ZIGBEE – CONECTIVIDADE WIRELESS PARA AUTOMAÇÃO E CONTROLE

Armando Koerig Gessinger armando@airwire.com.br

AIRWIRE Desenvolvimento Tecnológico Ltda.

Carlos Henrique Hennig chennig@coester.com.brCoester Automação S.A.

Abstract ZigBee and 802.15.4 standards were developed with focus in providing a consistent solution for automation connectivity. Features like low power, low cost, network determinism, protocol consistence and application simplicity are part of their scope, generating favorable conditions for their appliance in large scale.

Resumo Os padrões 802.15.4 e ZigBee foram desenvolvidos visando principalmente apresentar uma solução consistente de conectividade sem fio para aplicações em automação. Características como baixo consumo, baixo custo, determinismo na rede, robustez de protocolos e simplicidade de utilização fazem parte do escopo da sua proposta, criando condições favoráveis à sua aplicação em larga escala. Palavras chave: zigbee, wireless, redes, sensores, padrão, automação, protocolo, camadas, determinismo, controle, sem fio, rádio, RF. 1 INTRODUÇÃO A enorme base instalada de equipamentos eletrônicos, somada à necessidade de haver conectividade entre eles, tem sido a alavanca para o desenvolvimento de tecnologias de transmissão de dados que permitam grande escala de dispositivos conectados a um custo baixo e com alto grau de confiabilidade. Neste contexto, recentemente foi estabelecido o padrão IEEE 802.15.4: comunicação sem fio para curtas distâncias, implementando os níveis físicos e de enlace da camada OSI; que, juntamente com uma norma complementar, o “ZigBee” - que descreve o nível de rede da camada OSI e especifica o acesso à pilha pela aplicação - se propõe a ser uma forma de conectividade para a criação de redes dinâmicas e escalonáveis, com simplicidade e baixo custo de implementação. No campo da automação, principalmente em se tratando de estruturas e edificações já prontas, o obstáculo principal à instalação de equipamentos de acionamento e sensoriamento é a via de comunicação. Como estabelecer uma infra-estrutura de transmissão de dados em um prédio antigo, ou mesmo novos, mas não projetado para tal, sem grande impacto em custos e serviços?

É imprescindível atualmente uma via robusta e eficiente de comunicação inter-dispositivos? Que grau de agilidade e flexibilidade poderia ser alcançado, quando houver necessidade de expansão ou realocação da planta? A resposta para essas questões: o estabelecimento de uma tecnologia de transmissão de dados sem fio, que permita criar redes tipo “mesh”, com perfis de roteamento, estruturação dinâmica e desempenho tais que, possa ser aplicada em um grande número de novas possibilidades; dispositivos (nodos), inseridos na própria rede que possam desempenhar também funções de controle e roteamento; sendo que a interconexão dessas redes, em longas distâncias, seria realizada por meios de comunicação já consolidados (celular, 802.11, etc.). Esta proposta se destaca pelas seguintes características:

- baixo custo; - baixo consumo de energia; - alta eficiência utilizando poucos recursos de processamento; - segurança dos dados; - alcance até 100m; - determinismo na rede.

A adoção de uma solução alinhada com um padrão, principalmente em se tratando de meio de transmissão sem fio, é um aspecto fundamental para o sucesso e continuidade do projeto. O item dois a seguir apresenta o padrão 802.15.4 em suas camadas; o item três apresenta a camada ZigBee e suas principais características e o item quatro apresenta as principais aplicações da conectividade em pauta, com ênfase em automação. 2 VISÃO GERAL DO PADRÃO IEEE 802.15.4 O Grupo de Trabalho do Padrão IEEE 802.15.4 buscou obter uma conectividade sem fio de reduzida complexidade, baixo custo e consumo de energia, a ser aplicada a equipamentos fixos, portáteis ou móveis de baixo preço. Esta configuração de baixo custo e baixo consumo de energia foi conseguida devido à reduzida taxa de transferência e baixa latência requeridas. O sonho da comunicação sem fios à curta distância, em qualquer lugar, começa a ser atingido. Assim como a administração, vendas e atividades de marketing estão associadas a altos custos, para produtos “wireless”, também estão sua manufatura e operação. Para obter-se um custo total baixo, longa duração de bateria e baixos custos operacionais, o Grupo de Trabalho do Padrão IEEE 802.15.4 fez várias concessões razoáveis no dimensionamento do desempenho dos equipamentos. Para controlar os custos administrativos, tanto dos desenvolvedores de aplicação quantos dos usuários, são usadas freqüências não licenciadas de rádio. Devido ao padrão IEEE 802.15.4 destinar-se a serviços de curto alcance sem infra-estrutura, capazes de suportar redes muito grandes, as funções de transmissão e recepção podem, e devem consumir pouca energia e ter baixos custos operacionais. A seguir, são apresentadas algumas das características exclusivas do padrão IEEE 802.15.4, que permitem a realização desta concepção de desempenho. 2.1 Baixo custo e economia de energia Baterias são componentes com custo relativamente alto em equipamentos transceptores. Elas fornecem a energia para as comunicações, mas geram custo de operação e de substituição. O custo total de um sistema deste tipo não pode ser minimizado se for necessário usar baterias de tecnologia cara e complexa. As características das baterias de baixo custo limitam as opções de outros atributos para o sistema. Por exemplo, a quantidade total de energia carregada e a capacidade de fornecimento instantâneo de potência da maioria das baterias estão inter-relacionadas. A quantidade total de energia carregada só é atingida caso a necessidade instantânea de fornecimento for limitada, e por isso, para ter-se longa duração da bateria, a energia tem que ser mantida continuamente num valor extremamente baixo, ou em pequenas quantidades em baixo ciclo de trabalho. Devido ao consumo de energia de circuitos “wireless” funcionais, não se consegue a duração desejável da bateria sob operação constante; o padrão IEEE 802.15.4 permite que alguns equipamentos operem em ciclos de trabalho muito baixos, com a transmissão ou a recepção inativas durante mais de 99% do seu tempo de operação.

