Controle remoto e aquisio de dados via XBee/ZigBee (IEEE 802.15.4)Para uso particular ou educacional.Copyright(c) 1999-2008 ROGERCOM Todos os direitos reservados.

Introduo J imaginou l dados de um sensor de temperatura, umidade ou quaisquer outros a uma distncia de 1600m sem fio (XBeePro), ou maior, com o uso de roteador? Ligar uma luz ou acionar o dispositivo que controla a irrigao do jardim? Ou controlar um brao robtico remotamente? Ou melhor, criar uma Rede de dispositivos e sensores que conversem entre si ou com a Base, de forma coordenada? E ainda, se desejasse de tempos em tempos fazer leituras de vrios sensores em locais distintos e, se a quantidade de sensores fossem muitos, vamos se dizer, em torno de 50 ou mesmo 500..., ou quem sabe 65.000 ou mais? E que a durao das baterias fosse de suma importncia para o sucesso do projeto? A soluo atualmente ideal para isso o ZigBee. E se no existisse o tal ZigBee? Ento voc provavelmente iria partir para queles mdulos RF 315MHz, 492MHz..."*@#+}w#$ %Hzppmxxxxxx...", sem nenhum protocolo padro entre fabricantes, sem o conceito de Rede, economia de energia, segurana etc, etc, etc. Tudo tem seu tempo e o ZigBee chegou na hora certa, pois o emaranhado de fios em certos setores das indstrias e residncias parecem mais um alambrado. Nesse pequeno artigo irei mostrar algumas caractersticas de funcionamento dos mdulos XBee (ZigBee IEEE 802.15.4) fabricados pela MaxStream, mas antes irei falar um pouco sobre o ZigBee que a base do XBee. A comunicao sem fio (ou wireless) j est inclusa na sociedade h anos como as Redes WLANs, WMANs, WWANs, todas voltadas para usurios finais de pequenas, mdias e grandes empresas, onde o objetivo a transferncia de grandes volumes de dados e voz em altas velocidades. So poucas as Redes wireless destinadas exclusivamente ao controle de dispositivos como

rels, trancas eletromagnticas, ventilao, aquecimento, motores, eletrodomsticos, brinquedos, aquisio de dados de sensores, como temperatura, luminosidade, umidade, presso etc. Dentre as Redes WPAN (Wireless Personal Area Network) existentes, a mais recente e promissora a que usa o padro ZigBee IEEE 802.15.4. A ZigBee Alliane quem desenvolve o padro ZigBee junto ao IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Engineers), atravs da associao de vrias empresas, que juntas, trabalham em conjunto para proporcionar e desenvolver tecnologias para criar um padro de baixo consumo de energia, baixo custo, segurana, confiabilidade, e com funcionamento em rede sem fios baseado em uma norma aberta global. Atualmente a ZigBee Alliance est incluindo novos e mais abrangentes recursos, possibilitando que os fabricantes aumentem significativamente a capacidade da ZigBee, fazendo com que sua posio de liderana continue firme e crescente no mercado de Redes para controle de dispositivos sem fio. H hoje, mais de 300 empresas associadas a ZigBee Alliance em vrios paises e com um crescimento expansivo. A ZigBee permite comunicaes robustas e opera na freqncia ISM (Industrial, Scientific and Medical), sendo na Europa de 868 MHz (1 canal), 915 MHz (10 canais) nos Estados Unidos e 2,4 GHz (16 canais) em outras partes do mundo, e no requerem licena para funcionamento. As Redes ZigBee oferecem uma excelente imunidade contra interferncias, e a capacidade de hospedar milhares de dispositivos numa Rede (mais que 65.000), com taxas de transferncias de dados variando entre 20Kbps a 250Kbps. O Protocolo ZigBee destinado a aplicaes industriais, portanto, o fator velocidade no crtico numa implementao ZigBee. Os mdulos RF padro ZigBee foram criados para economizar ao mximo energia. Com isso, possvel criar dispositivos sensores remotos alimentados com pilhas ou baterias comuns, que duraro meses ou mesmo anos sem precisarem ser substitudas. Isso porque, os mdulos ZigBee quando no esto transmitindo/recebendo dados, entram num estado de dormncia ou em "Sleep", consumindo o mnimo de energia. TOPOLOGIAS DE REDES ZIGBEE Numa Rede ZigBee so identificados dois tipos de dispositivos: FFD e RFD. FFD - Full Function Device (Dispositivos de Funes Completas) - So dispositivos mais complexos e precisam de um hardware mais potente para a implantao da pilha de protocolos, conseqentemente, consomem mais energia. Numa topologia de Rede ZigBee eles podem assumir o papel de Coordenador, Roteador ou mesmo de um dispositivo final (End Divice). Dispositivos FFDs podem se comunicar com quaisquer membros da Rede. So implementados em microcontroladores com no mnimo 32KB de memria de programa e ter uma certa quantidade de memria RAM, para implementaes de tabelas de rotas e configuraes de

