquadramento Tecnol´

ogico

As tecnologias RFID e redes WSN tˆem sido preponderantes para ambientes de cons-tante monitoriza¸c˜ao e troca de informa¸c˜ao sem fios. Estas tecnologias em conjunto proporcionam melhores sistemas de monitoriza¸c˜ao. Um exemplo da aplica¸c˜ao destas tecnologias na monitoriza¸c˜ao do comportamento/bem-estar animal, temos o sis-tema de monitoriza¸c˜ao do habitat e ´area de ocupa¸c˜ao dos macacos Saguinos-Bicolor (esp´ecie em vias de extin¸c˜ao) na cidade de Manaus (capital do estado da Amaz´onia, Brasil) [40].

Neste cap´ıtulo s˜ao apresentadas as solu¸c˜oes tecnol´ogicas adoptadas para a imple-menta¸c˜ao deste sistema, nomeadamente a tecnologia RFID e o padr˜ao IEEE 802.15.4 para redes WSN. Para tal, ´e realizada uma descri¸c˜ao pormenorizada das carac-ter´ısticas e potencialidades destas tecnologias, de modo a compreender as suas van-tagens e o porquˆe da sua utiliza¸c˜ao em conjunto num sistema de monitoriza¸c˜ao de comportamento animal.

3.1

RFID – Radio Frequency Identification

Uma das tecnologias concorrentes ao RFID s˜ao os c´odigo de barras, predominante-mente utilizados nos dias de hoje como uma solu¸c˜ao para identificar objectos, por´em apesar de ser um sistema barato e f´acil de implementar, o seu potencial ´e limitado

14 CAP´ITULO 3. ENQUADRAMENTO TECNOL ´OGICO

pela baixa capacidade de armazenamento, necessidade de contacto visual (LOS -Line Of Sight) e o facto de n˜ao poderem ser programados e reprogramados [41]. Por outro lado o sistema RFID ´e r´apido, robusto, n˜ao requer contacto visual (NLOS -Non Line Of Sight) e algumas tags podem ter grande capacidade de armazenamento de dados com a possibilidade de serem programadas e reprogramadas [42–44]. Como resultado destas vantagens, o RFID ´e uma tecnologia em expans˜ao e est´a cada vez mais presente na vida quotidiana com in´umeras e diversas aplica¸c˜oes: controlo de acessos, transportes p´ublicos, pagamento de portagens em auto-estradas, gest˜ao de stocks, gest˜ao de tr´afego, sistemas para imobilizar ve´ıculos, identifica¸c˜ao de animais, etc [2, 42–46].

RFID ´e um acr´onimo para a Identifica¸c˜ao por R´adio-Frequˆencia. Consiste numa tecnologia que faz uso da transmiss˜ao por r´adio-frequˆencia (RF - Radio Frequency) para transferir dados entre um leitor e uma entidade m´ovel com o objectivo de identificar, localizar ou monitorizar pessoas, animais ou objectos [45, 47]. O seu princ´ıpio f´ısico consiste na propaga¸c˜ao de ondas electromagn´eticas no espa¸co [2]. Normalmente um sistema RFID possui trˆes componentes: a tag (etiqueta) que cont´em os dados de identifica¸c˜ao, o reader (leitor) que lˆe os dados da tag e uma aplica¸c˜ao para agregar a informa¸c˜ao recolhida [2, 42, 43]. Na Figura 3.1 est´a exem-plificado um sistema RFID.

3.1. RFID – RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION 15

3.1.1

Tags

Na sua forma mais simples uma tag possui uma pequena antena ligada a um circuito integrado (microchip). O microchip armazena a informa¸c˜ao e a antena ´e respons´avel pela comunica¸c˜ao por r´adio-frequˆencia com o leitor. As tags podem utilizar trˆes tipos de mem´oria: ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory) e WORM (Write Once/Read Many Memory). Estas tags s˜ao implantadas em pessoas, animais ou objectos que se pretende identificar.

A informa¸c˜ao transmitida pelas tags pode ser modulada em amplitude (ASK– Amplitude Shift Keying), em frequˆencia (FSK–Frequency Shift Keying) ou em fase (PSK–Phase Shift Keying), embora a modula¸c˜ao mais utilizada seja a ASK.

Existem tags RFID nas mais diversas formas e tamanhos, capazes de suportar diver-sas fun¸c˜oes e aplica¸c˜oes. Actualmente as tags podem ser classificadas como: activas, passivas e semi-passivas [41, 43, 48].

Tags Activas

Uma tag activa (Figura 3.2) possui uma fonte de alimenta¸c˜ao (bateria) que alimenta o microchip e fornece energia para a transmiss˜ao de dados para o leitor [49]. Tˆem a capacidade de processar e armazenar mais dados do que as restantes tags. Podem transmitir dados de modo cont´ınuo sem a presen¸ca de um leitor (beacon mode). Obviamente que tamb´em podem funcionar da forma ”tradicional”, ou seja a pedido do leitor.

16 CAP´ITULO 3. ENQUADRAMENTO TECNOL ´OGICO

S˜ao as que possuem maior raio de alcance e podem ser reprogram´aveis. No entanto apresentam algumas desvantagens: maiores dimens˜oes, dura¸c˜ao de vida inferior e custos substancialmente superiores [42, 44, 50].

