ZigBee 802-15-4

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Interface USB para recolha de dados de sensores remotos
utilizando ZigBee e IEEE 802.15.4
David Rua∗, Nuno Martins∗, Pedro Reis∗, João Paulo Sousa
{ee99127|ee00186|ee00106|jpsousa}@fe.up.pt
Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Rua Dr. Roberto Frias, 4200–465 PORTO Portugal
Tel +351.22.5081833, Fax +351.22.5081443
Resumo
Apresenta-se um trabalho em curso no âmbito das redes sem fios para sensores utilizando ZigBee sobre
IEEE 802.15.4. Descreve-se a tecnologia ZigBee, ressaltando os aspectos que fundamentam a escolha desta
opção face às restantes alternativas para redes sem fios, descreve-se a arquitectura proposta e implementada,
abordando os seus aspectos mais relevantes de hardware e software, finalmente apresentam-se os resultados
de ensaios efectuados que confirmam a adequação do sistema para a aplicação pretendida e sugerem-se
possíveis direcções para desenvolvimentos futuros.
1 Introdução
“Estará o mundo a tornar-se wireless?” Nos últimos anos tem-se assistido a uma enorme expansão de dis-
positivos de controlo via rádio que surgem nas mais diversas áreas, invadindo o quotidiano das pessoas. O
desafio actual é o desenvolvimento de um protocolo globalmente aceite, para a interface com estes dispositivos,
que permita a sua ligação em rede, uniformizando o processo de comunicação. De facto, há já algum tempo
que se conhecem vários protocolos para suporte de comunicações sem fios, de médio ou alto débito, como
o Bluetooth [1] ou o Wi-Fi [2] mas só recentemente se começou a pensar num protocolo que respondesse às
necessidades específicas de sensores e dispositivos de controlo. Até então os diversos fabricantes deste tipo
de equipamentos adoptavam soluções próprias criando sérios problemas de interoperabilidade entre sistemas.
É neste contexto que surge o protocolo ZigBee [3] que, em conjunto com a norma IEEE 802.15.4 [4], pre-
tende uniformizar as comunicações nas redes pessoais (PAN) e nas redes domésticas (HAN) de última geração
garantindo à partida a fiabilidade e a segurança nas comunicações bem como a maximização do tempo de vida
útil das baterias.
∗Financiado por bolsa Prodep.
Bluetooth, Wi-Fi, e ZigBee são marcas registadas pelos seus proprietários.
2 ProtocolosWireless
A tabela 1 permite a comparação das soluções tecnológicas actualmente existentes.
Especificação
Camada
física
Débito Consumo
Pilha
protocolar
Pontos fortes Aplicações
Wi-Fi 802.11 54Mbps
>400mA TX;
standby 20mA
>1MB
Alta taxa de
transferência
Internet, redes,
transferência de
ficheiros, Video
Bluetooth 802.15.1 1Mbps
40mA TX;
standby 0.2mA
≈250KB Interoperabilidade,
substituição de cabos
Wireless USB,
Aparelhos de mão
auriculares
ZigBee 802.15.4 250Kbps
30mA TX;
standby 3µA
≈32KB
Consumo,
fiabilidade, preço,
No de nós, latência
Controlo Remoto,
Dispositivos com
baterias, Sensores
Tabela 1: Comparação de tecnologias sem fios
Foram omitidas outras [5] que embora interessantes do ponto de vista teórico e/ou académicos não têm ex-
pressão comercial. Pode verificar-se que o ZigBee encaixa perfeitamente em aplicações que envolvam disposi-
tivos remotos alimentados por baterias, nomeadamente sensores e actuadores, já que permite baixos consumos,
débitos aceitáveis e possui uma pilha protocolar mais simples que possibilita a sua implementação em sistemas
com recursos limitados. A especificação ZigBee define as camadas de rede, segurança e aplicação, sendo a
definição das camadas física e de acesso ao meio da responsabilidade da norma IEEE 802.15.4.
2.1 IEEE 802.15.4
A norma IEEE 802.15.4 define as camadas física e de acesso
APL - Aplicação
APS – Suporte de Aplicações
AF - Framework
IEEE 802.15.4 (MAC+PHY)
NWK – Camada de Rede
S
er
vi
ço
 d
e 
S
eg
ur
an
ça
ZDO – ZigBee 
Device ObjectObjectos de 
aplicação
...
Figura 1: Pilha protocolar ZigBee
ao meio do modelo OSI possibilitando a operação em três ban-
das ISM (Industrial Scientifical and Medical), livres de licen-
ciamento, que nas frequências 2.4 GHz (utilização mundial),
915 MHz (só nos Estados Unidos) e 868 MHz (só na Europa).
Tal como no Wi-Fi, é usado o espalhamento espectral por se-
quência directa (DSSS) na banda de 2.4GHz, com modulação
O-QPSK. A largura do canal é de 2MHz com 5MHz de es-
paçamento de canal. Nas bandas de 868 e 900MHz também se
usa o espalhamento espectral por sequência directa mas com
modulação BPSK. Podem ser obtidas taxas de transmissão de
250Kbps a 2.4GHz (16 canais), de 40Kbps a 915MHz (10
canais) e de 20Kbps a 868MHz (1 canal).