Em aplicações práticas, mesmo em repouso, sempre haverá um pequeno consumo de energia pelos temporizadores ou assemelhados, quando os circuitos estiverem inativos. Para reduzir o tempo médio deste tipo de consumo, a energia tanto em atividade quanto em repouso deve ser reduzida o máximo possível. Entretanto, para certas aplicações ou tecnologias suportadas pela rede, há limitações práticas para a energia, tanto em atividade quanto em repouso. Na maior parte das aplicações a energia em atividade é muito maior que a em repouso. Com base nisto, pode-se ver que se reduzindo o ciclo de trabalho obtêm-se baixos níveis de consumo e consegue-se longa duração de baterias. Por exemplo, para um equipamento com energia em atividade de 10mW e de 10uW em repouso, se o ciclo de trabalho é 0,1%, então a vazão de energia média é cerca de 19.99uW. Se o equipamento é alimentado por uma bateria AAA de 750 mAh regulada linearmente para 1V, ele terá uma vida útil de bateria de mais de 37.000h, ou seja, mais de quatro anos. Para suportar baixo regime contínuo, o pacote de sinalização no Padrão EEE 802.15.4 deve ser curto, 544us na freqüência 2,4GHz, enquanto o período de superframe (tempo entre sinalizações na rede) esteja entre 15.36 ms até mais de quatro minutos. Isto resulta num duty cicle de sinalização que pode ser estabelecido desde 2,3% até 0,000216% (2,16 ppm). Alem disto o Padrão suporta um modo sem sinalização no qual a rede pode operar sem sinalizadores. Este modo permite que escravos, numa rede estrela mestre-escravo, por exemplo, permanecer em repouso indefinidamente, somente contatando o mestre (que pode estar conectado à rede elétrica, talvez, e desta forma ser capaz de constante recepção) quando ocorra um evento. Os escravos podem, entretanto, ter uma duração quase ilimitada da bateria, determinada primordialmente pelo seu consumo de energia em repouso. O modo sem sinalizadores, de fato, pode ser um requisito determinante para operação na faixa de 868MHz, que tem a limitação de regime contínuo máximo em 1%.

Figura 1: Estrutura de super frame 2.2 Modulação Tendo em mente a meta de ter baixo custo e reduzido consumo de energia, o protocolo de comunicação do Padrão IEEE 802.15.4 foi concebido para somente suportar comunicação digital de dados (ou seja, não possibilita serviços analógicos). Serviços “data-only” permitem que se escolha um esquema de modulação altamente eficiente, possibilitando uma implementação de baixo custo. Da mesma forma, o protocolo suporta somente operação “half-duplex”, de modo que o transmissor e o receptor não necessitam estar ativos simultaneamente. Além disso, os esquemas de modulação de dados são simples, BPSK em 868/915 MHz PHY e O-QPSK em 2.4GHz PHY.

Cada uma destas formas de modulação mantém uma taxa de energia da portadora “peak-to-average”, o que minimiza tanto o consumo de energia quanto à complexidade da implementação. Estes dois esquemas de modulação também empregam uma distribuição de seqüências para proporcionar os benefícios do serviço Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS); o 2,4GHz PHY emprega uma forma de sinalização ortogonal multi-nível enviando quatro bits por símbolo, que habilita simultaneamente tanto altas taxas de transmissão (para voltar rapidamente ao modo de repouso) quanto uma taxa de símbolo baixa (para minimizar a energia em atividade) O DSSS é uma das muitas técnicas para aumentar a largura de banda de um sinal transmitido. As técnicas de banda larga proporcionam aumento da qualidade de comunicação, mas normalmente sacrificam o espectro de utilização. Por exemplo, o serviço de transmissão FM convencional usa uma forma de distribuição de espectro (banda larga FM) que, embora não empregue DSSS, exemplifica o aumento dos benefícios das comunicações com relação sinal-ruído (SNR), possíveis com técnicas de banda larga. O DSSS pode ser modelado aplicando-se uma seqüência digital pseudo-randômica pré-arranjada para diretamente modular por fase a portadora previamente modulada por dados, numa relação em excesso da taxa de dados. O sinal DSSS resultante ocupa uma largura de banda muito maior, embora com menor densidade de energia espectral. O sinal é recuperado demodulando-se o sinal recebido com a réplica da mesma seqüência digital de modulação pseudo-randômica. A réplica é gerada no receptor por uma técnica que assegura que esta seja muito coerente com a modulação no sinal transmitido. Uma réplica ideal recriada no receptor transforma o sinal DSSS recebido novamente em uma réplica da portadora modulada por dados original do transmissor. O processo DSSS espalha o sinal original numa largura de banda maior para transmissão sobre o canal, e após concentra o sinal no receptor para recolher o sinal original e as informações ali contidas. Os benefícios da forma de distribuição de espectro do DSSS são resultados diretos da coerência relativa da seqüência digital pseudo-randômica usada para modulação em fase e recuperação da réplica da portadora original modulada por dados. Somente os sinais modulados pela correspondente seqüência digital pseudo-randômica são recolhidos de volta a uma réplica do original da portadora modulada por dados. Todos os outros sinais são, depois de distribuídos pelo processo de modulação em fase, reagrupados no receptor. Devido ao processo de distribuição reduzir a densidade do espectro de energia dos sinais não-coerentes sendo modulados, de sinais interferentes, sinais de canais adjacentes, mesmo outros equipamentos com distribuição de espectro não coerente no mesmo canal sofrem a diminuição da densidade espectral no receptor dentro da largura de banda estreita do portador de dados original. Todos os outros sinais são distribuídos para uma largura de banda mais larga, baixa densidade espectral, e menor contribuição de energia quando filtrados para a largura de banda original da portadora modulada por dados. Este “ganho de processo” pode ser usado, por exemplo, para reduzir necessidades de filtros de canais, diminuindo desta forma custos de implementação. Os benefícios de custo do DSSS resultam de um aumento da SNR (Relação Sinal/Ruído) de sinais coerentes versus não-coerentes, fora outros efeitos pertinentes. Um deles é que a densidade da energia espectral emitido pela distribuição do espectro é menor em relação à portadora modulada por dados não distribuída, e tende menos a interferir em serviços de banda estreita que utilizam a mesma banda. Este efeito de coexistência permite o uso de múltiplos serviços na mesma largura de banda. Um serviço DSSS pode ser adicionado a uma locação de espectro existente com interferência reduzida nos serviços existentes e, da mesma forma, ser relativamente não afetado por estes serviços. DSSS é um meio quase ideal para compartilhamento de espectro. Uma vantagem sutil do DSSS é que sua implementação pode ser feita utilizando na maioria circuitos digitais e poucos circuitos analógicos. Como os circuitos digitais seguem a Lei de Moore e encolhem com a tecnologia aplicada na fabricação de circuitos integrados, estes e as implementações de transceptores resultantes, tornar-se-ão cada vez mais baratas ao longo do tempo. Finalmente, devido a estas características favoráveis da operação de distribuição de espectro, o uso do DSSS (ou outra forma de spread spectrum como frequency hoping) é determinado para as freqüências não licenciadas em suas jurisdições, por muitas entidades regulatórias no mundo

