Análise de Desempenho de Rede de Comunicação para um ...

UNIVERSIDADE DO RIO GRANDE DO NORTEFEDERAL

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E

DE COMPUTAÇÃO

Análise de Desempenho de Rede deComunicação para um Sistema Multi VANTAplicado à Varredura de Área de Impacto de

Foguetes

Maurício Rabello Silva

Orientador: Prof. Dr. Pablo Javier Alsina

Dissertação de Mestrado apresentada aoPrograma de Pós-Graduação em EngenhariaElétrica e de Computação da UFRN (área deconcentração: Engenharia de Computação)como parte dos requisitos para obtenção dotítulo de Mestre em Ciências.

Número de ordem PPgEEC: M508Natal, RN, dezembro de 2017

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRNSistema de Bibliotecas - SISBI

Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede

Silva, Maurício Rabello.Análise de desempenho de rede de comunicação para um sistema multi VANT

aplicado à varredura de área de impacto de foguetes / Maurício Rabello Silva. -2017.

100 f.: il.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Cen-tro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e deComputação. Natal, RN, 2017.

Orientador: Prof. Dr. Pablo Javier Alsina.

1. Rede de Comunicação - Dissertação. 2. Sistemas Multi-VANT - Disserta-ção. 3. FANET - Dissertação. 4. Protocolo ZigBee - Dissertação. 5. Desempe-nho de Rede - Dissertação. 6. Gerência de Rede - Dissertação. I. Alsina, PabloJavier. II. Título.

RN/UF/BCZM CDU 004.7

Análise de Desempenho de Rede deComunicação para um Sistema Multi VANTAplicado à Varredura de Área de Impacto de

Foguetes

Maurício Rabello Silva

Dissertação de Mestrado aprovada em 01 de dezembro de 2017 pela banca examinadoracomposta pelos seguintes membros:

Prof. Dr. Pablo Javier Alsina (orientador) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DCA/UFRN

Prof. Dr. Adelardo Adelino Dantas de Medeiros . . . . . . . . . . . . . . . . DCA/UFRN

Prof. Dr. Marcelo Borges Nogueira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ECT/UFFN

Prof. Dr. Felipe Denis Mendonça de Oliveira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DCC/UERN

À minha Família, Ana, Gabriel eMateus, pela paciência durante a

realização deste trabalho.

Agradecimentos

Ao meu orientador, professor Pablo Alsina, sou grato pela orientação.

Aos professores Felipe Denis Mendonça de Oliveira, Adelardo Adelino Dantas de Medei-ros e Marcelo Borges Nogueira, pela participação na banca de examinadora deste trabalho

Aos participantes do projeto SPACEVANT, por me auxiliarem durante todo o processo detrabalho

Aos demais colegas de pós-graduação, pelas críticas e sugestões.

À minha família pelo apoio durante esta jornada.

À CAPES, pelo apoio financeiro.

Resumo

Pesquisas relacionadas com sistemas utilizando diversos veículos aéreos não tripu-lados (multi VANTs) vêm crescendo nos últimos anos. Entre os desafios enfrentados,uma rede de comunicação de dados robusta é crucial para cooperação e colaboração entreVANTs. No projeto da rede devem ser levados em conta fatores como o propósito damissão da esquadrilha, planejamento de caminho e trajetória, coleta de dados dos senso-res e suprimento energético. Dessa forma, o presente trabalho apresenta a especificaçãode uma arquitetura de rede de comunicação de dados para uma esquadrilha de VeículosAéreos Não Tripulados a serem utilizados na varredura da área de impacto de fogueteslançados a partir do Centro de Lançamento da Barreira do Inferno (CLBI – Rio Grandedo Norte).

Assim, realiza-se um estudo sobre as principais características das redes de comunica-ção para sistemas multi VANT e as especificidades da aplicação abordada nesse projeto.São propostas duas estratégias diferentes para a varredura da área de impacto de foguetes.São analisadas as características das redes para sistemas multi VANTs mais adequadas aessas estratégias, de forma a fazer uma análise comparativa entre as mesmas e definir umaarquitetura apropriada para a aplicação.

Dentro desse contexto, é proposta uma arquitetura de rede, com base em módulosXBee Pro 900HP, integrados em uma plataforma de hardware controlada por computadorembarcado, equipado com GPS e placa controladora de piloto automático. É idealizadoe implementado um plano de testes com os dispositivos XBee para avaliar o desempenhodestes na arquitetura de rede proposta em termos de robustez, confiabilidade e economiade energia.