Tags Passivas

As tags passivas (Figura 3.3) n˜ao possuem fonte de alimenta¸c˜ao pr´opria, como al-ternativa convertem a energia electromagn´etica emitida pelo leitor em energia DC (Direct Current) para alimentar o microchip e fazem uso da t´ecnica de backscatter (reflex˜ao das ondas electromagn´eticas) para transmitir a informa¸c˜ao ao leitor. Devido `a ausˆencia de fonte de alimenta¸c˜ao, s˜ao as que possuem menor raio de alcance (at´e 2m) e menor dimens˜ao. S˜ao vulner´aveis aos efeitos ambientais e tˆem pouca ou nenhuma capacidade de processamento de dados. As vantagens mais salientes s˜ao o baixo custo, a baixa manuten¸c˜ao e a sua prolongada dura¸c˜ao de vida [42, 48, 49].

Figura 3.3: Exemplo de uma tag passiva [6].

Tags Semi-passivas

Estas tags possuem uma pequena bateria para alimentar o microchip e utilizam a t´ecnica de backscatter para comunicar com o leitor, o que implica menor consumo de energia quando comparadas com as tags activas, logo tˆem uma vida mais longa em compara¸c˜ao com as tags activas, no entanto tˆem um raio de alcance inferior. Algumas tags semi-passivas podem efectuar tarefas complexas, tais como o proces-samento de dados e criptografia, usufruindo de um raio de alcance quase t˜ao bom como as tags activas [42, 48].

3.1. RFID – RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION 17

O identificador da Via Verde ilustrado na figura (Figura 3.4) ´e um bom exemplo de uma tag semi-passiva.

Figura 3.4: Exemplo de uma tag semi-passiva da Via Verde [7].

3.1.2

Banda de Frequˆ

encias

Qualquer sistema RFID ´e profundamente dependente da frequˆencia de r´adio que o sistema utiliza. A frequˆencia utilizada tem influˆencia no raio de alcance, na ve-locidade da troca de dados e na capacidade de penetra¸c˜ao dos diferentes tipos de superf´ıcies [1].

Conforme as necessidades de aplicabilidade de cada sistema RFID ´e utilizada a frequˆencia que melhor se adapte, mas por vezes o meio onde as tags s˜ao colocadas n˜ao permite uma boa rela¸c˜ao superf´ıcie/raio/velocidade, muito devido `a sua perme-abilidade magn´etica (µ).

Na Tabela 3.1 est˜ao resumidas as bandas de frequˆencia e diferentes sistemas RFID, bem como as suas principais caracter´ısticas e algumas aplica¸c˜oes. Pode verificar-se que quanto mais elevada a frequˆencia, menor ´e a capacidade de atravessar obst´aculos e quanto mais baixa a frequˆencia, menor ´e a distˆancia de leitura. Apesar dos sistemas que utilizam baixas frequˆencias terem reduzido alcance de leitura, apresentam as vantagens de ser de baixo custo. Todavia os sistemas que utilizam altas frequˆencias apresentam grande alcance de leitura e alta velocidade na troca de dados, por´em os custos s˜ao mais elevados.

18 CAP´ITULO 3. ENQUADRAMENTO TECNOL ´OGICO

Tabela 3.1: Banda de Frequˆencias RFID e suas aplica¸c˜oes [1–3].

Banda de Frequˆencia Caracter´ısticas T´ıpicas Aplica¸c˜oes Low Frequency – LF

(<135 KHz)

Velocidade de transmiss˜ao baixa; Distˆancia de leitura de apenas al-guns cent´ımetros; Penetram ´agua e tecidos musculares, mas n˜ao metal.

Identifica¸c˜ao animal; Con-trolo de acessos; ConCon-trolo de invent´arios; Imobilizar ve´ıculos.

High Frequency – HF (13.56 MHz)

Velocidade de transmiss˜ao moder-ada; Distˆancia de leitura desde 1cm at´e 1.5m; Penetram ´agua e tecidos musculares, mas n˜ao metal.

Controlo de bibliotecas; Smart Cards; Controlo de acessos; Transportes p´ublicos.

Ultra High Frequency – UHF (0.3 − 1.2 GHz)

Velocidade de transmiss˜ao elevada; Suportam grandes distˆancias de leitura; N˜ao penetram ´agua, metais e tecidos musculares.

Portagens; Localiza¸c˜ao de ve´ıculos.

Microwave (2.45 − 5.8 GHz) Velocidade de transmiss˜ao muito el-evada; N˜ao penetram ´agua, metais e tecidos musculares; Resistˆencia a fortes campos electromagn´eticos; Requerem muita energia e s˜ao caros.

Linhas de produ¸c˜ao au-tom´ovel.

3.1.3

Leitores

O leitor (Figura 3.5) ´e um dispositivo emissor/receptor de r´adio-frequˆencia, que permite transmitir energia, escrever, ler e recolher os dados armazenados nas tags RFID [49, 51, 52].

3.1. RFID – RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION 19

Existem diferentes tipos de leitores, dependendo dos fins de aplica¸c˜ao, podem ser fixos ou m´oveis. S˜ao compostos por um m´odulo de r´adio-frequˆencia, uma unidade de controlo e uma ou v´arias antenas (internas ou externas)[51, 52].

