São redes compostas por um conjunto de sensores espalhados pelo corpo (fixados nas roupas, debaixo da pele e outros) que, através de tecnologias de comunicação sem fio, monitoram as condições físicas de uma pessoa e transmitem as informações coletadas para um “servidor” (on-line ou não). Por exemplo: vamos considerar um atleta que pretende ser monitorado à distância pelo seu técnico enquanto treina. Primeiro o atleta veste uma roupa especialmente preparada para abrigar os sensores que compõem uma rede WBAN. Estes sensores, durante a prática dos exercícios físicos, irão coletar e transmitir os dados do atleta para seu smartphone. Esta comunicação, inclusive, pode ocorrer por Bluetooth, ZigBee, UWB (Ultra Wideband) ou qualquer outra tecnologia pessoal de transmissão e recepção de dados sem fio. Já o smartphone, através de um programa, interpretará os dados coletados pelos sensores e os transformará em relatórios. Na seqüência, tais relatórios serão enviados para um servidor HTTP por meio da rede de telefonia celular (GPRS, EDGE, EV-DO, HSDPA, etc). O treinador, por fim, irá visualizar e avaliar a performance de seu atleta apenas conectando seu notebook a internet e apontando seu browser para uma URL predeterminada. Show de bola, né?

Além do exemplo acima, as redes WBAN já estão sendo utilizadas em diversas outras áreas, como na reabilitação de pacientes em clínicas de Fisioterapia. Alias, no site da PubMed Central (PMC), enorme repositório digital de publicações médicas, há vários artigos que fazem referência a esta tecnologia. Um deles, de título “ACCELEROMETER-BASED WIRELESS BODY AREA NETWORK TO ESTIMATE INTENSITY OF THERAPY IN POST-ACUTE”, propõe a utilização de acelerômetros para avaliar um paciente, além, é claro, de auxiliar no seu tratamento. Os acelerômetros, neste caso, formam uma rede WBAN. Ela detecta com exatidão todos os movimentos executados pelo paciente e transmite tudo para um Tablet PC. O Tablet PC, por sua vez, “traduz” as informações recebidas através de um programa e exibe o diagnóstico completo do paciente para o fisioterapeuta responsável.

O futuro do WBAN já começou a ser desenhado no Brasil. Como prova, podemos citar a apresentação desta tecnologia em um evento que ocorreu na cidade de São Paulo há pouco tempo. Durante a exibição do painel: “O Papel das Tecnologias Sem Fio nas Aplicações de Saúde e Bancárias”, representantes de diversos setores (como hospitais, operadoras de telefonia, Anatel, programadores e outros) conheceram e já deram início às discussões acerca de futuros projetos WBAN em território canarinho!

É isso!

They are formed by a group of sensors spreads through the body (glued to the clothes, under the skin and others) which, through wireless technologies, monitor a person’s physical conditions and transmit the information collected to a “server” (on-line or not). For instance: we will consider an athlete who intends to be monitored at distance by his/her coach. First the athlete dresses a special clothes prepared to carry the sensors which compose a WBAN net. These sensors, during the practice of the physical exercises, will collect and transmit the athlete’s data to his/her smartphone. This communication can happen via Bluetooth, ZigBee, UWB (Ultra Wideband) or any other personal wireless technology. The smartphone, through a program, will interpret the data collected by the sensors and will transform them in reports. In the sequence, such reports will be sent to a HTTP server through the net of cellular telephony (GPRS, EDGE, EV-DO, HSDPA, etc). The coach, finally, will visualize and evaluate his/her athlete’s performance by connecting his/her laptop computer to the internet and pointing his/her browser to an predetermined URL.

Apart from the example, the WBAN nets are already being used in other several areas, such as patients rehabilitation in physiotherapy clinics. By the way, on PubMed Central site (PMC), which is an important digital repository of medical publications, there are many articles which make reference to this technology. One of them, called “ACCELEROMETER-BASED WIRELESS BODY AREA NETWORK TO ESTIMATE INTENSITY OF THERAPY IN POST-ACUTE”, proposes the use of accelerometers to evaluate a patient, beyond, of course, of aiding in his/her treatment. The accelerometers, in this case, forms a WBAN net. It detects, with accuracy, all the movements executed by the patient and it transmits everything to a Tablet PC. The Tablet PC “translates” the information received through a program and shows the patient’s complete diagnosis for the responsible physiotherapist.

The future of WBAN began to be developed in Brazil. As proof, we can mention the presentation of this technology in an event that happened recently in São Paulo city. During the exhibition of the panel: “The Paper of the Wireless Technologies in the Applications of Health and Bank”, representatives of several sections (as hospitals, mobile operators, Anatel, programmers and other) got to know and led off the discussions concerning future WBAN projects in the carnival land.