parmetros. RFD - Reduced Function Device (Dispositivos de Funes Reduzidas) - So dispositivos mais simples, onde sua pilha de protocolo pode ser implementada usando os mnimos recursos possveis de hardware, como por exemplo, em microcontroladores de 8 bits com memria de programa prxima a 6KB, mas s podem se comunicar com dispositivos FFDs (Coordenador ou Roteador). Numa topologia de Rede ZigBee eles assumem o papel de End Device (dispositivo final). Na prtica podem ser: interruptores de iluminao, dimmers, controle de rels, sensores, entre outros. No padro ZigBee existem trs classes de dispositivos lgicos (Coordenador, Roteador e Dispositivo final) que definem a Rede: ZC - ZigBee Coordenator (Coordenador ZigBee) - S pode ser implementado atravs de um dispositivo FFD. O coordenador responsvel pela inicializao, distribuio de endereos, manuteno da Rede, reconhecimento de todos os Ns, entre outras funes podendo servir como ponte entre vrias outras Redes ZigBee. ZR - ZigBee Router (Roteador ZigBee) - S pode ser implementado atravs de um dispositivo FFD. Tem as caractersticas de um N normal na Rede, mas com poderes extras de tambm exercer a funo de roteador intermedirio entre ns, sem precisar do Coordenador. Por intermdio de um roteador uma Rede ZigBee poder ser expandida, e assim ter mais alcance. Na prtica um roteador pode ser usado para amplificar o sinal da Rede entre andares de um prdio. ZED - ZigBee End Device (Dispositivo final ZigBee) - onde os atuadores ou sensores sero hospedados. Pode ser implementado atravs de um dos dispositivos FFD ou RFD. Assim ele o n que consome menos energia, pois na maioria das vezes ele fica dormindo (Sleep).Figura 1 - Topologias de Redes ZigBee

Curiosidade ZigBee - O Ziguezague das abelhas (Bee).

O nome ZigBee foi criado a partir da analogia entre o funcionamento de uma Rede em Malha, e o modo como as abelhas trabalham e se locomovem. As abelhas que vivem em colmia voam em Zig...Zag, e dessa forma, durante um vo a trabalho em busca de nctar, trocam informaes com outros membros da colmia sobre, distncia, direo e localizao de onde encontrar alimentos. Uma Malha ZigBee dispe de vrios caminhos possveis entre cada n da Rede para a passagem da informao,

assim, possvel eliminar falhas se um n estiver inoperante, simplesmente mudando o percurso da informao. Mash (Malha ou Ponto-a-Ponto): Na topologia Mesh a rede pode se ajustar automaticamente, tanto na sua inicializao como na entrada ou sadas de dispositivos na Rede. A Rede se auto-organiza para otimizar o trafego de dados. Com vrios caminhos possveis para a comunicao entre os ns, este tipo de Rede pode abranger em extenso, uma longa rea geogrfica, podendo ser implementada numa fbrica com vrios galpes distantes; controle de irrigao ou mesmo num prdio com vrios andares. Cluster Tree (rvore): Semelhante topologia de Malha, uma Rede em rvore, tem uma hierarquia muito maior e o coordenador assume o papel de n mestre para a troca de informao entre os ns Router e End Device. Star (Estrela): uma das topologias de Rede ZigBee mais simples de serem implantadas, composta de um n Coordenador, e quantos ns End Device forem precisos. Este tipo de Rede deve ser instalada em locais com poucos obstculos transmisso e recepo dos sinais, como por exemplo, em uma sala sem muitas paredes ou locais abertos. Modos de operao da Rede ZigBee Beaconing - O tempo todo os dispositivos com funes de Roteador, transmitem de tempos em tempos, sinalizao (beaconing) para tentar confirma sua presena aos outros Roteadores da mesma Rede. J os outros ns da Rede s precisam est ativos no momento da sinalizao, mas esses dispositivos devem ser configurados para perceber o perodo em que ocorrer esta sinalizao, pois no modo beaconing a maioria dos dispositivos permanecem dormindo (Sleep). Nesse modo, o consumo de energia o mnimo possvel. Non-Beaconing - Nesse modo a maioria dos ns dispositivos da Rede permanecem sempre com seus receptores ativos, consumindo mais energia. importante notar, que nesse modo, os dispositivos devem ser alimentados com fontes de energia mais potentes e duradouras que pilhas ou baterias comuns.