A distˆancia de leitura depende da frequˆencia de opera¸c˜ao, potˆencia transmitida pelo leitor, dissipa¸c˜ao da potˆencia na tag, sensibilidade do leitor, factor Q (qualidade) e da modula¸c˜ao dos dados [53].

Para possibilitar a interface de comunica¸c˜ao com outros dispositivos, os leitores s˜ao dotados de diferentes tipos de portas de comunica¸c˜ao: RJ45, RS-232, USB (Universal Serial Bus), etc. Tamb´em podem comunicar com o middleware atrav´es de v´arios protocolos: Bluetooth (IEEE 802.15.1), ZigBee (IEEE 802.15.4), and Ethernet (IEEE 802.3). Hoje em dia a maioria dos leitores tˆem a capacidade de ler diferentes frequˆencias [1, 49, 51, 52, 54].

3.1.4

Antenas

As antenas s˜ao o factor chave de um sistema RFID. Possibilitam a comunica¸c˜ao entre os leitores e as tags. Em geral s˜ao alimentadas pelo leitor, mas podem ter a sua pr´opria fonte de alimenta¸c˜ao. Conforme a aplica¸c˜ao, variam na forma e dimens˜ao que determina a sua frequˆencia de utiliza¸c˜ao.

A sua eficiˆencia ´e influenciada pelos seus diagramas de radia¸c˜ao e polariza¸c˜ao. A polariza¸c˜ao das antenas utilizadas em RFID pode ser do tipo linear ou circular. As antenas com polariza¸c˜ao circular s˜ao mais eficientes quando n˜ao se conhece a ori-enta¸c˜ao da tag. Contudo as antenas com polariza¸c˜ao linear permitem fazer leituras a maiores distˆancias [1, 41, 49]. A Figura 3.6 ilustra alguns exemplos de antenas RFID.

3.1.5

EPC (Electronic Product Code)

A chave para a globaliza¸c˜ao do RFID, foi a cria¸c˜ao do EPC (Electronic Product Code). O EPC foi criado pelo Auto-ID Center em conjunto com v´arias empresas.

´

E um n´umero de identifica¸c˜ao ´unico, cuja numera¸c˜ao ´e utilizada para identificar o fabricante, o produto e o n´umero de s´erie de um objecto.

20 CAP´ITULO 3. ENQUADRAMENTO TECNOL ´OGICO

(a) (b) (c)

Figura 3.6: Tipos de antenas para RFID: a) Antena de parede; b) Antena de HF; c) Antenas em portal [55].

Cada tag RFID possui um EPC, cuja estrutura de 96 bits est´a ilustrada na Figura 3.7 . Actualmente a organiza¸c˜ao que define os regulamentos do EPC ´e a EPCglobal [3, 41, 43]. Na generalidade, o EPC distingue:

• 268 milh˜oes de empresas/fabricantes em 28 bits;

• 16 milh˜oes de produtos por empresa/fabricante em 24 bits; • 68 bili˜oes de n´umeros de s´erie por produto em 36 bits.

Figura 3.7: Estrutura de um c´odigo EPC de 96bits [3].

3.1.6

Tipos de Comunica¸c˜

ao

Nos sistemas RFID existem dois m´etodos fundamentais para transferir energia do leitor para a tag: indu¸c˜ao magn´etica ou captura de ondas electromagn´eticas. Estes

3.1. RFID – RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION 21

dois m´etodos est˜ao associados aos campos electromagn´eticos gerados pelas antenas de r´adio-frequˆencia, de modo a estabelecer comunica¸c˜oes entre dispositivos [44]. Estas comunica¸c˜oes podem ser do tipo near-field ou far-field, visto que o espa¸co `a volta da antena do leitor pode ser dividido em duas regi˜oes principais (Figura 3.8): near-field e far-field [9].

A regi˜ao near-field cont´em duas sub-regi˜oes: radiating (radiante), onde a distribui¸c˜ao do campo angular ´e dependente da distˆancia, e reactive (reactiva), onde a energia ´e armazenada [9].

Figura 3.8: Regi˜oes near-field e far-field de uma antena [9].

A comunica¸c˜ao do tipo near-field ´e utilizada regularmente em sistemas RFID que operam nas frequˆencias LF e HF, enquanto a comunica¸c˜ao do tipo far-field ´e uti-lizada em aplica¸c˜oes que operam nas frequˆencias, UHF e microondas [56].

Conforme as necessidades do sistema (distˆancia de leitura e o ambiente onde se lˆe a tag) ´e utilizado um destes tipo de comunica¸c˜ao. Das in´umeras aplica¸c˜oes destaca-se a utiliza¸c˜ao da comunica¸c˜ao near-field na medicina (a Figura 3.9 ilustra a comunica¸c˜ao entre um leitor e uma tag com sensor de temperatura e press˜ao do sangue) [10] e da comunica¸c˜ao far-field na seguran¸ca dos aeroportos (localiza¸c˜ao de passageiros, etc) [57].