Para aferição do desempenho nos possíveis cenários de formação da esquadrilha deVANTs são utilizados softwares de gerência de rede, visando medir a largura de banda(throughput), perda de pacotes e outros indicadores de desempenho nos links de comuni-cação entre os diferentes nós da rede.

Palavras-chave: Sistemas Multi-VANT, FANET, Rede de Comunicação, ProtocoloZigBee, Desempenho de Rede, Gerência de Rede.

Abstract

Communication Network Performance Analysis for a Multi-UAV System Applied toRocket Impact Area Scanning

Research on Multi Unmanned Aerial Vehicle Systems (Multi-UAV) is growing in re-cent years. Among several scientific and technical challenges, a robust data communica-tion network is crucial for the cooperation and collaboration between the UAVs.

The network design must take into account factors such as the purpose of the mission,trajectory and path planning, sensor data collection and energy supply. In this way, thepresent work presents the specification of a data communication network architecture fora squadron of Unmanned Aerial Vehicles to be used in the scanning of the rocket impactarea for CLBI rocket launch center (Rio grande do Norte, Brazil).

Thus, a study on the main characteristics of communication networks for multi-UAVsystems and the specificities of the application addressed in this project is done. Twodifferent strategies for the scanning of the rocket impact area are proposed. In order to doa comparative analysis between these strategies and to define an appropriate architecturefor the application, the characteristics of the networks for multi-UAV systems that aremore appropriate to them are analyzed.

In this context, a network architecture based on Xbee Pro 900HP S3B modules, in-tegrated in an embedded computer hardware platform, equipped with GPS and autopilotcontroller board is proposed. A test plan with Xbee devices is conceived and implemen-ted in order to evaluate their performance in the proposed network architecture in termsof robustness, reliability and energy consumption.

In order to measure performance in the possible UAV squad formation scenarios,a network management software is used to measure throughput, packet loss and otherperformance indicators in the communication links between the different nodes of thenetwork.

Keywords: Multi-UAV Systems, FANET, Communication Network, ZigBee Proto-col, Network Performance, Network Management.

Sumário

Sumário i

Lista de Figuras iii

Lista de Tabelas v

Lista de Símbolos e Abreviaturas vii

1 Introdução 11.1 O projeto SPACEVANT I e II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Contribuições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Organização do texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Embasamento Teórico 52.1 Gerência de Desempenho de uma Rede sem fio. . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Redes de Comunicação para VANTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.1 Comparando características de redes sem fio MANET, VANET eRede para Sistemas Multi VANTs (FANET). . . . . . . . . . . . 7

2.2.2 Caracterizando uma Rede de VANTs (FANET). . . . . . . . . . . 92.2.3 Transporte de dados e estratégia de roteamento. . . . . . . . . . . 9

2.3 O sistema de processamento de imagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.4 Requisitos e protocolos para a rede de dispositivos móveis. . . . . . . . . 122.5 Arquitetura de rede com protocolo ZigBee. . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.5.1 O Protocolo de Comunicação da Rede ZigBee. . . . . . . . . . . 162.5.2 Camadas implementadas pelo ZigBee. . . . . . . . . . . . . . . . 182.5.3 Topologias de uma Rede ZigBee. . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.5.4 Dispositivos ZigBee (XBee-PRO). . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3 Estratégia de Varredura 273.1 Estratégias de Varredura da área de impacto . . . . . . . . . . . . . . . . 283.2 Estratégia de Varredura sem decomposição da área . . . . . . . . . . . . 293.3 Estratégia de Varredura com decomposição da área . . . . . . . . . . . . 313.4 Análise comparativa entre as estratégias de varredura . . . . . . . . . . . 32

4 Sistema Proposto 354.1 Arquitetura da Rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.2 Arquitetura de Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

i

4.3 Arquitetura de Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5 Protocolo de Testes 415.1 Testes da Rede Sem Decomposição de Área . . . . . . . . . . . . . . . . 415.2 Arquitetura de rede dos Testes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.3 Descrição dos Cenários e o Local dos experimentos . . . . . . . . . . . . 455.4 Método para Configuração da FANET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.5 Método para Teste de Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505.6 Método para Teste de Radio Frequência (RSSI) . . . . . . . . . . . . . . 50

6 Experimentos e Resultados 536.1 Experimentos com os módulos Xbee no Cenário 1 . . . . . . . . . . . . . 536.2 Experimentos com os módulos Xbee no Cenário 2 . . . . . . . . . . . . . 556.3 Comparação dos resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

