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Redes de Sensores Sem Fios
WSN (Wireless Sensor Network)
As redes de sensores sem fios, mundialmente conhecidas pela sigla WSN (Wireless Sensor Network), foram desenvolvidas pelos militares cuja intenção era vigiar o campo de batalha. Porém hoje, devido à constante miniaturização dos componentes e outros fatores, tais redes passaram a ser empregadas nas mais diversas áreas do conhecimento, como na saúde, segurança e meio ambiente. Elas, basicamente, permitem monitorar e estudar um determinado fenômeno ou acontecimento, auxiliando, assim, na tomada de decisões. Por exemplo: já existem WSNs instaladas em crateras de vulcões (ver imagem abaixo). Essas redes analisam os riscos de uma possível erupção e quando algo “anormal” é detectado, todas as providências podem ser tomadas para evitar a catástrofe.
As redes WSNs podem ser comparadas às Ad-Hoc, pois muitos dos algoritmos empregados nas redes Ad-Hoc foram “copiados” para as redes de sensores. Porém, vale salientar que a comunicação entre os nós pertencentes a uma WSN é feita por radiodifusão (broadcast) enquanto nas redes Ad-Hoc a comunicação é do tipo ponto-a-ponto. Os nós de uma rede de sensores sem fios geralmente ficam sujeitos a diversos tipos de falhas em virtude do meio no qual estão inseridos (exemplo do vulcão). Isto, claro, sem mencionar o término da bateria responsável por alimentar os sensores. Por esses motivos, as redes WSNs contam com algoritmos capazes de reorganizar o percurso das informações quando um ou mais nós param de funcionar. Legal, né?
Diversos padrões já ratificados podem ser utilizados na construção de uma WSN. Entretanto, o mais promissor é o ZigBee (IEEE 802.15.4), standard especialmente desenvolvido para ser empregado em projetos de sensoriamento e monitoramento. Os componentes que operam em conformidade com o ZigBee consomem pouca energia, são baratos e possuem drivers extremamente enxutos. Também operam com baixas taxas de transferências de dados, atingindo, no máximo, 250 kbps. Alias todas as aplicações WSN (como controle de iluminação, temperatura, detectores de fumaça e outros) não exigem altas velocidades para cumprirem com seus propósitos. Além do ZigBee, também há WSNs construídas em conformidade com os padrões WirelessHART (Wireless Highway Addressable Remote Transducer Protocol) e 6LoWPAN (IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks).
Um nó WSN também é conhecido por “módulo sensor”. Este módulo sensor é, geralmente, formado por cinco componentes: hardware (sensor e conversor analógico-digital), memória, processador de sinais, transceptor (transmissor e receptor wireless) e bateria. A saber: o conversor analógico-digital é o responsável por transformar o sinal analógico criado pelos sensores, quando do reconhecimento de um fenômeno monitorado, em sinal digital, tratável pela unidade de processamento de sinais. O tipo do sensor empregado em uma WSN dependerá, exclusivamente, da variável a ser monitorada. Ele poderá ser um sensor de pressão, umidade, movimento, som, foto-sensor (para fenômenos ópticos), termo-sensor (para fenômenos de calor) dentre outros.
Os sistemas operacionais empregados em WSNs são “infinitamente” menores e, por conseqüência, menos complexos quando comparados aos SOs convencionais (um Linux da vida). Eles não precisam de uma interface de usuário, por exemplo. Inclusive, todos que já leram sobre as redes de sensores sem fios provavelmente se lembram do TinyOS. Diz-se que o TinyOS foi o primeiro sistema operacional desenvolvido para uma WSN. Seus programas são escritos em uma linguagem especial chamada NesC, considerada uma extensão do famoso C. Interessante, não?
Fechando…
A maior preocupação existente em torno do módulo sensor é com o consumo de energia. Afinal, sabe-se que a tecnologia de desenvolvimento dos circuitos e componentes eletrônicos cresce em ritmo mais acelerado em relação aos “preguiçosos” avanços da indústria de baterias. Por esta razão, praticamente todas as redes WSN adotam técnicas que fazem todo o sistema economizar energia. Exemplo: o algoritmo, além de reorganizar a rede devido a falhas, deverá calcular o menor e melhor trajeto entre o fenômeno estudado e a estação responsável por transformar os dados coletados em informações. Mais: a unidade de processamento de sinais pode evitar o desperdício de energia através do chaveando do seu modo de operação (entre ativo e inativo). Desta maneira, a unidade funcionará apenas quando os sensores enviarem algum dado para ser processado, fato que poderá prolongar, e muito, a vida de todo o conjunto. Poderá? Sim, pois, conforme o tipo do sensor empregado no sistema o chaveamento entre ativo e inativo da unidade poderá representar um gasto energético ainda maior. Por isso é preciso fazer uma análise aprofundada de toda a WSN para descobrir a real vantagem em utilizar esta técnica. Há vários outros métodos que visam a economia de energia, mas neste artigo eles serão omitidos, afinal, nosso objetivo é (foi) apresentarmos uma “visão geral” das redes de sensores sem fios!