São suportados dois modos de rede: beaconing e non-beaconing.
No modo beaconing os nós da rede transmitem informação a
fim de confirmar a sua presença a outros nós na mesma rede, permitindo adormecer nós entre sinalizações
(beacons) com claras vantagens no consumo de energia. É usado o slotted CSMA-CA (carrier-sense medium-
access with collision avoidance) e uma estrutura de supertrama permite controlar o acesso ao canal. É possível
utilizar mecanismos que garantem qualidade de serviço e baixa latência (GTS - guaranteed time slot). No modo
non-beaconing a maior parte dos dispositivos mantém os receptores permanentemente activos sendo necessário
assegurar fontes de alimentação mais potentes. É usado o ALOHA (unslotted) CSMA-CA. A norma prevê dois
tipos de dispositivos físicos: dispositivos de funcionalidade reduzida (RFD) - nós da rede de baixo custo - e
dispositivos de funcionalidade completa (FFD) - nós de rede mais sofisticados.
2.2 ZigBee
Esta especificação define as camadas de rede e aplicação do modelo OSI e ainda o serviço de segurança entre
ambas. Estão especificados mecanismos de ligação e desconecção de um dispositivo à rede, a identificação
e armazenamento numa tabela dos dispositivos vizinhos, a segurança e o encaminhamento das tramas e a
identificação e manutenção do encaminhamento. Estão previstos três tipos de dispositivos lógicos: ZigBee
coordinator, ZigBee router e ZigBee endpoint ; os dois primeiros só podem ser implementados por um FFD
enquanto que o último pode ser implementado por um FFD ou por um RFD.
De modo a uniformizar aplicações distribuídas existem profiles que definem os formatos de mensagem e de
procedimentos a serem usados e descrevem a função dos dispositivos e suas interfaces. São de realçar ainda os
descritores: estruturas de dados usadas pelos dispositivos para descreverem o seu tipo, capacidades e alimen-
tação.
3 O sistema proposto
O projecto [6] desenvolvido na FEUP em parceria com a empresaMactek permitiu até ao momento implementar
uma placa de desenvolvimento para aplicações ZigBee. Esta placa destina-se a funcionar como coordenador
numa rede wireless ZigBee, podendo também ser utilizada como nó remoto. Tendo em vista a aplicação
final criada, a sua principal funcionalidade é actuar como concentrador de dados que recolhe a informação
de sensores remotos enviando-a posteriormente para um computador onde é feito o seu processamento. A
comunicação com o PC é assegurada por interface USB [7] ou RS232C. A placa oferece a possibilidade de
operar em dois modos distintos:
• modo sustentado - a placa tem uma ligação activa com o computador, através de USB ou RS232, sendo
os dados recolhidos dos sensores enviados imediatamente para o PC.
• modo autónomo - não existe qualquer ligação com o PC pelo que a placa armazena a informação recol-
hida numa EEPROM a fim de permitir o seu tratamento posterior quando estiver ligada ao PC.
A aplicação considerada para o teste do protocolo consiste em ler um conjunto de sensores remotos de temper-
atura (via ZigBee) e armazenar localmente na placa ou enviar essa informação para um PC.
3.1 Arquitectura de Hardware
O projecto de hardware teve como objectivos reduzir o mais possível o consumo de energia e flexibilizar ao
máximo a arquitectura de forma a abranger um conjunto alargado de aplicações.
A figura 2 representa o diagrama de blo-
µcontrolador
Alimentação
CarregadorAC/USB DC-DC
EEPROM
USB
RS-232
RTC
I2C
LDO
I2 C
Série
SPI
Adaptador
AC
Bateria
LCD
RF
Card
Figura 2: Diagrama de blocos do sistema
cos da placa. Pode constatar-se a exis-
tência de um microcontrolador da Mi-
crochip (PIC18LF4620) com 64 KB de
memória flash e tecnologia “nanoWatt”
ao qual cabe a gestão da pilha protoco-
lar ZigBee e da aplicação integrada. O
armazenamento de informação no caso
da placa operar em modo autónomo é
assegurado por uma memória EEPROM
de baixo consumo (24LC128). Duas in-
terfaces permitem a comunicação com o
PC: USB (FTDI-FT232BM) e RS232 (MAX3223), ambas de baixo consumo. A alimentação está a cargo de
um módulo composto por um carregador AC/USB (MAX1874) e um conversor DC-DC (MAX770) em con-
junto com um regulador de baixa queda de tensão (MCP-1700), que permite que a placa possa ser alimentada
através de um vulgar adaptador AC, ou através da própria ligação USB (enquanto estiver em modo sustentado)
ou ainda através de uma bateria de lítio.