Veja abaixo alguns tipos de aplicaes onde o padro ZigBee pode ser empregado:

Figura 2- Aplicao do ZigBee em vrias reas da sociedade

Redes de controle e sensores sem fio: - Sensor de umidade; - Sensor de temperatura; - Sensor de velocidade do vento; - Sensor de direo do vento; - Sensor de presso atmosfrica; - Controle de iluminao; ;

- Controle de aquecimento; - Controle de Ventilao; - Controle de Irrigao; - Alarmes; - Controle de cancelas; - Controle de portas e portes; . - Aplicaes automotivas; Observao: Como o ZigBee um padro mundial, e normalizado pelo IEEE, o fabricante de um dispositivo ZigBee x poder se comunicar com um dispositivo de um outro fabricante y. Por exemplo, um dispositivo XBee da MaxStream no ter dificuldades em se comunicar com um dispositivo do fabricante Microchip, ou de quaisquer outros fabricantes. Mais informaes: http://www.zigbee.org http://www.maxstream.net/

Mdulos ZigBee/XBee da MaxStream H vrias empresas membros na ZigBee Alliance, e cada uma disponibiliza no mercado o seu produto baseado na pilha de

protocolo ZigBee e, dentre todas elas, a que tomei conhecimento primeiro foi a MaxStream, atravs de um email que recebi, onde nesse email havia um ilustrao de uma rea agrcola irrigada, e alguns mdulos de dispositivos em Rede. Pelo interesse que tenho em automao de controle e sensoriamento, de preferncia sem fios, dei incio s minhas pesquisas e estudos sobre os mdulos wireless da MaxStream. Na verdade so mdulos ZigBee excelentes, com vrios recursos extras e muito fceis de usar. Segue a partir daqui, alguns experimentos que fiz com os mdulos XBee e XBee-Pro da MaxStream.Figura 3 - Tipos de antenas dos mdulos XBee

Nos mdulos XBee/XBee-Pro h trs opes de antenas: tipo Chicote (um pedao de fio de ~2,5 cm) - Conector (para antena externa), e tipo Chip a mais compacta. Com o dos tipos Chicote e Externa possvel direcionar o feixe de sinal, e assim, melhorar a performance da Rede. Quando for adquirir um mdulo XBee/XBee-Pro, veja antes qual o tipo de antena melhor se adequar ao seu projeto. Veja abaixo mais caractersticas e diferenas entre os mdulos OEM XBee e XBee-Pro da MaxStream: XBee:Performance - Rendimento da Potncia de sada: 1 mW (0 dBm); - Alcance em ambientes internos/zonas urbanas: 30m;

- Alcance de RF em linha visvel para ambientes externos: 100m; - Sensibilidade do receptor: -92 dBm; - Freqncia de operao: ISM 2.4 GHz; - Taxa de dados de RF: 250.000 bps; - Taxa de dados da Interface (Data Rate): 115.200 bps; Alimentao - Tenso de alimentao: 2.8 3.4v; - Corrente de transmisso (tpico): 45 mA @ 3.3 V; - Corrente de Recepo (tpico): 50 mA @ 3.3 V; - Corrente de Power-down Sleep: >RCOM-MeshBee.exe v1.1 (atualizado em: 01/junho/2011). >>>Manual X-CTU >>>Sofware X-CTU Verso 5.2.6.0 (18/maio/2010) >>>Datasheet dos Mdulos XBee e XBee-Pro ZigBee (ZB) Srie 2 Nota: * Mdulos da Srie 2 no se comunicam com mdulos da Srie 1; * A tenso mxima de converso nos pinos de ADC dos mdulos da Srie 2 de 1,2v (com resoluo de 10 bits); * Nos mdulos da Srie 2 no est mais disponvel o recurso (Line Passing), ou seja, enviar um sinal de um pino I/O de um mdulo ao outro remotamente. A leitura dos pinos de I/O pode ser feita somente pela Serial (Firmware no modo API);