inteiro. O Padrão IEE 802.15.4 utiliza estas alocações de espectro para definir um serviço não-licenciado de baixo custo e de baixo consumo de energia. 2.3 Potência de transmissão Adicionalmente, embora o Padrão IEEE 802.15.4 permita qualquer potência de saída legalmente aceita, ele necessita somente que o equipamento compatível seja capaz de transmitir –3dBm, justamente dentro da capacidade de energia instantânea das baterias baratas, e dentro da capacidade de implementações System–on-a-Chip (SoC), altamente integradas e de baixo custo. 2.4 Sensibilidade do receptor A especificação de sensibilidade mínima em –92dBm RF na 868/915 MHz PHY, e a de -85 dBm na 2.4GHz PHY possibilita o uso de um receptor simples para este enquadramento. Assim, podem-se usar receptores simples, de baixo custo e com pouca amplificação de radiofreqüência (o que poderia significar alto consumo de energia). 2.5 Qualidade de serviço Para reduzir a complexidade de implementação, o Padrão IEEE 802.15.4 não suporta comunicação isosincrônica, nem múltiplas classes de serviços num único PAN. A única exceção é que o padrão suporta o uso de Guaranteed Time Slots (GTS) que reserva tempo de rede para comunicações síncronas (evitando potenciais atrasos de acesso no canal) a critério do coordenador PAN. Estas características ampliam o espaço de aplicação de equipamentos do Padrão 802.15.4 possibilitando comunicações com baixa latência como joysticks e mouses wireless. Embora o Padrão IEEE 802.15.4 seja de muito baixa complexidade, as camadas PHY suportam taxas de link instantâneas de 20 Kb/s, 40 k b/s e 250 Kb/s. As taxas de dados são altas em relação à transferência de dados para minimizar o regime contínuo do equipamento. Resumindo, o Padrão IEEE 802.4.15 é concebido para negociar taxas de transferência de dados mais baixas e latências maiores de mensagens para reduzir significantemente o custo e consumo de energia, ainda proporcionando comunicação eficiente para uma ampla classe de serviços. 2.6 Outros recursos notáveis do Padrão IEEE 802.15.4 2.6.1 Componentes de rede Uma rede Padrão 802.4.15 é composta por um conjunto de equipamentos wireless deste padrão, havendo pelo menos um atuando como coordenador de rede e outro não. Em cada rede há somente um coordenador especializado, chamado coordenador PAN. O Padrão IEEE 802.15.4 define dois tipos de serviço, o Full Fuction Device (FFD) (dispositivo de função completa) e o Reduced Function Device (RFD) (dispositivo de função reduzida). O FFD contém o conjunto completo de serviços MAC, permitindo que este funcione como coordenador de rede ou como componente de rede. O RFD contém um conjunto reduzido de serviços MAC, e pode ser operado somente como componente de rede. 2.6.2 Múltiplas topologias de rede Uma rede Padrão IEEE 802.4.15 pode ser construída selecionando–se uma entre duas topologias básicas de rede. A primeira é chamada Topologia Estrela, formada em torno de um equipamento com funções completas (FFD) que é chamado de coordenador PAN e que atua como um hub (distribuidor) ligando uma série de equipamentos com funções plenas ou reduzidas que atuam como terminais locais de dados. Neste sentido, o coordenador PAN executa uma função especial na rede; é o único equipamento na rede que estabelece um link direto com mais de um componente da rede. A segunda topologia possibilita comunicação peer-to-peer sem o envolvimento direto de um coordenador de rede designado como tal (embora um coordenador PAN seja necessário em algum ponto da rede), e cada equipamento pode estabelecer múltiplos links diretos com outros componentes. A capacidade de formar links diretos com mais de um componente, permite que o gráfico de rede possa formar caminhos redundantes, porem com incremento da complexidade. Por conseqüência, muitas formas de arquiteturas de rede peer-to-peer podem ser suportadas.