7 Conclusão 61

Referências bibliográficas 64

A Métodos de Configuração dos Módulos Xbee 71A.1 Configuração: AT Command Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71A.2 Configuração: XCTU Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

B Configurando a rede com XCTU 73B.1 Adicionando o módulo Xbee Explore no PC . . . . . . . . . . . . . . . . 74B.2 Adicionando nós na rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Lista de Figuras

1.1 Aeronave modelo Penguin B, utilizada no Projeto SPACEVANT. . . . . . 3

2.1 Composição das redes móveis Ad hoc de comunicação . . . . . . . . . . 82.2 Requisito do tempo máximo para envio de uma mensagem de controle de 122.3 Imagens processadas pelo Sistema de Visão. A) Imagem com duas em-

barcações. B) Imagem com uma embarcação. C) Microimagens corres-pondentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4 Modelo de Sistemas aéreos não tripulados (UAS) e Tecnologias de Comuni-. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.5 Exemplo das topologias Estrela e Ponto a Ponto (IEEE 802.15.4). . . . . 172.6 Esboço da arquitetura ZigBee e sua pilha de protocolos. . . . . . . . . . . 182.7 Topologia ZigBee e seus componentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.8 As camadas e funções implementadas no firmware dos dispositivos . . . . 222.9 Diagrama com a sequência de transmissão de dados do dispositivo XBee. 23

3.1 Varredura em espiral. a) Representação esquemática. b) Varredura emespiral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2 Rota com varredura vai e volta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.3 Formação da esquadrilha para varredura de área, gerando um mosaico de

captura de imagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.4 Estratégia de Varredura sem decomposição da área, seguindo padrão em

espiral e padrão vai e volta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.5 Área decomposta em 4 subáreas e varredura vai e volta . . . . . . . . . . 31

4.1 Arquitetura do Sistema Multi VANT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2 XBee-PRO 900HP (S3B) DigiMesh, Wire Antenna, 200Kbps (Brazil). . 364.3 Dispositivos utilizados para os testes da Arquitetura de Hardware . . . . 374.4 Formato das mensagens de Controle, dados e confirmação do sistema pro-

posto que realiza a troca de mensagens na FANET . . . . . . . . . . . . . 40

5.1 Xbee Explorer USB Adapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435.2 Componentes da Rede e a estrutura utilizada na realização dos testes . . . 455.3 Local dos testes: Estação Base na UFRN e os VANTs sobrevoando o

Parque das Dunas, próximo a Via Costeira em Natal-RN. Foto adaptadado Google Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

iii

5.4 Área onde foram realizados os testes, com poucas nuvens, ventos cons-tantes, sempre no final da tarde. Parque das dunas - RN. Foto: câmeraDrone DJI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.5 Cenário 1: Configuração ideal, Baud Rate com 115.200 bps em todos osnós. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.6 Cenário 2 - Configuração para os testes de tolerância a falha . . . . . . . 485.7 X-CTU - Rede com Módulos XBee Conectados . . . . . . . . . . . . . . 495.8 X-CTU - Tela de teste de taxa de transmissão (throughput). . . . . . . . . 515.9 X-CTU - Tela de teste da qualidade do link de transmissão RSSI. . . . . . 52

6.1 X-CTU - Tela de teste de taxa de transmissão (throughput) com a falha deum nó Hub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

A.1 Pagina inicial do software XCTU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

B.1 Site para download XCTU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73B.2 Descobrindo módulos Xbee conectado via USB . . . . . . . . . . . . . . 74B.3 XCTU - Selecionar porta serial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75B.4 XCTU - Selecionar as configurações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75B.5 XCTU - Adicionar o Módulo XBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76B.6 XCTU - Módulo XBee - Adicionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76B.7 XCTU - Descobrindo Módulos Xbee Remotos . . . . . . . . . . . . . . . 77B.8 XCTU - Adicionar Módulo Xbee Remoto . . . . . . . . . . . . . . . . . 78B.9 XCTU - Módulo Xbee Remoto - Conectado . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Lista de Tabelas

3.1 Característica da rede de comunicação do sistema multi VANT para asduas estratégias de varredura propostas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.1 Cenário 1: Configuração e Posição dos nós . . . . . . . . . . . . . . . . 546.2 Cenário 1: Resultados Média, Desvio Padrão . . . . . . . . . . . . . . . 546.3 Cenário 1: Análise dos Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556.4 Cenário 2: Configuração e Posição dos nós . . . . . . . . . . . . . . . . 566.5 Cenário 2: Comparando a Média, nos 3 casos . . . . . . . . . . . . . . . 566.6 Cenário 2: Análise dos Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576.7 Comparação dos resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

v

Lista de Símbolos e Abreviaturas

Gr: Ganho do Teceptor

Gt: Ganho do Transmissor

Pr : Potência Recebida

Pt : Potência de Transmissão

T : Tempo

λ: Maior comprimento de onda

d: Distância

h: Altitude

m: Metro

min : Minuto

s: Segundo

seg : Segundo

tan: Tangente

v: Velocidade em m/s (metros por segundo)