Comunica¸c˜ao Near-field

O princ´ıpio da indu¸c˜ao magn´etica de Faraday ´e a base da comunica¸c˜ao near-field (Figura 3.10) entre o leitor e a tag. A corrente que flui na bobina do leitor origina um campo magn´etico B (W b/m2_{) `a sua volta:}

22 CAP´ITULO 3. ENQUADRAMENTO TECNOL ´OGICO

Figura 3.9: Sistema RFID com comunica¸c˜ao near-field [10].

B = µ I

2 π r (3.1)

onde µ (H/m) ´e a permeabilidade do meio, I (A) a intensidade de corrente e r (m) a distˆancia.

Se for colocada uma tag na proximidade deste campo magn´etico, vai-se gerar uma pequena corrente induzida na tag, devido a uma for¸ca electromotriz (f.e.m) que se gera no circuito enquanto h´a varia¸c˜ao do fluxo magn´etico Φ (W b). A tag armazena a corrente indutiva num condensador, chamado de processo de acoplamento indu-tivo. Quando este tiver carga suficiente, alimenta o circuito interno da tag. As tags que utilizam comunica¸c˜ao near-field enviam os dados ao leitor atrav´es de load modulation. Qualquer varia¸c˜ao de corrente na bobina da tag, provoca uma pequena varia¸c˜ao de corrente na bobina do leitor devido `a indu¸c˜ao m´utua M (H) 3.2, ou seja, o sistema pode ser comparado a um transformador que utiliza como meio de condu¸c˜ao das linhas de for¸ca, o ar.

M = Φ12 I1

= Φ21 I2

(3.2)

Essa corrente ´e proporcional `a carga aplicada `a bobina da tag (load modulation). No entanto, este tipo de comunica¸c˜ao apresenta limita¸c˜oes ao n´ıvel da energia dispon´ıvel para o m´etodo de indu¸c˜ao magn´etica e tamb´em relativamente `a diminui¸c˜ao da

3.1. RFID – RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION 23

distˆancia de opera¸c˜ao com o aumento da frequˆencia [44].

Figura 3.10: Mecanismo de comunica¸c˜ao near-field para tags RFID que funcionam a menos de 100 MHz [44].

Comunica¸c˜ao Far-field

As tags que utilizam a comunica¸c˜ao far-field (Figura 3.11) recebem ondas electro-magn´eticas propagadas a partir de uma antena dipolo do leitor. Uma pequena antena dipolo colocada na tag recebe a energia transportada pelas ondas electro-magn´eticas sob a forma de uma diferen¸ca de potencial alternada. Um d´ıodo rectifica essa diferen¸ca de potencial e assim ´e poss´ıvel armazenar energia num condensador que alimentar´a o circuito da tag [44].

Neste tipo de comunica¸c˜ao as tags enviam os dados ao leitor atrav´es da t´ecnica de backscattering (reflex˜ao dominante). Se a antena da tag for bem dimensionada, absorve a maior parte da energia vinda da antena do leitor. Todavia, se existir incompatibilidade de impedˆancias a antena ir´a reflectir alguma dessa energia [44]. Ao alterar a impedˆancia da antena ao longo do tempo, a tag pode reflectir de volta mais ou menos a energia recebida num padr˜ao que codifica a identifica¸c˜ao da tag [44, 58].

24 CAP´ITULO 3. ENQUADRAMENTO TECNOL ´OGICO

Figura 3.11: Mecanismo de comunica¸c˜ao far-field para tags RFID que funcionam a mais de 100 MHz [44].

3.2

WSN – Wireless Sensor Network

Em virtude do progresso da micro-electr´onica e das tecnologias de comunica¸c˜oes sem fios, surgiram as redes de sensores sem fios WSN. Uma WSN ´e tipicamente composta por um grande n´umero de sensores aut´onomos, distribu´ıdos espacialmente para mo-nitorizar condi¸c˜oes f´ısicas ou ambientais, tais como, temperatura, som, vibra¸c˜oes, press˜ao, movimento, etc [59, 60].

A maioria das redes WSN devem para al´em do seu objectivo principal, possuir caracter´ısticas que cumprem a eficiˆencia energ´etica [59, 60]. Numa rede WSN, os n´os (sensores) s˜ao distribu´ıdos numa ´area geogr´afica de interesse para os fen´omenos a monitorizar [61]. Al´em disso, segundo [62] os n´os sensores uma vez fixados numa posi¸c˜ao geogr´afica, podem ser utilizados para medir o crescimento da vegeta¸c˜ao entre eles.

O sucesso das WSN reside na troca de mensagens eficaz e no baixo consumo de energia entre os n´os sensores, contribuindo para uma maior autonomia. Para esse efeito, tˆem sido criados v´arios protocolos para gerirem toda a comunica¸c˜ao dentro

3.2. WSN – WIRELESS SENSOR NETWORK 25

da rede e da rede para o exterior, nomeadamente o padr˜ao IEEE 802.15.4.

3.2.1

O padr˜

ao IEEE 802.15.4

O padr˜ao IEEE 802.15.4, revisto em 2006, tem-se manifestado como protocolo essen-cial nas comunica¸c˜oes WSN, com a capacidade de litigar com a maioria dos seus desafios [59].