Uma rede complexa que pode ser suportada pelo Padrão IEEE 802.15.4 mas que não fazem parte das especificações é a cluster-tree. Uma cluster-tree (ver figura 2) pode ser interpretada como uma árvore de grupamentos de equipamentos de rede. Seu arranjo proporciona conectividade completa, roteamento mais simplificado e um número mínimo de links diretos comparando-se com uma estrutura peer-to-peer inteiramente interconectada embora isto possa causar um aumento na latência do tráfego de dados. Uma vez que não necessitam liberar mensagens, as folhas de uma cluster tree (aqueles equipamentos no fim da hierarquia) podem ser tanto FFD quanto RFD. Todos os outros equipamentos na rede devem ser FFDs. Um equipamento específico da rede assume o papel especial de coordenador PAN com a função semelhante a do equipamento raiz de uma árvore hierárquica. O coordenador PAN pode ser selecionado devido a sua capacidade especial de computação, a possibilidade de fazer ponte com outros protocolos de rede, ou simplesmente porque ele estava entre os primeiros participantes na formação da rede. Outros equipamentos da rede podem funcionar como raiz em grupamentos individuais; são denominados cabeças de grupamento ou coordenadores. Em torno de cada coordenador, uma árvore hierárquica pode formar-se numa relação típica pai-filho, mas somente um equipamento em cada grupamento é o raiz ou coordenador. O coordenador PAN pode exercer a função de coordenador para seu próprio grupamento, mas somente um único equipamento na rede toda pode funcionar como PAN coordenador. Topologias de rede construídas sob o recurso de comunicação peer-to-peer do Padrão IEEE 802.15.4 são suportadas pelas pilhas mais altas do protocolo, que estão fora do escopo do Padrão IEEE 802.15.4. Elas foram mencionadas aqui apenas para mostrar a flexibilidade que o padrão permite.

Star

PAN coordenador Dispositivo FFD Dispositivo RFD

Mesh

Cluster Tree

Figura 2: Topologias 2.6.3 Acesso de canal Qualquer que seja o tipo de rede empregada, cada equipamento da rede utiliza um protocolo Carrier Sense Multiple Access-Colision Avoidance (CSMA-CA) (Sistema anti-colisão com sensor de portadora com múltiplos acessos) para evitar que eventualmente ocorram colisões desnecessárias quando haja múltiplas transmissões simultâneas. Exceção para este caso são as transmissões de sinalizadores, em GTSs, e de reconhecimento, onde não é utilizado o CSMA-CA.

O protocolo CSMA-CA baseia-se na qualidade de compartilhamento do canal RF. Sempre que dois ou mais remetentes estejam simultaneamente ativos em um canal, a possibilidade de envio bem sucedido de mensagens decresce devido a colisões e interferências mútuas. Num ambiente RF, grande parte da interferência real depende da localização dos transmissores concorrentes e de seus respectivos correspondentes, mas a informação quanto à localização não está disponível nos equipamentos de transmissão. Uma forma de evitar colisões no canal é escutar primeiro e transmitir somente se o canal estiver livre. O critério do portador assegura acesso ao canal livre e a possibilidade de colisão é diminuída. Nesta modalidade, a capacidade do canal é melhor aproveitada. O Padrão IEEE 802.15.4 especifica que o superframe inicie com a transmissão do sinalizador, seguido pelo período de contenção de acesso (CAP) e após o GTSs. O comprimento real de cada é determinado pela decisão de camada superior do coordenador PAN, mas o CAP deve ter no mínimo 440 caracteres de comprimento exceto por reduções temporárias necessárias para acomodar o comprimento de sinalizadores para manutenções dos GTS. As tarefas dos GTSs estão totalmente a critério do coordenador PAN, mas esta facilidade pode ser útil para dois atributos associados ao uso do “contention-free-assigned-access”: baixa latência, e alocação de largura de banda. Baixa latência: para aquelas aplicações que requerem um mínimo retardo end-to-end para mensagens priorizadas, apoio de designação preventiva de slots, gerenciamento de filas nos protocolos para minimizar os atrasos. Exemplos incluem retransmissão de condições de alarme, ou diferenciação QoS baseada em SW aplicativo. Distribuição de larguras de banda: para aplicações que são menos sensíveis ao retardo, mas que geram taxas de tráfego de dados conhecidas, a facilidade de distribuição de largura de banda para cada serviço permite que o protocolo gerencie tamanhos de filas em cada equipamento da rede. Gerenciamento de trafego está normalmente associado com protocolos de rede sob a camada MAC, mas esta capacidade deve ser estabelecida nos níveis mais baixos cobertos pelo Padrão IEEE 802.15.4 para ser disponibilizada aos níveis mais altos. GTSs tornam possíveis serviços dos protocolos mais altos, mas para redes que não implementaram estes serviços, o uso de GTSs é opcional. 2.6.4 Múltiplos PHYs O Padrão IEEE 802.15.4 emprega dois PHYs -- um para bandas 868 e 915 MHz, e outro par a banda 2,4 GHz. Note que o PHY 868/915 MHz necessita que um equipamento compatível seja capaz de operar tanto em bandas 868 MHz quanto em 915 MHz. Esta condição reflete a determinação de minimizar a quantidade de produtos potencialmente incompatíveis no mercado, e que se reconhece que há uma pequena penalidade neste requisito, devido à reduzida diferença de freqüência entre as duas bandas. O Grupo de Tarefas que desenvolveu o Padrão IEEE 802.15.4 foi composto por voluntários do mundo inteiro, e por isso considera que os equipamentos compatíveis possam ser usados globalmente. Para manter os custos administrativos baixos, o Padrão assume que todos os equipamentos executarão operações não licenciadas, mas que cada um se subordinará aos ditames da Agência Reguladora com jurisdição em suas áreas de serviço. Infelizmente as diversas Agências Reguladoras adotaram espectros diferentes entre elas. Existem três bandas disponíveis para este tipo de serviço - uma mundial e dois casos regionais especiais. Para desenvolvedores, a escolha de bandas depende de mais do que simples considerações técnicas. As bandas 868 e 915 MHz, embora sejam menos congestionadas e possam oferecer melhor QoS, não são disponíveis globalmente. A decisão de implementar produtos para um mercado limitado, embora possibilite melhor serviço, desce para o reino do marketing e negócios, não seguindo as preocupações puramente técnicas. Existem custos “invisíveis” de distribuição e comercialização de produtos assemelhados, que diferem somente na banda de freqüência. Há problemas de interferência que trazem a tona questões como a de como evitar dos produtos irem de uma região reguladora para outra. Outras aplicações (como a de etiquetas wireless para bagagem) não se prestam às estratégias regionais de comercialização e não oferecem retorno financeiro, porém existe a possibilidade de estratégias regionais para certos produtos.