O padrão IEEE 802.15.4 foi homologado com o nome de ZigBee por uma aliança de empresas de diferentes segmentos denominada ZigBee Alliance. Trata-se de uma tecnologia de transmissão e recepção de dados sem fio de curto alcance que pertence à família WPAN (Wireless Personal Area Network), assim como o Infravermelho, Bluetooth e UWB (Ultra Wideband). Foi especialmente desenvolvida para ser utilizada em projetos de sensoriamento e monitoramento, como automação predial (controle de iluminação, detectores de fumaça, etc) e controle industrial (temperatura de máquinas, velocidade de motores elétricos, controle de talhas e pontes rolantes, etc).

O ZigBee opera em três faixas de freqüências distintas, contendo um número fixo de canais em cada uma: 868 MHz – com um único canal (0), 915 MHz – com 10 canais (1-10), 2,4 GHz – com 16 canais (11-26). Seus componentes consomem pouca energia (30 mW), são baratos, fáceis de serem instalados e possuem drivers extremamente enxutos, cerca de 50% menores quando comparados aos projetos que utilizam Bluetooth. Vale comentar que suas aplicações não exigem altas taxas de transferências de dados, fato que justifica os 250 kbps de pico.

A relação entre o IEEE 802.15.4 e o ZigBee é semelhante ao IEEE 802.11 e a Wi-Fi Alliance. Sua arquitetura da pilha de protocolo é estruturada em cinco camadas: PHY (Physical Layer), MAC (Media Access Control), NWK (Network), Suporte a Aplicação e Aplicação Perfil. As camadas MAC e PHY seguem a definição da IEEE 802.15.4. Já as camadas NWK e Suporte a Aplicação são definidas pela Zigbee Alliance.

As redes ZigBee podem assumir diversas configurações. Em todas elas há, pelo menos, um nó coordenador e um nó fim de dispositivo. O coordenador é um dispositivo completo (FFD) que apresenta as seguintes funções: ligar e desligar todos os elementos da rede, definir o canal de comunicação, alocar endereços aos demais nós, controlar a transferência de dados, entre outras. Já o nó fim de dispositivo pode ser completo ou apresentar funções reduzidas (RFD). O RFD é o menor e mais simples nó do protocolo ZigBee, executando apenas funções operacionais. Também existem os nós roteadores, responsáveis pelo encaminhamento das mensagens entre elementos que compõem a rede.

Topologias ZigBee

Uma rede ZigBee pode ser configurada de acordo com as seguintes topologias: estrela, agrupamento em árvore e mesh (malha). A topologia em estrela consiste de um ou mais fins de dispositivos que se comunicam com apenas um coordenador. Na topologia de agrupamento em árvore, fins de dispositivo podem se conectar com o coordenador ou com os roteadores do protocolo. Por fim, na topologia em malha os FFDs podem “conversar” diretamente com outros FFDs, sem a necessidade de passar por intermediários (roteadores).

Topologia em Estrela

Topologia de Agrupamento em Árvore

Topologia em Malha

É isso!

Muitas vezes o solo que suporta uma construção (um prédio, por exemplo) passa por um processo de acomodação, fato que resulta num afundamento “natural” do imóvel. Tais afundamentos, inicialmente imperceptíveis a olho humano, podem causar sérios danos estruturais, transformando-se num enorme prejuízo. Muitos ainda acreditam que a inspeção periódica manual (feita por engenheiros) é a melhor alternativa para evitar o afundamento, porém esta opção é cara, demorada e está sujeita a erros. Foi pensando nisso que alguns pesquisadores desenvolveram soluções que utilizam a tecnologia ZigBee, já discutida aqui, para detectar rapidamente qualquer problema desta natureza.

O ZigBee (IEEE 802.15.4)

Assim como o Bluetooth (IEEE 802.15.1), o ZigBee está enquadrado como um sistema de curto alcance. Foi desenvolvido para ser aplicado em situações que não exigem altas taxas de transferências de dados, como alguns projetos de sensoriamento e monitoramento. Consomem pouca energia e podem operar em três freqüências distintas. São elas: 868 MHz (20 kbps), 915 MHz (40 kbps) e 2,4 GHz (250 kbps). Também apresentam drivers extremamente enxutos, cerca de 50% menores quando comparados aos projetos que utilizam Bluetooth.

O ZigBee e o afundamento

Os módulos de RF e os dispositivos de controle que devem ser empregados no problema em questão não precisam de alta largura de banda, mas devem apresentar um baixo consumo de energia e latência. Todos esses critérios são atendidos pelo ZigBee, fato que justifica a escolha desta tecnologia por diversas empresas que visam monitorar o afundamento de uma construção. É o caso da BOX telematics e da MeshNetics.