Este padr˜ao define um protocolo de comunica¸c˜ao, simples e flex´ıvel, para redes LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network ), permitindo aplica¸c˜oes nas mais diversas ´areas (controlo industrial, seguran¸ca p´ublica, monitoriza¸c˜ao au-tom´ovel, agricultura de precis˜ao, etc), com dispositivos de baixo consumo de energia, baixa complexidade, baixas taxas de transmiss˜ao de dados, curto alcance e de custo reduzido [11, 59, 63, 64].

Numa rede IEEE 802.15.4 podem existir dois tipos de dispositivos: FFD (Full Func-tion Device) e RFD (Reduced FuncFunc-tion Device). Um dispositivo FFD funciona em qualquer topologia de rede, podendo desempenhar a fun¸c˜ao de coordenador da PAN (Personal Area Network ) ou dispositivo final. Estes dispositivos possuem o conhe-cimento geral de toda a rede e s˜ao respons´aveis pela atribui¸c˜ao de endere¸cos na rede [11, 12, 59, 63].

Os RFDs s˜ao dispositivos limitados a uma configura¸c˜ao com topologia em estrela, destinando-se a aplica¸c˜oes simples (interruptor de luz ou sensor de presen¸ca) que requerem um baixo consumo de energia, uma vez que a maior parte do tempo est˜ao no estado sleep. Estes podem ser implementados utilizando o m´ınimo de recursos e capacidade de mem´oria. Um dispositivo RFD pode comunicar apenas com dispositivos FFD e est´a associado a apenas um FFD de cada de vez [11, 12, 59, 63].

Topologias de Rede

Neste tipo de rede podem ser utilizadas as topologias de rede em estrela e ponto-a-ponto, ilustradas na Figura 3.12.

Na topologia em estrela, pelo menos um dispositivo FFD funciona como coordenador da PAN, designado para controlar toda a rede e estabelecer a comunica¸c˜ao com todos os dispositivos adjacentes RFD. O coordenador da PAN ´e respons´avel por iniciar

26 CAP´ITULO 3. ENQUADRAMENTO TECNOL ´OGICO

e terminar todas as liga¸c˜oes na rede, para al´em de poder ter uma outra aplica¸c˜ao espec´ıfica, ou seja, ´e o controlador prim´ario da PAN. Tipicamente o coordenador da PAN ´e alimentado pela rede el´ectrica, todavia os restantes dispositivos (FFD ou RFD) s˜ao alimentados por baterias [11, 59, 63].

Figura 3.12: Exemplos de Topologia Estrela e Ponto-a-Ponto [11].

Numa topologia ponto-a-ponto, a maioria dos dispositivos s˜ao FFDs, onde qualquer um pode funcionar como coordenador da PAN e prestar servi¸cos de monitoriza¸c˜ao aos outros dispositivos, no entanto, difere da topologia em estrela, pois todos os dis-positivos podem comunicar entre si sem recorrer ao coordenador, desde que estejam na ´area de alcance um do outro.

Este tipo de topologia, permite a forma¸c˜ao de redes com topologias mais complexas, em ´arvore (cluster tree) e em malha (mesh). Esta configura¸c˜ao pode ser encontrada em redes de sensores para aplica¸c˜oes em controlo e monitoriza¸c˜ao industrial [11, 59, 63].

Todos os dispositivos em qualquer topologia, tˆem um endere¸co ´unico de 64 bits. A comunica¸c˜ao ´e realizada atrav´es deste endere¸co, ou a partir de um endere¸co de 16 bits, que ´e gerado pelo coordenador da PAN, quando a ele se associa um dispositivo [11, 59, 63].

3.2. WSN – WIRELESS SENSOR NETWORK 27

Arquitectura

O padr˜ao 802.15.4, define as caracter´ısticas da camada f´ısica PHY (Physical layer ) e da sub-camada controlo de acesso ao meio MAC (Medium Access Control ), funda-mentado no modelo OSI1 _{(Open System Interconnection) de sete camadas (Figura}

3.13), para as LR-WPAN [11, 59, 63].

Figura 3.13: Modelo das camadas OSI/ISO [12].

A Figura 3.14 ilustra a estrutura das camadas do padr˜ao 802.15.4. A camada f´ısica (PHY), opera em cinco faixas de frequˆencia n˜ao licenciadas da banda ISM (Industrial, Scientific and Medical): 2.4 GHz (Global), 950 MHz (Jap˜ao), 915 MHz (Estados Unidos), 868 MHz (Europa) e 780 MHz (China) [65]. ´E respons´avel pela transmiss˜ao e recep¸c˜ao de dados, permitindo n´ıveis elevados de integra¸c˜ao. Utiliza a t´ecnica de transmiss˜ao de sequˆencia directa de espalhamento espectral (DSSS - Di-rect Sequence Spread Spectrum) para aceder aos canais de comunica¸c˜ao, permitindo que os dispositivos sejam bastante simples, possibilitando implementa¸c˜oes de custo reduzido [11, 59, 63].

1

28 CAP´ITULO 3. ENQUADRAMENTO TECNOL ´OGICO

Figura 3.14: Arquitectura do padr˜ao 802.15.4 [11].

Esta camada faculta dois servi¸cos: o servi¸co de dados PHY e o servi¸co de interface de controlo PHY para a entidade de controlo da camada f´ısica (PLME - Physical Layer Management Entity ). ´E tamb´em respons´avel pela transmiss˜ao e recep¸c˜ao de dados (PPDU - PHY Protocol Data Units) atrav´es de um determinado canal de r´adio, de acordo com uma modula¸c˜ao espec´ıfica e t´ecnica de transmiss˜ao.