Partes da banda 2,4 GHz estão disponíveis em quase todo o mundo; a banda 868 MHz está disponível na Europa, e partes da banda 915 MHz estão disponíveis na América do Norte, Austrália, Nova Zelândia e em algumas regiões da América do Sul. O Padrão IEEE 802.15.4 define um único canal com uma taxa bruta de dados de 20 Kb/s na banda 868 MHz. Na banda 902-928 MHz, o padrão define 10 canais com taxa bruta de dados de 40 Kb/s (doubled chip rated no que se refere à banda 868 MHz). Mais alto no espectro, em 2,4 GHz o Padrão IEEE 802.15.4 define 16 canais com uma taxa de dados bruta de 250 Kb/s.

Figura 3: C 2.6.5 Controle de erros O Padrão IEEE 802.15.4 emprega um protocolo “full handshake” simples para assegurar transferência de dados confiáveis e um bom QoS. om exceção de quadros de transmissão (p.ex, sinalizadores) e do quadro de reconhecimento, cada quadro recebido pode ser reconhecido para assegurar ao equipamento transmissor que sua mensagem foi, de fato, recebida. Se um quadro de reconhecimento solicitado não for recebido pelo e uipamento transmissor, o quadro transmitido pode ser inteiramente repetido. Para detectar se uma mensagem foi recebida corretamente, uma checagem cíclica de redundância (CRC) é utilizada. Os bits da mensagem são trata os como um longo número binário e dividido por um número escolhido relativamente longo. O quo ente da divisão é descartado, e o resto da divisão é transmitido junto com a mensagem. A mesma divisão, com o mesmo número escolhido é feita no receptor, e se obtido o mesmo resultado, isto indica alta possibilidade de uma comunicação integra. 2.6.6 Quatro tipos de frames (quadro

xistem quatro pacotes de estrutura d ada de Unidade de protocolo de ados PHY (PPDU) no padrão de transações de dados - um quadro de sinalização, um quadro de

nhecimento e um quadro de comando MAC. Como mostrado na figura 4, m seu

)- excetuando-se o MPDU do quadro de reconhecimento, que não

amada física

C

q

dci

s) e quadros, cada uma designE

ddados, um quadro de recotodos os quadros são estruturados de uma forma muito similar, com a principal diferença eobjetivo ou carga. Cada PPDU é construída com um Cabeçalho de Sincronização (SHR), um Cabeçalho PHY (PHR), e uma Unidade de Serviço de Dados PHY composta pela Unidade de Carga de Dados MAC (MPDU) e da estrutura de dados que serve a camada de protocolo MAC. O MPDU é construído com um Cabeçalho MAC (MHR), um rodapé MAC, (MFR) e uma Unidade deServiços de Dados MAC (MSDUcontem um MSDU.

O MSDU é um campo de dados (uma carga) que compõe um determinado quadro contendo informações pertinentes aos serviços MAC suportado pelo quadro, incluindo identificação do superframe, informações de seqüência, do endereçamento e outras informações.

Payload

PH

Y L

ayer

MA

CLa

yer MAC Header

(MHR)MAC Footer

(MFR)

MAC Protocol Data Unit (MPDU)

MAC Service Data Unit(MSDU)

PHY Header(PHR)

Synch. Header(SHR)

PHY Service Data Unit (PSDU)

Figura 4 – Estrutura de Pacote 2.6.6 Quadros de sinalização A transmissão do quadro de sinalização está disponível somente para FFD na rede, independentemente da rede ser estrela, cluster-tree ou ter outra topologia. O quadro de sinalização é fornecido como um serviço originado na camada MAC do protocolo e possui interface com a camada PHY do protocolo. Ele tem inúmeros usos, incluindo um demarcador de limites do superframe, sinal de sincronização de quadros, e supervisor de associação, bem como um serviço às camadas mais altas de protocolo. Como um marcador, o quadro de sinalização fornece uma referência de tempo para designar os limites de um superframe. Nos níveis altos do protocolo, o superframe possibilita um número fixo de quadros entre quadros de sinalização, estando cada posição de quadro ocupada ou não. Como um sinal de sincronização de quadros, o quadro de sinalização possibilita a sincronização do superframe a um tempo de início conhecido, prevenindo colisões, permitindo receptores repousar sempre que não houver transmissões, e permitindo boa latência de mensagem através da limitação do retardo de tráfego ao m cada link. Alem disso, a incronização permite que o equipamento de rede que transmite o sinalizador torne-se a referência e tempo para o link de comunicação e permite um abrandamento das necessidades de

nto de rede específico. Cada equipamento de rede pode ter uma rência

ia.