R©: Marca Registrada

Abinc: Associação Brasileira de Internet das Coisas

ACK: Pacote de confirmação da mensagem recebida em uma Rede

ADC: Analog-to-Digital Converter, Conversor Analógico Digital

AF: Application Framework, (Estrutura para Camada de Aplicação)

Anatel: Agência Nacional de Telecomunicações

AODV: Ad Hoc On-Demand Distance Vector protocol, (Protocolo de Vetor de DistânciaSob Demanda)

vii

APL: Camada de Aplicação de uma Rede

APS: Application Support, (Suporte a Camada de Aplicação)

BATMAN: Better Approach To Mobile Ad hoc Networking protocol, (Melhor Aborda-gem para Rede Ad Hoc Móvel)

bit: Digito Binário, menor unidade de informação que pode ser armazenada outransmitida

bps: Bits Por Segundo

Broadcast: Endereçamento cujo destino são todos os nós de uma Rede

Buffer: Região de memória física utilizada para armazenar temporariamente

byte: Uma palavra, ou conjunto de oito bits

CLBI: Centro de Lançamento da Barreira do Inferno

dBm: DeciBel Milliwatt

DCA: Departamento de Engenharia da Computação e Automação

DSDV: Destination-Sequenced Distance-Vector protocol, (Protocolo de Vetor de Dis-tância)

ED: End Device, Dispositivo Final

FANET: Flying Ad hoc Networks

FEC: Forward Error Correction

FFD: Full Function Device, (Dispositivo com todas as Funções)

FOV: Field Of View, (Campo de Visão)

FTB: Foguetes de Treinamento Básico

GPIO: General Purpose Input/Output, (Portas Programáveis de Entrada e Saída de Da-dos)

GPS: Sistema de Posicionamento Global, por Satélite

Host: Dispositivo hospedeiro, Nó que faz parte de uma Rede

Hub: Concentrador, Nó intermediário em uma Rede

IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers, (Instituto de Engenheiros Ele-tricistas e Eletrônicos)

IETF: Internet Engineering Task Force, (Força Tarefa de Engenharia da Internet)

Jitter: Variação da latência, ou Variação estatística do atraso na entrega de dados emuma rede

Kbytes: Medida de 1024 Bytes

km: KiloMetro

MAC: Camada de Controle de Acesso ao Meio de uma Rede

MANET: Mobile Ad hoc Networks, (Redes Móveis Ad Hoc)

Mesh: Topologia de Rede em Malha

MHz: Mega-hertz

Multi-hop: Topologia de uma rede Malha, tecnologia dos múltiplos saltos

Multicast: Endereçamento cujo destino é um conjunto de nós de uma Rede

mW: milliwatts

NC: Estação Base

NWK: Camada de Rede

Nó: Dispositivo hospedeiro, host que faz parte de uma Rede

OGM: Originator Message, (Nó de Origem da Mensagem)

OLSR: Optimized Link State Routing protocol, (Protocolo de Roteamento de Estadodo Link Otimizado)

OpenCV: Open Source Computer Vision Library, (Biblioteca de Código Aberto de VisãoComputacional)

Overhead: Informações de controle e gerenciamento adicionados em cabeçalhos paratroca de mensagens em uma rede

P2P: Ponto a Ponto

PAN ID: Personal Area Network Identification, (Identificador da Rede de Área Pessoal)

PDU: Protocol Data Unit

PHY: Camada Física de uma Rede

PPgEEC: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação

QoS: Quality Of Services, (Qualidade de Serviço)

RD: Router Discovery, (Descoberta de Rotas)

Redes Ad hoc: Redes Sem Fio que dispensam o uso de um ponto de Acesso

RFC: Request For Comments

RFD: Reduced Function Device, (Dispositivo com Funções Reduzida)

Router Discovery: Descoberta de Rotas

RREP: Pacote com a Resposta de Rota durante o RD

RREQ: Pacote para Requisição de Rotas durante o RD

RSSI: Received Signal Strength Indication, (Indicação da Intensidade do Sinal Rece-bido)