Possui ainda fun¸c˜oes de activa¸c˜ao e desactiva¸c˜ao do transmissor/receptor de sinais de r´adio, detec¸c˜ao de energia no canal (ED - Energy Detection), indica¸c˜ao da qual-idade da liga¸c˜ao (LQI - Link Quality Indication), selec¸c˜ao do canal de frequˆencia e determina se o canal est´a ocupado ou desocupado (CCA - Clear Channel Assess-ment) [11, 59, 63].

A sub-camada MAC fornece dois servi¸cos: o servi¸co de dados MAC e o servi¸co de gest˜ao MAC (MLME - MAC Sublayer Management Entity). As fun¸c˜oes desta ca-mada passam pela gest˜ao de beacons, acesso aos canais, gest˜ao de GTS (Guaranteed Time Slots), valida¸c˜ao da frame, reconhecimento de entrega da frame, associa¸c˜ao e dissocia¸c˜ao de dispositivos e mecanismos de seguran¸ca. Esta camada possui dois modos de opera¸c˜ao [11]:

• Modo nonbeacon-enabled. Quando um dispositivo coordenador selecciona este modo, n˜ao h´a uso de beacons ou superframes. O acesso ao meio ´e feito por un-slotted CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance). • Modo beacon-enabled. Neste modo, os beacons s˜ao enviados periodicamente

3.2. WSN – WIRELESS SENSOR NETWORK 29

por um dispositivo coordenador para sincronizar os dispositivos que lhe est˜ao associados e para identificar a PAN. O acesso ao meio ´e feito por slotted CSMA/CA. O modo beacon-enabled permite o uso opcional de uma super-frame, sendo a estrutura desta definida pelo coordenador e formada entre dois beacons.

A superframe pode ter um per´ıodo activo e outro inactivo (opcional). Todo o pro-cesso de comunica¸c˜ao ocorre no per´ıodo activo. Durante o per´ıodo inactivo os dis-positivos podem entrar no modo de baixo consumo.

O per´ıodo activo ´e dividido em 16 slots de tamanho igual e ´e composto por trˆes partes: beacon, CAP (Contention Access Period ) e CFP (Contention Free Period ). O coordenador da PAN reserva alguns slots para aplica¸c˜oes espec´ıficas, denominados GTSs (Guaranteed Time Slots) [11].

Transferˆencia de Dados

A transferˆencia de dados pode ser efectuada de trˆes formas distintas:

• Do dispositivo para o coordenador; • Do coordenador para um dispositivo; • Entre dois dispositivos.

Quando um dispositivo pretende transferir dados para um coordenador numa rede beacon-enabled, espera pela recep¸c˜ao de um beacon, enviado periodicamente pelo coordenador, e ap´os a sua recep¸c˜ao o dispositivo sincroniza-se com a superframe [11].

No momento oportuno, o dispositivo transmite os dados para o coordenador, uti-lizando slotted CSMA/CA. Opcionalmente o coordenador pode enviar uma men-sagem de reconhecimento (acknowledge), para garantir que os dados chegaram cor-rectamente. Todo este processo ´e ilustrado na Figura 3.15 [11].

Numa rede nonbeacon-enabled, um dispositivo n˜ao espera por um beacon, simples-mente transmite os dados utilizando unslotted CSMA/CA. Caso seja pedido, o

30 CAP´ITULO 3. ENQUADRAMENTO TECNOL ´OGICO

Figura 3.15: Transferˆencia de dados de um dispositivo para o coordenador numa rede beacon-enabled [11].

coordenador envia uma mensagem de reconhecimento para garantir que os dados chegaram com sucesso. Na Figura 3.16 verifica-se o processo de transferˆencia de dados entre um dispositivo e um coordenador [11].

Figura 3.16: Transferˆencia de dados de um dispositivo para o coordenador numa rede nonbeacon-enabled [11].

No caso em que o coordenador pretende transferir dados para um dispositivo numa rede beacon-enabled, ele envia um beacon, onde est´a explicito que a mensagem est´a pendente. Desta forma, quando um dispositivo receber um beacon, ele envia uma mensagem ao coordenador a solicitar que este transmita a informa¸c˜ao.

O coordenador reconhece a mensagem, transmitindo uma mensagem de reconheci-mento e a seguir envia a informa¸c˜ao pendente por slotted CSMA/CA. Ap´os com-pletada a transac¸c˜ao, a mensagem ´e removida da lista de mensagens pendentes no

3.2. WSN – WIRELESS SENSOR NETWORK 31

beacon (Figura 3.17) [11].

Figura 3.17: Transferˆencia de dados do coordenador para um dispositivo numa rede beacon-enabled [11].

No entanto, numa rede nonbeacon-enabled os dispositivos enviam periodicamente mensagens ao coordenador para saber se tem dados pendentes, este por sua vez envia uma mensagem de reconhecimento e se os dados est˜ao pendentes envia-os por unslotted CSMA/CA. Se os dispositivos receberem com sucesso os dados, trans-mitem ao coordenador uma mensagem de reconhecimento, mas se os dados n˜ao estiverem pendentes, o coordenador transmite esse facto (Figura 3.18) [11].