É isso!
ZigBee Topologias
ZigBee (IEEE 802.15.4)
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!
ZigBee IEEE 802154 GPRS
O problema do afundamento
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!
Aeromodelo avião controle remoto DSSS spektrum
Imagine um encontro de admiradores do aeromodelismo. Agora responda: o que aconteceria se todas as pessoas decidissem, ao mesmo tempo, voar com seus “brinquedos”? Interferência, correto? Pior é imaginar as conseqüências deste indesejável efeito. Afinal, conforme o grau da interferência, a comunicação entre transmissor e receptor pode ser interrompida por curtos períodos de tempo. Assim, aviões que atingem grandes velocidades, superiores a 300 km/h, deixam de responder aos comandos em tempo real e tal fato pode ocasionar grandes catástrofes – pois há modelos que custam mais de 18 mil reais. Para que isto não aconteça, deve-se aprimorar o esquema de envio de sinais com o objetivo de reduzir ao máximo o inconveniente. Atualmente há diversas empresas oferecendo soluções neste sentido. Falaremos sobre isto adiante. Antes, faremos um apanhado sobre o problema.
Hoje, infelizmente, a maioria dos sistemas de controle remoto para carros, aviões e barcos são obsoletos. Pelo menos no que diz respeito à tecnologia utilizada. Boa parte das técnicas de transmissão não foram atualizadas desde a passagem de modulação em amplitude (AM) para a modulação em freqüência (FM), há décadas. Os standards definidos naquela época continuam em pleno uso. Estes standards atribuem as freqüências de 20 MHz, 27 MHz e 40 MHz para transmissão de sinais de controle. Na Europa, inclusive, a freqüência de 35 MHz é dedicada exclusivamente aos sinais que controlam aviões. Mas muitos problemas estão com os dias contados. Algumas empresas estão adotando técnicas sofisticadas para incrementar a segurança das transmissões. É o caso da modulação DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), esquema de modulação digital já presente em alguns projetos. Alias, como o DSSS também é utilizado por WLANs, ZigBee, etc…nada impede a construção de aeromodelos que façam uso destas tecnologias.
Tudo isso já existe. A empresa SPEKTRUM desenvolveu um rádio R/C para aeromodelos que explora as modernas técnicas de comunicação wireless. A primeira versão do sistema, desenhada para carros telecomandados, oferecia apenas módulos RF para três funções. Hoje, como já exposto, é possível controlar aviões com seis funções. São elas: controle do acelerador, leme (direção), profundor (para cima e para baixo), ailerons (movimento lateral), flaps (freio aerodinâmico para pouso) e trem de pouso (que são recolhidos após a decolagem e baixados para o pouso).
Abaixo uma imagem do controle e do receptor…
O módulo emissor da SPEKTRUM tem uma potência de 10 mW e consegue atingir até 100 metros. Tudo, claro, em conformidade com a especificação ETS 300 328 para dispositivos de curto alcance (GSRDs – General Short Range Devices). Além disso, opera na freqüência de 2,4 GHz – a mesma utilizada pelos padrões 802.11b, 802.11g, Bluetooth e ZigBee.
Como a largura de banda é de aproximadamente 83 MHz, tornou-se possível implementar neste controle um esquema de modulação digital em DSSS. Tudo funciona basicamente assim: apenas o receptor que possuir o mesmo código do transmissor consegue reverter o processo de espalhamento. Ou seja, os transmissores cujos códigos forem diferentes em relação ao receptor serão ignorados. Serão ouvidos apenas como ruído. Tal característica reduz consideravelmente o efeito da interferência. Assim, através duma comunicação confiável entre transmissor e receptor, pode-se pensar em coexistir vários modelos velozes funcionando num mesmo lugar.
O aeromodelismo agradece…
É isso!
ZigBee 802154 disac control4 automacao residencial
Já comentamos, em artigos anteriores, sobre o ZigBee – IEEE 802.15.4 (aqui). Falamos sobre seu baixo custo de implementação e baixo consumo de corrente. Vimos também que, na maioria das vezes, escrever drivers para ZigBee é mais fácil em relação a outros padrões wireless. Por exemplo: em geral, drivers para ZigBee são 50% menores se comparados ao Bluetooth. Ainda em outras matérias, apresentamos alguns módulos ZigBee (aqui). Descrevemos o XBee, da MaxStream, bastante utilizado em projetos que fazem uso deste padrão.
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!