SNMP: Simple Network Management Protocol, (Protocolo de Gerenciamento de Rede)

SPI: Interface Periférica Serial

Throughput: Largura da banda de dados úteis em uma Rede

TM: Trademark, (Marca Registrada)

UART: Universal asynchronous receiver-transmitter

UAS: Unmanned Aerial System, Sistema Aéreo Não Tripulado

UAV: Unmanned Aerial Vehicle

UFRN: Universidade Federal do Rio Grande do Norte

Unicast: Endereçamento simples para um único dispositivo de uma Rede

USB: Universal Serial Bus

VANET: Vehicular Ad hoc Netwoks, Redes Móveis Veiculares Ad Hoc

VANT: Veículo Aéreo Não Tripulado

Wire: Antena constituída por um fio

WPAN: Wireless Personal Area Network, (Rede Sem Fio de Área Pessoal)

XBee: Dispositivo de rede que utiliza o protocolo de comunicação ZigBee

ZDO: ZigBee Device Object,(Objeto de Dispositivo ZigBee)

Capítulo 1

Introdução

Nos últimos tempos, Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) vêm sendo utilizadosem diversas aplicações civis e militares. Particularmente, sistemas multi VANTs são umaalternativa eficiente e econômica para aplicações em que é necessário varrer uma grandeárea para fins de monitoramento (Silva et al. 2017). Na cronologia de lançamento defoguetes no Centro de Lançamento da Barreira do Inferno (CLBI – Parnamirim – RN –Brasil), antes do lançamento, é necessário varrer a área provável de impacto no mar, paramonitorar a presença de possíveis embarcações, para assegurar que não exista risco delesões ou prejuízo a pessoas que estejam nessas áreas. Caso alguma embarcação estejapresente, devem ser tomadas medidas para retirá-la da área, pois, por razões de segurança,só é autorizado o lançamento do foguete se a área de impacto estiver livre de embarcações.

Atualmente, o procedimento de varredura da área de impacto é executado no CLBI pormeio de aeronave tripulada, procedimento custoso e demorado, que poderia ser realizadode forma mais econômica e segura utilizando VANTs. Em lançamentos de Foguetesde Treinamento Básico (FTB), cujo alcance e raio da área provável de impacto são depoucos quilômetros, um único VANT é capaz de varrer e monitorar a superfície do mare identificar embarcações em tempo razoável (Santos et al. 2015). Em lançamentos defoguetes de maior porte, onde o alcance é maior e a área a ser varrida muito mais extensa,um único VANT pode não ter autonomia suficiente, ou, caso tenha, o tempo para quea varredura da área seja realizada pode ser muito longo, incompatível com a cronologiada missão. Nesses casos, um sistema multi VANT, constituído por uma esquadrilha deaeronaves autônomas, permitiria que uma grande área fosse varrida de forma eficiente eem tempo hábil, possibilitando que o raio de alcance da comunicação aumente por meioda criação de uma rede de comunicação Mesh, Ad hoc, entre VANTs (em inglês, FANET -Flying Ad hoc Network), para que a informação seja transmitida de forma confiável entreas aeronaves e a estação de controle. Dentro desse contexto, este trabalho é parte de umprojeto que visa desenvolver um Sistema Multi-VANTs para varredura de área de impactode foguetes suborbitais lançados a partir do CLBI. A UFRN em parceira com o CLBI, jáproduziram alguns resultados na adaptação de um VANT para o uso de monitoramento daárea de impacto de foguetes (Tavares et al. 2013);(Santos et al. 2015);(Silva et al. 2015).

Este trabalho visa desenvolver e validar o desempenho de uma possível arquitetura derede. Assim, busca-se, garantir a transmissão de dados utilizando uma rede de VANTspara varredura da área de impacto de foguetes lançados em direção ao mar pelo CLBI,

2 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

de forma que a sondagem da área seja feita de maneira eficiente e confiável, em menortempo e a custo mais reduzido.

Após comparar as características, vantagens e desvantagens, de diversas alternativasapresentadas na literatura para redes de comunicação em sistemas multi VANT, (Guptaet al. 2015);(Bekmezci et al. 2013);(Li et al. 2012) propomos dois esquemas alternati-vos de formação para a varredura da área de impacto, um no qual as aeronaves mantêmuma formação única e sincronizada, fazendo a varredura conjunta de toda a área, e ou-tro no qual a mesma é decomposta em subáreas, onde cada uma é monitorada por umúnico VANT. Com base na análise das diversas alternativas de redes de comunicação eas características específicas é definida uma arquitetura de redes adequada para essa apli-cação particular baseada em dispositivos que suportam o padrão IEEE 802.15.4 com oprotocolo de comunicação ZigBee. Essa tecnologia possui características adequadas paraatender uma rede de sensores sem fio com baixo consumo de energia, camadas de rede esegurança com criptografia (ZigBee Alliance 2017). O protocolo de comunicação ZigBeepossibilita configurar redes auto organizáveis, capazes de se adaptar às diversas topolo-gias, conectividade entre nós e às condições de tráfego, possibilitando transmissão dedados em tempo real (Chaari e Kamoun 2011).