Figura 3.18: Transferˆencia de dados do coordenador para um dispositivo numa rede beacon-enabled [11].

4

Concep¸c˜

ao e Implementa¸c˜

ao

Este projecto consiste no desenvolvimento de um sistema de monitoriza¸c˜ao de activi-dade animal, tendo como caso de estudo o ciclo reprodutivo das ovelhas. Pretende-se automatizar a recolha de dados do processo de cobri¸c˜ao (n´umero de saltos, dura¸c˜ao dos saltos, identifica¸c˜ao dos animais envolvidos no salto), de maneira a resolver o problema da detec¸c˜ao de cios em explora¸c˜oes pecu´arias que utilizam a insemina¸c˜ao artificial.

A transmiss˜ao de dados entre o sistema remoto de aquisi¸c˜ao de dados do salto, colocado nos animais, e o sistema de recolha de dados ´e baseada numa rede de sensores sem fio (WSN), tendo sido esta rede implementada recorrendo ao padr˜ao IEEE 802.15.4.

A implementa¸c˜ao do sistema apresentado ao longo deste trabalho tem como base os seguintes componentes principais:

• Tag RFID, que vai ser colocada na garupa da fˆemea, sendo utilizada para identificar a mesma e detectar a tentativa de salto;

• Leitor m´ovel, que ser´a transportado pelo macho e que inclui um leitor RFID para ler a tag colocada nas fˆemeas, activado durante a tentativa de salto; • Sistema de aquisi¸c˜ao de dados, onde os dados recolhidos s˜ao guardados e

ap-resentados aos utilizadores.

34 CAP´ITULO 4. CONCEPC¸ ˜AO E IMPLEMENTAC¸ ˜AO

4.1

Sistema proposto

O sistema de monitoriza¸c˜ao proposto, Figura 4.1, ´e um sistema de baixo consumo energ´etico, baixo custo, reduzidas dimens˜oes, robusto e vi´avel.

Todo o processo de cobri¸c˜ao vai ser determinado com base na leitura por proximidade ou contacto das tags RFID. Tal como foi referido na Introdu¸c˜ao, este projecto teve como caso de estudo os ovinos.

Nas nas ovelhas ser˜ao colocadas tags RFID passivas com a identifica¸c˜ao das mesmas e o carneiro ser´a equipado com um sistema de leitura port´atil, designado leitor m´ovel, que far´a a leitura da tag atrav´es da r´adio-frequˆencia a uma distˆancia muito reduzida, de modo a detectar o momento do salto (monta). Ap´os este acto, os dados ser˜ao processados e enviados para um sistema de aquisi¸c˜ao de dados atrav´es de uma rede de sensores sem fio.

Figura 4.1: Sistema de monitoriza¸c˜ao proposto.

4.2

Tag RFID a utilizar

A tag escolhida para utilizar neste projecto ´e do tipo passiva (Figura 4.2), funciona a 125 KHz e cumpre as normas ISO 11784 (estrutura de c´odigo de 64 bits) e ISO 11785 (protocolo que combina a comunica¸c˜ao FDX – Full Duplex com a comunica¸c˜ao HDX – Half Duplex ) para identifica¸c˜ao de animais atrav´es da r´adio-frequˆencia [66, 67]. O motivo desta escolha deve-se ao facto de pretender-se utilizar uma tag de baixo custo, reduzidas dimens˜oes, reduzido alcance de leitura, longa dura¸c˜ao de vida

4.3. LEITOR M ´OVEL 35

(ausˆencia de fonte de alimenta¸c˜ao, pois s˜ao alimentadas pelo leitor), baixa manuten¸c˜ao e que a sua frequˆencia de utiliza¸c˜ao penetre ´agua e tecidos musculares, de modo a ser colocada na garupa da ovelha.

´

E de referir que a principal vantagem reside na rela¸c˜ao tamanho/custo, o que permite serem implementadas em todas as ovelhas para que n˜ao haja necessidade de saber quais as fˆemeas com probabilidade de entrar em cio. As tags

A reduzida distˆancia de leitura deste tipo de tags vai tamb´em permitir evitar casos de falsos positivos.

Figura 4.2: Tag utilizada em testes.

4.3

Leitor m´

ovel

O leitor m´ovel concebido, cujo diagrama de blocos ilustrado na Figura 4.3, ´e o prot´otipo a ser colocado no carneiro a fim de adquirir os dados necess´arios da ovelha, process´a-los e envi´a-los para um sistema de aquisi¸c˜ao de dados. Este permite a detec¸c˜ao autom´atica sem interven¸c˜ao humana no que refer `a observa¸c˜ao visual e ´e composto pelos seguintes blocos funcionais:

• Leitor RFID para comunicar com a tag RFID;

• Microcontrolador para processar os dados e controlar todas as comunica¸c˜oes; • M´odulo 802.15.4 para suporte da rede de sensores sem fio;

36 CAP´ITULO 4. CONCEPC¸ ˜AO E IMPLEMENTAC¸ ˜AO

Figura 4.3: Diagrama funcional do leitor m´ovel.