Da placa faz também parte um RTC de baixo consumo (MAX DS1337) e um LCD gráfico de baixo consumo
(SP5-GFX1) que permite estabelecer a interface com o utilizador caso a placa se encontre em modo autónomo.
Quanto ao módulo RF, foi utilizada uma placa comercial disponibilizada pela Microchip (PICDEM Z 2.4 Ghz
RF Card). A interface entre a placa RF e o microcontrolador é feita por SPI enquanto que a comunicação entre
microcontrolador e a EEPROM/RTC por I2C.
3.2 Arquitectura de Software
Foi utilizada uma pilha protocolar ZigBee disponibilizada pela Microchip. Infelizmente a instabilidade desse
software foi grande (e continua a ser) o que prejudicou bastante o desenvolvimento da trabalho, tendo em
diversas ocasiões sido necessário efectuar correcções de ‘bugs’ na própria pilha.
Foi desenvolvida uma aplicação gráfica para interface com o utilizador que permite aceder à placa quando esta
se encontra a funcionar em modo sustentado quer esteja ligada por USB quer por RS232. Permite a qualquer
instante saber quais os nós ligados à rede, o instante em que se ligaram/desligaram, o identificador de cada
nó e toda a informação relevante enviada para a placa concentradora. Incluem-se opções de configuração para
ambos os modos de comunicação com o PC, como a configuração da taxa de transferência, número de bits de
dados, stop bits e ainda a porta COM utilizada. No modo USB pode ser seleccionado ummodo de comunicação
especial que permite ao utilizador efectuar algumas tarefas para efeitos de teste da placa.
4 Ensaios e Resultados
Foram efectuadas medidas de consumo e ensaios de alcance cujos resultados constam das tabelas 2 e 3. É
visível o baixo nível de consumo da maior parte dos componentes, sendo o consumo do módulo RF superior
ao consumo total dos restantes componentes.
Componente µC RF RTC EEPROM RS232 USB LCD
Consumo
medido
32.34 mW 64.68 mW 1.98 µW 2.97 µW
6.24 mW (c/cabo)
825 µW (s/cabo)
< 125 mW (norm)
< 1 mW (susp)
1.68 mW
Consumo
fabricante
31.08 mW 61.22 mW 4.95 µW 3.30 µW
330 µW (c/cabo)
3.30 µW (s/cabo)
125 mW (norm)
1.5 mW (susp)
1.75 mW
Tabela 2: Consumos
As medições relativas às distâncias conseguidas em interior devem ser tomadas como indicativas já que o
alcance da transmissão depende, em larga medida, da topologia do edifício e dos materiais empregues na sua
construção.
Meio ambiente Máxima distância obtida
Exterior > 150 metros (em linha de vista)
Interior 3 paredes ou entre 2 andares
Tabela 3: Distâncias de transmissão
5 Conclusões
O protótipo descrito neste artigo teve como objectivo estabelecer uma base para o desenvolvimento da tecnolo-
gia ZigBee. O trabalho desenvolvido permitiu aprofundar conhecimentos na área das comunicações digitais
sem fios orientadas a sensores e actuadores remotos. Além disso tornou evidente que embora a tecnologia
ZigBee seja muito promissora, a falta de maturidade de algumas ferramentas disponíveis no mercado dificulta
a opção por este protocolo num futuro imediato.
6 Desenvolvimentos futuros
A aplicação apresentada teve por base uma pilha protocolar ZigBee disponibilizada pela Microchip ainda muito
instável. Possíveis desenvolvimentos futuros poderão ser a avaliação de outras pilhas protocolares ZigBee, ou
a implementação mais robusta da pilha protocolar utilizada; a exploração do serviço de segurança especificado
e o estudo da viabilidade de topologias de rede ainda não suportadas pela pilha utilizada como por exemplo as
topologias em malha e em árvore.
Referências
[1] Specification of the Bluetooth System. Technical report, Nov 2003.
[2] IEEE Standard 802.11g. Technical report, July 2003.
[3] ZigBee Alliance. Zigbee specification. Technical report, June 2005.
[4] IEEE Computer Society. IEEE Standard for Information technology – Telecommunications and informa-
tion exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific requirements – Part
15.4: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-
Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANS)", institution = "Institute of Electrical and Electronics
Engineers, Inc. Technical report, New York, May 2003.
[5] Kohvakka, M., Hännikäinen, M., Hämäläinen, T. “Wireless Sensor Network Implementation for Industrial
Linear Position Metering”. In Eighth EUROMICRO Conference on Digital System Design, pages 267–273,
Porto, Portugal, Aug-Sep 2005. Euromicro.
[6] Rua, D., Martins, N., Reis, P. “Placa de Desenvolvimento Wireless ZigBee”. Technical report, Faculdade
de Engenharia da Universidade do Porto, July 2005.
[7] Universal Serial Bus Specification. Technical report, April 2000.