Define-se também um plano de testes para avaliar o desempenho da arquitetura de redeproposta em termos de robustez, confiabilidade e economia de energia. Para isso realizam-se testes na rede com os dispositivos Xbee Pro 900HP com o suporte de um software degerenciamento de redes que valide a qualidade e o desempenho dos pontos, assim comoa confiabilidade dos links de comunicação entre os mesmos, aferindo qualidade de sinal,taxa de transmissão de dados (Throughput), perda de pacotes, latência, jitter, consumo deenergia.

1.1 O projeto SPACEVANT I e IIÉ importante ressaltar que o presente trabalho é parte integrante de outro projeto, cha-

mado SPACEVANT II - Sistema Multi VANTs para Varredura e Coleta de Dados emÁreas de Missões Espaciais, (Silva, Monteiro, Alsina, Medeiros, Silveira, Nogueira, Al-buquerque e Dantas 2016b), em execução pelo Laboratório de Robótica do Departamentode Engenharia de Computação e Automação da Universidade Federal do Rio Grande doNorte em parceria com o departamento de pesquisa do Centro de Lançamento de Foguetesda Barreira do Inferno em Parnamirim-RN. O projeto SPACEVANT II tem como objetivoprincipal estender o escopo do projeto SPACEVANT I (Tavares et al. 2013), desenvol-vendo um sistema Multi VANT para varredura e coleta de dados em áreas de impacto defoguetes, para uso em missões espaciais do Centro de Lançamento da Barreira do Infernode forma a maximizar a área monitorada e minimizar o tempo de varredura. Na primeirafase do projeto, o objetivo foi desenvolver o sistema de processamento de imagem, o al-goritmo de detecção de embarcações e o sistema de controle de piloto remoto para umúnico VANT, além dos requisitos que servem de diretriz, utilizando aeronaves autônomasmodelo "Penguin B’ (Figura 1.1) desenvolvido pela UAV Fatory (Factory 2017).

Segundo (Silva et al. 2015), o projeto SPACEVANT I visa detectar, antes do lança-mento de um foguete, embarcações não autorizadas dentro da área de impacto prevista no

1.1. O PROJETO SPACEVANT I E II 3

Figura 1.1: Aeronave modelo Penguin B, utilizada no Projeto SPACEVANT.

mar, por meio do processamento de imagens aéreas multiespectrais capturadas a partir deuma esquadrilha de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs). Após a detecção de umapossível embarcação, o sistema irá emitir um alarme e informar a um operador humano,o qual irá confirmar a detecção da embarcação e tomar as medidas cabíveis.

O VANT Penguin B UAV fabricado pela empresa UAV Factory, possui autonomiamaior que 20 horas e capacidade de carga máxima de 10 kg. Foi definido que a alturamáxima de atuação da aeronave será de 500 metros com o objetivo de evitar interferênciasde possíveis nuvens. A câmera frontal acoplada na aeronave auxiliará o operador nocontrole da aeronave e outra acoplada na parte inferior será usada para capturar as imagensque serão processadas pelo algoritmo proposto.

Um sinal visual ou sonoro irá ser ativado na estação de controle caso um candidatoa embarcação seja detectado, após uma aeronave enviar uma "mensagem de controle"informando a localização desse candidato. Cabe ao operador confirmar que o objeto de-tectado é de fato um barco, após receber uma "mensagem de dados" com a imagem doobjeto localizado. Em caso positivo, o operador deve tomar as devidas providências deforma a informar a embarcação detectada que ela se encontra em zona de perigo: enviaruma "mensagem de confirmação" para acionar a sirene do VANT, realizar manobras devoo rasante na embarcação, tentar contato via rádio, enviar um barco ou avião tripuladoseriam algumas das possíveis medidas tomadas.