e, mo

comprimento de um superframe esdtemporização de um equipamereferência de tempo menos precisa que é periodicamente ajustada para combinar com a refedo equipamento sinalizador. 2.6.7 Quadro de dados O quadro de dados está disponível para todos os equipamentos em qualquer rede, independentemente se a rede é estrela, cluster-tree ou tem outra topologO quadro de dados e o quadro de sinalização opcional são fornecidos como um serviço originadona camada MAC e com interface com a camada PHY do protocolo. Ele oferece a carga de dados primária como um serviço para as camadas mais altas do protocolo. 2.6.8 Quadros de reconhecimento O quadro de reconhecimento também está disponível em todos os equipamentos em uma redindependentemente se a rede é estrela, “cluster-tree” ou tem outra topologia. Ele é fornecido coum serviço originado na camada MAC e com interface com a camada PHY do protocolo e proporciona somente o reconhecimento para receber dado como um serviço para as altas

camadas do protocolo para controle fim a fim de mensagens. Os quadros de reconhecimento não contem cargas MAC. 2.6.9 Quadro de comando MAC

cada rede, Como os outros

ara cada um destes quatro tipos de quadros, o MPDU é posteriormente encapsulado com um o PHY para formar a unidade de serviço de dados da camada

ção no espaço livre para 4 metros e 4 metros

O quadro de comando MAC também está disponível para todos os equipamentos emindependentemente se a rede é estrela, “cluster-tree” ou tem outra topologia.quadros, ele é fornecido como um serviço originado na camada MAC e com interface com a camada PHY do protocolo. Ele fornece a carga supervisora primária como um serviço à camada MAC do protocolo Ppreâmbulo adicional e um cabeçalhfísica (PSDU). Esta estrutura completa de dados permite um receptor obter sincronização de caracteres com o quadro e obtém informações de comprimento de quadros para fins de checagem. 2.7 Modelo de propagação “indoor” para a 802.15.4 • Assume-se um ambiente típico home/office indoor • Perda de propaga• Perda adicional 0.7 dB/metro além d• Margem de “fading” depende da largura de banda

802.11a/b: 8 dB 802.15.4: 16 dB

-20.00

0.00

-40.00 -60.00 -80.00

-100.00

-120.00

-140.00

Figura 5: Gráfico de propagação “indoor”.

-160.00 1 10 100 Range (m)Path Loss (dB)

2.8 Modelo de propagação “outdoor” para a 802.15.4

Para modelo de perda com sinal de onda direta e onda refletida banda estreita a 2.4 GHz, o ponto de perda do sinal localiza-se entre 1/d2 e 1/d4, a perda do sinal ocorre próximo à:

Figura 6: Modelo de propagação “outdoor”. 2.9 Estrutura do pacote Campos do pacote da camada física (PHY):

• Preâmbulo (32 bits). Sincronização de Símbolo. • Delimitador do inicio do pacote (8 bits). Sincronização de frame. • Cabeçalho PHY (8 bits). Especifica comprimento de PSDU. • PSDU (até 127 bytes). Campo de dados.

Figura 7: Estrutura do pacote “PHY”.

Onda direta

Onda refletida Plano de terra hR hT

Antena de transmissão Antena de

recepção

m

m

m m h h d

R T B

500

) 0125 . 0 (

) 1 )( 10 ( 2 2 ≈ = =

π

λ

π

Preâmbulo Delimitador de inicio de

pacote

Cabeçalho PHY

Serviço PHY Unidade de dados

6 Bytes ≥ 127 Bytes

(0.2 ms @ 250 kbps) (1.2 ms @ 40 kbps)

(< 4.1 ms @ 250 kbps) (< 50.8 ms @ 40 kbps)

2.10 Modulação/ Espalhamento

m 2,4GHz: cidade de dados 250 Kb/s (4 bits/símbolos, 62.5 K símbolos/s); lação de dados é ortogonal

os um conjunto ortogon 32-chip;

m 868MHz/915MHz: • Velocid 0 Kb/s @ 86

Espalhamento de código é 15-chip m-sequence; Modulação de Chip é BPSK com forma de pulso de raised-cosine (a=1.0); Taxa de chip é de 0.3 Mchip/s em 868 MHz, 0.6 Mchip/s em 915 MHz.

mínima de –3 stado de cordo olerância de freqüência: ± 40 ppm ensibilidade do receptor: -85 dBm (2.4 GHz); -92 dBm (868/915 MHz); acote de indicação de nível de sinal (roteamento); erificação de canal livre (CSMA); eleção automática de canal livre (Escolha dinâmica de canais para promover a coexistência com utras redes ZigBee ou ou

VISÃO GERAL DO ZIGBEE ftware, hardware e companhias de serviços que desenvolveram um

missão de dados sem fios de sensores e m relacionados à troca de grandes

volu s processamento men sO pa ã plementa principalmente as tarefas d

Figura 8: Camadas do 802.15.4 e ZigBee

E• Velo• Modu• 16 símbol

16-ary; al códigos PN de

• Modulação de Chip é O-QPSK com forma de pulso de meio-seno; • Taxa de Chip é de 2.0 MChip/s.

E

ade de dados é 2 8 MHz, 40 Kb/s @ 915 MHz; • Modulação de dados é BPSK com codificação diferencial; • • •

2.11 Outras características importantes

otencia de Transmissão: capacidade dBm; o nível máximo deve ser ajuPa com os regulamentos locais. TSPVSo tras tecnologias). 3ZigBee é um consórcio de sopadrão comum para gestão de redes de transcont adrol ores. Enquanto outros padrões sem fios estivere

me de dados, o ZigBee é para dispositivos que têm necessidades deore .

do 802.15.4, e imdr o ZigBee está definido acima das camadas e segurança e roteamento.