Recentemente elas apresentaram um projeto cujos transceptores ZigBee são espalhados pelo perímetro da estrutura, lugares estratégicos que permitem a coleta e a transmissão das informações. Funciona assim: em intervalos de tempo predeterminados, os transceptores realizam suas leituras e transmitem as informações recolhidas para um gateway GPRS. Este gateway, por sua vez, encarrega-se de enviar todo o material coletado para o servidor da empresa de monitoramento. Lá são armazenados num banco de dados e disponibilizados aos interessados por meio de relatórios on-line.

Fantástico, não?

É isso!

No artigo de hoje falaremos de uma empresa que oferece soluções através do ZigBee. É a Control4, companhia americana representada no Brasil pela paulistana Disac. Tal empresa, com seus produtos que utilizam o padrão IEEE 802.15.4, promete trazer conforto e segurança para qualquer “lar doce lar”. Por exemplo: ao montar uma rede ZigBee entre alguns eletrônicos, pode-se controlá-los com um único “super controle”. Isto significa que da poltrona da sala é possível ajustar o ar-condicionado, ascender a luz do quintal, abrir o portão da garagem, desligar o video-game do quarto do filho e outras comodidades. Achou a idéia do controle remoto “comum”? Então se prepare.

A Control4 ainda oferece um leitor biométrico. Com ele é possível configurar o comportamento da rede de acordo com cada morador. Funciona assim: você gosta de música MPB e ar-condicionado na temperatura de 27 graus. Já sua esposa prefere new-age e temperatura de 25 graus. Quando você chegar do trabalho e colocar seu dedo no leitor, eureca! O ambiente se ajusta conforme a temperatura de sua escolha e Caetano Veloso começará a cantar. O mesmo vale para a esposa. E mais: o sistema permite alguns ajustes de segurança. Pode-se modificar o comportamento da rede conforme os dedos de cada morador. Por exemplo: ao ativar o sistema com o polegar, as configurações prediletas serão executadas. Já o dedo indicador pode significar assalto. Ao usá-lo o sistema poderá enviar mensagens SMS, e-mails e telefonar para a polícia avisando sobre o roubo.

Para desfrutar de todo este conforto e segurança, basta conectar uma “caixinha ZigBee” aos eletrônicos. A conexão entre a “caixinha ZigBee” e o eletrônico pode ser feita através de infravermelho, serial ou relés de contato. Feito isso, além do controle remoto, é possível instalar na parede um painel com tela de LCD para manipular o sistema.

Gostou? Mas isso não é tudo. A Control4 ainda possui outras incríveis soluções. Faça uma visita ao site deles – AQUI.

É isso!

Neste artigo falaremos sobre alguns módulos para ZigBee. O ZigBee já foi detalhado em artigos anteriores (aqui). De qualquer forma, antes de entrarmos nos módulos, resumiremos o ZigBee para facilitar a compreensão desta matéria. ZigBee, na verdade, trata-se de um aprimoramento de uma norma anterior denominada HomeRF. Muitos acreditavam no HomeRF, mas com o sucesso de outras tecnologias (Wi-Fi, por exemplo) ela caiu em desuso. Então nasceu o ZigBee. Este é o nome dado a um protocolo normalizado para comunicações em fio e foi desenvolvido essencialmente para aplicações industriais. Foi originalmente baseado na norma IEEE 802.15.4 e também consegue operar na mesma freqüência dos padrões IEEE 802.11b ou IEEE 802.11g (Wi-Fi).

Para um alcance de 100 metros, ZigBee consegue taxas de 250 kbps. Este valor é relativamente baixo quando comparado com os 54 Mbps do 802.11g. Mas como mencionado anteriormente, este protocolo é destinado a aplicações industriais. Por isso, velocidade não é o parâmetro mais importante na maioria das aplicações deste setor. E mais, ZigBee preza pelo baixo consumo de corrente e pelo baixo custo de implementação. Vamos aos módulos!

Módulos XBee

A MaxStream, um fabricante de componentes para comunicações sem fio, criou uma linha chamada XBee. O XBee é um pequeno, mas completo, transmissor/receptor ZigBee. Há duas versões disponíveis na MaxStream: o XBee e o XBee PRO. São versões parecidas e perfeitamente compatíveis entre si. A única diferença reside na potência de transmissão: 1 mW para o módulo XBee e 63 mW para o módulo XBee PRO. O alcance do produto final depende da potência de transmissão, porém este não é o único fator a ser levado em consideração. Deve-se pensar no consumo de corrente. 1 mW consome cerca de 45 mA enquanto 63 mW engole 270 mA. Com isso, podemos esquecer o uso de baterias para alimentar o circuito e consequentemente muitas aplicações com o módulo XBee PRO.