Para o bom desempenho da rede de comunicação, cujos pré-requisitos são definidosde acordo com o sistema de visão computacional que realiza a detecção de imagens, foidefinido que o intervalo para o envio de uma mensagem de controle é de três segundos(Silva et al. 2015). A mensagem de controle é uma mensagem de texto, que contém alocalização (Posição Geográfica Global - GPS) do VANT e se nessa localização existe ou

4 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

não uma embarcação. Quando for detectado um alvo, o sistema deverá ter a capacidadede enviar a imagem processada, ou uma micro imagem com o alvo.

Com base nas especificações definidas nos projetos SPACEVANT I e II é possíveldefinir as características desejáveis ou requisitos que devem ser cumpridos além das con-tribuições do presente trabalho para o projeto.

1.2 ContribuiçõesAs principais contribuições deste trabalho são: o projeto da arquitetura de rede para

o transporte de dados em uma rede Ad hoc utilizando VANTs e validar se a rede decomunicação permite a carga de dados essenciais para que a estação base de controle,evidenciando que a área de impacto de foguetes foi varrida e não existe embarcação ououtro objeto nessa região, sendo a missão executada dentro do tempo e área de risco,com custo inferior aos métodos utilizados atualmente, para então liberar o lançamentode foguetes realizado pelo CLBI. Mais detalhes sobre esses requisitos estão presentes nocapítulo 5 que propõe uma possível arquitetura de rede, hardware e software que sejacapaz de realizar a comunicação e transporte de dados entre a FANET, para que a mesmapossa ser utilizada no Projeto. É proposta uma arquitetura de testes para validar a rede.

1.3 Organização do textoO presente documento está organizando da seguinte forma: o Capítulo 2 apresenta

os conceitos teóricos necessários para o entendimento deste trabalho, tais como as ca-racterísticas das principais soluções de redes de comunicação para sistemas multi VANT,proposito de uma rede Multi VANT, parâmetros necessários para medir a performance equalidade de um rede de transmissão de dados. O Capítulo 3 apresenta dois esquemasdiferentes para varredura da área de impacto, fazendo uma comparação entre eles. NoCapítulo 4, o problema abordado é formalizado, apresentando a arquitetura de rede pro-posta para a aplicação, a arquitetura de hardware e software necessária para dar suporte àrede de comunicação multi VANT. No Capítulo 5, um protocolo de testes de validação éproposto para avaliar o desempenho da rede. Apresenta-se uma arquitetura para testes eas implementações da rede, com o software de gerência utilizado. O Capítulo 6 descrevecomo foram realizados os experimentos de validação, apresentando gráficos e tabelas queilustram os efeitos das alterações dos parâmetros e os dados obtidos. Finalmente é apre-sentada a Conclusão com uma análise dos estudos desenvolvidos e os trabalhos futuros.

Capítulo 2

Embasamento Teórico

Dentre os conceitos teóricos necessários à compreensão do problema em foco em umarede de comunicação para sistemas multi VANTs, destacam-se neste capítulo: redes mó-veis Ad hoc; comparação das características dos tipos de redes móveis e caracterizandouma rede de VANTs (FANET); transporte de dados e estratégia de roteamento de umaFANET; uma base teórica sobre a arquitetura de rede com dispositivos ZigBee e os pa-râmetros necessários para medir a desempenho e qualidade do serviço (QoS - Quality ofServices) de uma rede de transmissão de dados.

2.1 Gerência de Desempenho de uma Rede sem fio.Gerenciar uma rede consiste em coletar, medir e monitorar dados que possam ser

analisados para determinar se estão operando dentro dos limites especificados para umaaplicação ou projeto de rede e assim fazer ajustes de acordo com modificações ou ne-cessidades (Kurose e Ross 2009). O gerenciamento de desempenho possui como metaquantificar, medir, informar, analisar e controlar o desempenho de diferentes componen-tes.

É possível mensurar uma Rede sem fio de acordo com os seguintes parâmetros deQoS:

• Taxa de transmissão dados (Throughput) é a quantidade de dados transferidos deum lugar a outro (fim a fim), em um determinado espaço de tempo;

• Qualidade do Sinal de Rádio (RSSI - Received Signal Strength Indication) é oindicador de Potência do Sinal Recebido, em um ambiente de rede sem fio;

• Perda de pacotes;• Latência é o atraso ou quanto tempo leva para um pacote ou conjunto de dados ir

de um ponto designado para o outro;• Jitter é a variação da latência, ou seja, a variação estatística do atraso na entrega de

dados.