No Brasil, a freqüência utilizada será a de 2,4GHz, dentre as três possíveis, conforme figura a

Figura 9: Freqüências

a banda nas suas aplicações, um nodo de ZigBee rapidamente despertar,

ssa do modo de sono para o modo o um nodo dormente pode alcançar apropriadamente baixa

mesmo dispositivo utilizasse a tecnologia Bluetooth

otaria um delay de três segundos entre o ato de apertar a chave e o acendimento da luz. ergia do ZigBee vem da tecnologia de rádio da norma

d

s, e

lguns anos que é a “bandeira” oficial do ZigBee. m nodo de rede pode consumir energia extra, por exemplo, se tentar sobrepor seu sinal com as ansmissõe ece a orma 802.15.4 implementa a tecnologia CSMA/CA (padrão anti-colisão que tem um algoritmo ensor de portadora e evita a colisão de acesso múltiplo), um nodo de ZigBee que usa CSMA/CA abalha com a prerrogativa de “escutar antes de transmitir” essencialmente para ver se existe utro sinal de radio na freqüência utilizada no momento. utro modo de operação do ZigBee e 802.15.4 é o modo de “beacon”, em quais normalmente odos escravo de redes dormentes se despertam periodicamente para receber um sinal de eacon” do nó de controle da rede. Mas este modo pode desperdiçar energia (aumentar o

onsumo), particularmente porque a temporização força os nós de rede a acordar mais cedo de aneira a evitar a perda de sinais de “beacon”. rocessadores simples de 8 bits como um 8051 pode facilmente controlar tarefas de ZigBee, as ilhas do protocolo Zigbee ocupam pouca memória. Por exemplo, uma pilha de FFD precisa de proximadamente 32 Kbytes, e um RFD precisa de apenas aproximadamente 4 Kbytes. Esses úmeros podem ser comparados com aproximadamente 250 Kbytes para a tecnologia Bluetooth ue é mais complexa. as implementações relativamente simples de ZigBee, ganhos em custo ocorrem naturalmente. O

uso de RFDs reduz o custo principal de uma aplicação ode agüentar facilmente a pequena carga adicional de processamento do ZigBee, deste modo, o so de um processador separado para o ZigBee é desnecessário.

seguir:

Por causa das baixas exigências de largura dpode “dormir” a maior parte do tempo economizando a bateria e podendoenviar dados e voltar ao modo dormente. Como o ZigBee paativo em 15ms ou menos, até mesmlatência. Alguém, ao ativar um interruptor de luz sem fios ZigBee, por exemplo, não notaria nenhumatraso até acender a luz. Em contraste, se o nUma grande parte da economia de en802.15.4, que foi projetada para baixo consumo. A norma 802.15.4 usa a tecnologia DSSS (SpreaSpectrum de Seqüência direta), por exemplo, porque a alternativa de FHSS (Spread Spectrum de salto de freqüências) tende a gastar mais energia ao pular de freqüência para manter seu sincronismo. Nodos de ZigBee, enquanto usando 802.15.4, podem comunicar-se de vários modos diferenteporém, alguns modos consomem mais energia do que outros. Por conseguinte, usuários de ZigBenecessariamente não devem implementar uma rede de sensores de qualquer modo e ainda

sperar que a vida da bateria seja de aeUtr s de outros nós ou com transmissões de outras fontes de rádio. O rádio que obednstroOn“bcmPpanqD

ainda mais. Freqüentemente, o processador pu

Mas a estratégia principal para manter os preços de ZigBee baixos é abranger grandes mercade volume

os s altos. A Aliança ZigBee, fazendo do ZigBee um padrão aberto e promovendo

igorosamente interoperabilidade entre dispositivos ZigBee, aposta no uso muito grande de ispositivos com este padrão.

vd

Figura 10: Principais membros da ZigBee Alliance

Comparação de tecnologias sem fio

Wi-Fi Zigbee Bluetooth

Standard(s) IEEE802.11b, 802.11g, 802.11a

IEEE802.15.4 IEEE802.15.1

Data Rate 11(b) to 54 Mbps (a, g)

10 - 115 Kbps

721 Kbps

Freqüências RF

2.4 and 5 GHz bands

915 MHz, 2.4 GHz 898 MHz in Europe

2.4 GHz

No. de Nós 100+ 65,000 8

Range 100m 10-75m 8m (Class II, III) to 100m (Class

I)

Modulação DSSS e OFDM DSSS FHSS

Arquitetura Star - Access point

Mesh network

Peer to peer

Corrente de consumo

(typ.)

350 ma. 30 ma. 65 to 170 ma. (Class I)

Tecnologias

Vida da Bateria

1-3 horas Anos (baixo ciclo de serviço)

4-8 hours (streaming

audio)

Aplicações Acesso a Internet,

Redes de Comp adores,ut

Retail inventory,

Periféricos de Computadores,

Redes Wireless

Sensores sem fio,

Chaves Wireless,

HVAC,Leitura de medidores

Controle Industrial,

Streaming de audio,

Telephone cellular hands-

free,Periféricos de

Computadores,Cabo de

impressora,Multimídia

Figura 11: Comparação entre as principais tecnologias de transmissão sem fio

4 APLICAÇÕES E MERCADOS 4.1 Automação predial Controle inteligente de edifícios com omia de consumo de energia icações seria

• Medida de temperatu• Controle do aquecim ã c • Controles de iluminação • Detectores de fumaça • Posicionamento de po fogo• Controle de acesso e detectores de p

Todos os dados podem ser c r c s a d até via acesso internet.

Figura 12: Exemplo de Aplicação em Automação Predial

erciais pode resultar em grande econ, algumas apl m:

ra e umidade ento, ventilaç o, unidades de ondicionador de ar,

rtas corta- resença

ontrolados po uma central úni a e controlado istancia e

4.2 Controle e monitoração de processos industriais

rocessos industriais e equipamentos são cruciais para alcançar níveis

ida de fluxo de oleoduto, para controle total de uma planta. a ler temperatura ou para um complexo sistema

detectorSist o. Sistemas sem fio e os produtos Zigbee baseados na 802.15.4 tem algoritmos robu o o dos dados. Os sistemas sem fio podem ser usa s

cessidade de uma estrutura auxiliar de repetidoras ou equipamentos do gênero ue tendem a aumentar a suscetibilidade a falhas do sistema. á estão em fase de analise, algumas instalações na área de petróleo para automação de válvulas tilizando atuadores elétricos com interfaces ZigBee. Esta solução permite uma instalação rápida

bulações) de cabeamento lógico ou de controle, que sempre são de difícil instalação em plantas e processo.