Este ´e a base de todo o sistema e deve possuir dimens˜oes reduzidas, permitindo mobilidade ao carneiro sem perturbar o seu bem-estar, cujo esquema completo do circuito est´a ilustrado na Figura 4.5 e na Figura 4.4 pode visualizar-se a placa PCB (Printed Circuit Board ) do prot´otipo.

4.3. LEITOR M ´OVEL 37

Figura 4.5: Circuito do leitor m´ovel.

4.3.1

Leitor RFID

O leitor RFID utilizado ´e um m´odulo OEM (Original Equipment Manufacturer ) de reduzida dimens˜ao, com antena integrada (esta antena possui pequenas dimens˜oes, logo a ´area de detec¸c˜ao ´e pequena) e sujeito a uma tens˜ao de alimenta¸c˜ao de 5V. Atrav´es de r´adio-frequˆencia comunica com a tag, lˆe a sua identifica¸c˜ao e envia-a para o microcontrolador atrav´es de uma interface EUSART (Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter ) em modo ass´ıncrono.

Para aumentar a ´area de detec¸c˜ao, foi desenvolvida uma antena para ocupar a ´area da caixa do prot´otipo (ver Figura 4.6).

4.3.2

Microcontrolador

O microcontrolador utilizado, PIC18F2620 [13], pertence `a fam´ılia de microcontro-ladores PIC (Peripheral Interface Controller ) fabricados pela Microchip Technology

38 CAP´ITULO 4. CONCEPC¸ ˜AO E IMPLEMENTAC¸ ˜AO

Figura 4.6: Antena desenvolvida para o prot´otipo.

e possui a responsabilidade de controlar todo o sistema. Ap´os receber os dados do leitor RFID via porta s´erie (pino RX), o microcontrolador faz o processamento dos dados recebidos. Este processamento inclu´ı a identifica¸c˜ao da fˆemea e o c´alculo do tempo de salto. Os dados s˜ao de seguida enviados para o sistema remoto, uti-lizando o m´odulo de comunica¸c˜oes sem fios. Esta comunica¸c˜ao ´e tamb´em efectuado utilizando via porta s´erie do microcontrolador (utilizando o pino TX).

A escolha recaiu sobre esta fam´ılia de microcontroladores devido ao baixo consumo energ´etico, baixo custo e elevado desempenho. As principais caracter´ısticas destes microcontroladores s˜ao:

• Tecnologia nanoWatt;

• ´E um dispositivo RISC (Reduced Instruction Set Computer );

• Possui arquitectura Harvard (barramento de dados independente do barra-mento de instru¸c˜oes);

4.3. LEITOR M ´OVEL 39

• Mem´oria flash program´avel de 64Kbytes;

• Mem´oria RAM (Random Access Memory) de 3968bytes;

• Mem´oria EEPROM (Electronic Erasable Read Only Memory) de 1024bytes; • Funciona com uma tens˜ao de alimenta¸c˜ao de 2V a 5.5V.

Figura 4.7: Diagrama dos pinos do PIC18F2620 [13].

Para programar o microcontrolador PIC18F2620 escolheu-se um software SDK (Soft-ware Development Kit) disponibilizado pela Microchip: o MPLAB, um soft(Soft-ware do tipo IDE (Integrated Development Environment). A linguagem de programa¸c˜ao es-colhida para desenvolver o c´odigo fonte foi a linguagem C.

4.3.3

Comunica¸c˜

oes

Para suporte das comunica¸c˜oes WSN entre o leitor m´ovel e o sistema de aquisi¸c˜ao de dados foram utilizados os m´odulos XBee (Figura 4.8) fabricados pela empresa Maxstream. Estes m´odulos operam na frequˆencia ISM de 2.4 GHz, para integra¸c˜ao em sistemas que pretendam transmitir informa¸c˜ao por r´adio-frequˆencia e implemen-tam o padr˜ao IEEE 802.15.4 [14].

Existem em duas vers˜oes distintas, XBee e XBee Pro, ambas com dimens˜oes muito reduzidas (inferiores a 3cm x 3cm), Figura 4.9. A principal diferen¸ca entre estas duas

40 CAP´ITULO 4. CONCEPC¸ ˜AO E IMPLEMENTAC¸ ˜AO

Figura 4.8: M´odulo XBee Pro utilizado em testes.

vers˜oes est´a na potˆencia m´axima de transmiss˜ao. A vers˜ao XBee opera com uma potˆencia m´axima de 1mW (0dBm) e um alcance de 100m ou 30m (outdoor/indoor ) de raio de transmiss˜ao, enquanto o XBee Pro opera com uma potˆencia at´e 60mW (18dBm), o que lhe permite alcan¸car 1.6Km ou 100m (outdoor/indoor ) de raio de transmiss˜ao [14].

Figura 4.9: Vista frontal e lateral dos m´odulos XBee/XBee Pro [14].

A utiliza¸c˜ao destes m´odulos foram uma mais valia para este projecto, devido ao seu consumo reduzido de corrente (<10µA) quando est´a no estado sleep. No entanto esses valores sobem para aproximadamente 50mA durante a transmiss˜ao/recep¸c˜ao de dados, para uma tens˜ao de alimenta¸c˜ao de 3.3V. Contudo, uma vez que a maior