* Para ligar ou desligar um pino remotamente, use agora o comando ND (executar um comando Remoto) via Serial. Novos recursos da Srie 2: *Agora os mdulos da Srie 2 usam o chip ZigBee EM250 da Ember (Uma das fundadoras da Alliance ZigBee); *Adicionada pilha protocolar robusta para Rede Mesh; *Quaisquer mdulos podem ser definidos como: Coordenador/Roteador ou Dispositivo final; *Leitura da tenso de alimentao (baterias) no mdulo Remoto; *Execuo de comandos no Mdulo Remoto; *Atualizao dos parmetros no mdulo Remoto (ZB); *Atualizao do firmware no mdulo Remoto (ZB) via API; *Endereamento de 16bits e 64bits; *Interoperabilidade - compatibilidade com outros fabricantes de equipamentos ZigBee. Para trabalhar com o programa RCOM-MeshBee, grave atravs do X-CTU, um mdulo coordenador XBee ou XBee-Pro ZB (srie 2) com o firmware ZIGBEE COORDINATOR API, (XB24-ZB, XBP24-ZB ou XBP24BZ7) configurando os seguintes parmetros:(Node identifier) NI: Coordenador (Node Discovery Options) NO: 2 Grave a configurao! Nos mdulos remotos, grave o firmware ZIGBEE ROUTER AT, (XB24-ZB, XBP24-ZB ou XBP24BZ7) com os seguintes parmetros: (Node identifier) NI: escolha um nome (limite mximo 20 caracteres ASCII, no use acentuao) Grave a configurao! Obs.: Para novas aplicaes, os clientes devem usar o XBee & XBee-PRO ZB, construdos sobre o ZigBee PRO Feature Set: >>>>> ZIGBEE COORDINATOR API ou ZIGBEE COORDINATOR AT >>>>> ZIGBEE END DEVICE API ou ZIGBEE END DEVICE AT Rede Mesh

Mdulos XBee / XBee-Pro ZB (Srie 2)

Controle Remoto - Controle liga/desliga de 10 pinos do XBee/XBee-Pro (SRIE 2)

Regulador de tenso LDO com diodo de proteo interno

Mdulo Remoto - Controle Liga/Desliga de 10 LEDs

Para testar o circuito da figura acima, ou o do controle dos Reles, grave um mdulo XBee ou XBee-Pro ZB (Srie 2) com o firmware ZIGBEE ROUTER AT, com os seguintes parmetros: (Node identifier) NI: LEDS_RELES D0: 4 D1: 4

D2: 4 D3: 4 D4: 4 D5: 4 D7: 4 P0: 4 P1: 4 P2: 4 O parmetro 4 indica que o mdulo inicializar os pinos descritos acima com nvel Low (zero volt). Grave a configurao! Mdulo Remoto - Controle Liga/Desliga para 10 Rels

Entradas digitais atravs dos pinos de I/O dos XBee's ZB Srie 21) Configure um mdulo XBee ou XBee-Pro ZB atravs da placa CON-USBBEE, com os seguintes parmetros: Firmware: ZIGBEE COORDINATOR API NO: 2 NI: COORDENADOR DL: ( o SL do Roteador) DH: ( o SH do Roteador). 2) Configure um mdulo XBee ou XBee-Pro ZB atravs da placa CON-USBBEE, com os seguintes parmetros: Firmware: ZIGBEE ROUTER AT D0: 3 (entrada digital - pino 20) D1: 3 (entrada digital - pino 19) D2: 3 (entrada digital - pino 18) D3: 3 (entrada digital - pino 17) D4: 3 (entrada digital - pino 11) D7: 3 (entrada digital - pino 12) P0: 3 (entrada digital - pino 6) P1: 3 (entrada digital - pino 7) P2: 3 (entrada digital - pino 4) NI: ENTRADAS_DI PR: FFF (habilita resistores de pull-up interno) IR: 0 (parmetro zero indica que o dado enviado somente quando hover mudana de nvel do sinal) IC: 1C9F (Mapa de bits para detectar mudanas nas entradas) DL: 0 (ou o SL do Coordenador) DH: 0 (ou o SH do Coordenador). Mdulo Remoto - 9 entradas digitais

3) Para testar o exemplo, conecte o Coordenador na CON-USBBEE e execute o programa RCOM-MeshBee.exe no PC.