Monitoração e controle de pde produção eficientes, minimizando custo, e assegurando a segurança de pessoal e público. As aplicações podem ser desde a medOs sensores poderiam ser simplesmente par

de gás. aro ainda é modificar o layout de uma instalaçãemas com fio são caros e mais c

s as resolvem estes problemst s e seguros que garantem a transmissã

do também em lugares de difícil acesso e remotos. Em ambientes com longas distancias entre os dispositivos como em refinarias ou outras grandes plantas de processo, a capacidade de roteamento do protocolo possibilita a instalação dos nodos

ireless sem a newqJudo equipamento e sua posta em marcha sem a necessidade de uma infra-estrutura (lançamento de tud

Figura 13: Exemplo de aplicação em automação industrial

.3 Aplicação de medição automática de consumo de energia elétrica Os dispositivos ZigBee podem ser a solução para implementar sistemas de leitura de consumo de energia automatizados, sua capacidade de roteamento e comunicação bidirecional resolvem o problema da formação de grandes redes, o corte de energia e re-ligamento do consumidor podem ser realizados remotamente, os níveis de consumo poderão ser monitorados em tempo real, a

4

tarifação pode ser diferenciada por consumidores e horários desviando os picos de consumo e obrecarga na rede. evitando desta maneira cortes no fornecimento de energia por s

Figura 14: Exemplo de aplicação em medição de energia

.4 Aplicação em transporte de cargas entro de cada container, sensores formam uma rede. Múltiplos containeres em um navio formam

4Duma malha para informar dados dos sensores Aumenta a segurança e controle da carga, o processo de liberação dos containeres torna-se mais rápidos e os conteúdos podem ser conhecidos antes do navio aportar.

Figura 15: Exemplo de aplicação em transporte de cargas

Entre outras aplicações, podemos citar também: Sistemas de transmissão de dados sem fio para dispositivos que controlam dados médicos, o ZigBee pode ser usado em sistemas “home-care”, transmitindo, por exemplo, dados de um sensor de batimentos cardíacos para um dispositivo central dentro de uma residência, o baixo consumo que permite o uso de pequenas baterias é o maior atrativo do ZigBee neste caso; Sistemas RFID em geral, sua capacidade de transmissão bidirecional permite o uso em sistemas complexos e com troca de dados constante; 5 CONCLUSÃO Começam a despontar padrões de comunicação de dados sem fio, adequados a aplicações de automação e controle, nicho em que até o momento reinam tecnologias wireless proprietárias, na maioria dos casos despadronizadas e principalmente, tecnologias que não possuem características que promovam diretamente o seu emprego bem sucedido em automação. Os padrões 802.15.4 e ZigBee representam a resposta para essas necessidades, conquanto tenham sido desenvolvidas visando atender as necessidades específicas de automação de processos. A realização da idéia clássica (ou sonho), de inserção de equipamentos “stand-alone” em uma rede, finalmente toma forma e ganha força para nascer. São as redes sem fio de âmbito restrito, da ordem de 100m, em que dispositivos inseridos na própria podem desempenhar também funções de controle e roteamento, sendo que a interconexão dessas redes, em uma distância maior, seria realizada por meios de comunicação (sem fio ou não) já consolidados (celular ou padrões para redes locais sem fio – 802.11, WiMAX, etc). Os padrões 802.15.4 e ZigBee deverão crescer muito nos próximos anos, em toda a sorte de aplicações em auto sua onsolidação, bem com In-Stat/MDR, uma empresa de pesquisa de tecnologia, prediz que a venda de dispositivos

de atualmente zero para 165 milhões de unidades

mação de processos, haja vista os esforços empreendidos nao a aposta dos mantenedores da aliança ZigBee. c

A802.15.4 e chipsets aumentará essencialmenteantes de 2010. Nem todas estas unidades obrigatoriamente obedecerão ao padrão ZigBee, mas provavelmente a maior parte. Outra pesquisa, da empresa ON Work, prevê uma demanda de 465 milhões de sensores sem fios com módulos de RF antes de 2010, com 77% deles obedecendo ao padrão ZigBee.

De certo modo, o futuro promissor do ZigBee será em grande parte devido a suas baixas taxas de dados, de 20 até 250 Kbps, dependendo da faixa de freqüência usada. Pequena taxa se comparada a um 1 Mbits/s da velocidade Bluetooth e 54 Mbits/s para um padrão 802.11g. Mas o ZigBee não é aplicável ao envio de e-mail e documentos grandes, como o Wi-Fi; ou multimídia, como o Bluetooth. Por enviar leituras de sensores que são tipicamente algumas dezenas de bytes, não é necessária uma grande largura de banda, e a baixa largura da banda do ZigBee ajuda-o a cumprir suas metas de baixo consumo de potência, baixo custo e robustez. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS GUTIÉRREZ, José A.; CALLAWAY, Edgar H.; BARRETT, Raymond L. Low-Rate Wireless Personal Area Networks, IEEE Press, Nova Iorque. http://www.zigbee.orghttp://www.freescale.com DADOS DOS AUTORES Armando Koerig Gessinger AIRWIRE Desenvolvimento Tecnológico Ltda. Rua José Ingeniero3032 90 – São Leopoldo – RS

s, 25 – Jardim América 9 -5Telefone: (51) 9802-1275 Fax: (51) 588-1517 E-mail: armando@airwire.com.br Carlos Henrique Hennig Coester Automação S.A. Rua Jacy Porto, 1157

Leopoldo – RS 93025-120 – SãoTelefone: (051) 592 4000 Fax: (051) 592 5044 E-mail: chennig@coester.com.br