Há três opções de antenas para o XBee:

1) Integrada no chip. Neste caso a energia radiada não é direcional.
2) Com um conector para antena externa;
3) Com uma antena vertical integrada (chicote). Basicamente, isto permite direcionar o feixe.

Usar o módulo é relativamente fácil. Trata-se de um sistema inteligente. Ou seja, o módulo possui lógica de controle que pode aceitar comandos do desenvolvedor. OBS: estes comandos são especificados pelo fabricante.

Para facilitar a vida do desenvolvedor, a MaxStream disponibiliza também um útil programa chamado X-CTU. Este pode ser obtido gratuitamente no site do fabricante. A grosso modo, X-CTU é usado para configurar todos os parâmetros do módulo XBee com apenas alguns cliques de mouse. Pode-se usá-lo também para realizar atualizações de firmware. Para estas tarefas, basta ligar o módulo XBee na porta COM de qualquer PC.

Falando em firmware, alguns pinos do XBee estão atualmente reservados para funções atualmente indisponíveis no software de dispositivo. Quando o fabricante precisar implementar uma nova funcionalidade, utilizarão tais pinos. Depois, será necessário apenas atualizar o firmware.

Gostou?

Para mais informações consulte o site do fabricante.

É isso!

Com a publicação do artigo sobre UWB (Ultra Wide Band)…recebi diversos e-mails comparando o UWB com o ZigBee. Ao invés de responder aos contatos…resolvi escrever sobre ZigBee, mas sem relacioná-lo com o polêmico artigo postado.

ZigBee

O padrão ZigBee, também conhecido por HomeRF Lite, corresponde ao 802.15.4 e foi homologado em Maio de 2003. Ele surgiu através de uma aliança de empresas de diferentes segmentos – a ZigBee Alliance. Esta aliança trabalha no padrão junto ao IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

De modo geral, esta tecnologia têm como propósito permitir a comunicação sem fio confiável entre equipamentos como: TV’s, DVD’s, geladeiras, cafeteiras, teclados, mouse, impressoras, etc, etc.

Com relação as freqüências utilizadas…os dispositivos ZigBee operam nas faixas ISM (Industrial, Scientific and Medical), ou seja, não precisam de licença para funcionar. Com isso, a velocidade de transmissão varia conforme a faixa adotada. Ver tabela:

Um dispositivo ZigBee pode permanecer por um longo período de tempo sem comunicação (em standby). Então…o consumo de energia foi bastante pensado…procurando o menor gasto. Inclusive, alguns módulos de controle podem ser alimentados por baterias (pilhas) comuns. Neste caso…a vida útil estará relacionada com a qualidade da bateria.

As redes ZigBee possuem três tipos de elementos: o coordenador, os roteadores e os “end devices”. O Coordenador inicia a rede definindo o canal de comunicação usado, gerencia os nós da rede e armazena informações sobre eles. Os roteadores são responsáveis pelo encaminhamento das mensagens entre os nós da rede. Para finalizar…os “end devices” são dispositivos mais simples…que apenas se comunicam com outros nós da rede.

Na sequência…temos duas topologias: em árvore e em estrela:

De acordo com o exposto…os elementos são facilmente identificáveis. A topologia em estrela é indicada para ambientes com poucos obstáculos, pois toda rede depende de um único elemento. Ou seja, caso o coordenador estiver em local de difícil acesso…certamente a rede ficará comprometida. Já uma boa aplicação para a topologia em árvore…seria a comunicação de dispositivos situados em andares diferentes de um prédio.

Pesquisando por aí…também encontrei a topologia MESH para ZigBee. Porém, não concordei com as ilustrações…e por isso…elas não aparecem aqui.

O protocolo Zigbee é estruturado em cinco camadas: PHY (física), MAC (enlace), NWK (rede), Suporte a Aplicação e Aplicação Perfil. As camadas MAC (Medium Address Control) e PHY (Physical Layer) seguem a definição da IEEE 802.15.4. As camadas NWK e Suporte a Aplicação são definidas pela Zigbee Alliance e a camada de Aplicação Perfil, definida pelo usuário.

Na camada de aplicação…há o “ZigBee Device Object”. Nele será definido o papel do dispositivo na rede…ou seja…se ele atuará como coordenador, roteador ou “end device”.

Bom…

Creio que as informações acima são suficientes para você entender qualquer outro material sobre ZigBee. Para fechar…um resumão…e também um gráfico comparativo…

ZigBee têm:

• Comunicação sem fio com alcance previsto de até 500 metros;
• Freqüências de operação entre 868MHz e 2,4Ghz;
• Taxa de transmissão em torno de 250Kbps;
• Baixo consumo de energia;
• Baixo custo de implementação;
• Topologia de rede variável.

É isso!