Para atender os requisitos de uma rede de um sistema multi VANTs aplicado à varre-dura de área de impacto de foguetes, é necessário determinar a qualidade do serviços darede (QoS - Quality of Service) , verificando se atende às condições necessárias para otransporte de dados e imagens coletadas. Nesse cenário a taxa de transmissão de dados,

6 CAPÍTULO 2. EMBASAMENTO TEÓRICO

intensidade do sinal, tempo de transmissão dos pacotes e perda de pacotes serão analisa-dos.

Indicador de Qualidade do Sinal de Rádio (RSSI- Received Signal Strength Indicator)

Receive Signal Strenght Indicator (RSSI), é a medida que indica qual é a potência emtoda banda passante do canal recebido. É um indicador de intensidade da força do sinalrecebido, medido em dBm. O principal conceito nesse indicador é mensurar a atenuaçãoda potência do sinal através da distância percorrida. A relação entre a potência recebida Pre a potência de transmissão Pt é dada na equação: 2.1, Gt e Gr são ganhos do transmissore ganho do receptor respectivamente , λ é o maior comprimento de onda e d a distânciaentre o emissor e o receptor (Piyare e Lee 2013).

Pr = Pt ·Gt ·Gr ·(

λ

4πd

)2

(2.1)

É possível observar que quanto maior o comprimento da onda, a propagação da onda émenos suscetível a perda em seu caminho. A potência do sinal recebido é convertida paraRSSI, e sua definição está na relação entre a potência recebida Pr e potência de referênciaPref, como mostrado na equação: 2.2.

RSSI = 10 · log(

Pr

Pref

)(2.2)

Em dispositivos Digi XBee-PRO R© 900HP S3B, é possivel medir a intensidade dosinal recebido no dispositivo, utilizando o comando DB. DB retorna o valor RSSI (em-dBm) do último pacote recebido. Para uma rede em malha ele indica a intensidade dosinal recebido do último salto (XBee-PRO 2016).

Testes de Taxa de transmissão de dados (Throughput)

Throughput é a taxa de transferência que mede a quantidade de dados úteis transferi-dos de um dispositivo a outro, como também a quantidade de dados processados em umdeterminado espaço de tempo, ou seja, a quantidade de bits úteis que o link está trans-mitindo após descontar os bits com endereçamentos, controle, informações do cabeçalhoque são enviados em uma transmissão. A carga útil de dados é também chama de Payload.Throughput está diretamente relacionado com o tamanho e a velocidade de transmissãode dados úteis em um pacote. Podemos medir o Throughput através da equação 2.3, entreo tamanho da mensagem em bits, dividido pelo tempo total da transmissão em segundos:

T hroughput =8 · numero de bytes

Tempo total da transmissao (seg)(2.3)

A Taxa de modulação (Baud Rate) representa a quantidade de modulações (sinali-zações) realizadas em um segundo pelos canais de transmissão de rádios. Em um sinalbinário, o pulso tem o nome de bit. Assim sendo, para um sinal binário, a velocidade

2.2. REDES DE COMUNICAÇÃO PARA VANTS 7

de modulação é expressa em "bits por segundo"(bps). Baud Rate está associado à ca-mada física, então ao contabilizar a Taxa de modulação, são incluídos todos os sinais quesão transmitidos para a comunicação. Enquanto a velocidade ou taxa de transmissão (BitRate) corresponde à quantidade de bits úteis transmitidos por segundo, a "bit rate útil"deuma comunicação refere-se à capacidade de transferência de um canal excluindo os da-dos de controles transmitidos, como por exemplo, sincronização, cabeçalho, detecção ecorreção de erros, etc. É a carga útil de dados transmitidos pelo usuário ou Aplicação.

Resumindo pode-se dizer que o Baud Rate é a medida possível, ou a Largura de banda(bps) associada à quantidade de bits por segundo que um canal, enlace ou até mesmo umarede pode transmitir. Enquanto o Throughput, mede bit rate útil, ou a velocidade pela qualpodemos enviar dados pela rede. É a medida real da rapidez com que os dados podem serenviados. A Baud Rate é proporcional à Taxa de transmissão, pois aumentando-se o BaudRade em um dispositivo XbeeTM, aumenta-se a Taxa de transmissão de dados.

2.2 Redes de Comunicação para VANTs

Em Redes Ad hoc, hospedeiros sem fio ou nós, não dispõem de nenhuma infraestruturade acesso que controle o envio e recebimento de dados e coordene a transmissão doshospedeiros da rede. Na ausência de tal infraestrutura, os próprios hospedeiros devemprover serviços como roteamento, atribuição e tradução de endereço, entre outros (Kurosee Ross 2009).

Quando um hospedeiro móvel se desloca para fora da faixa de alcance de um nó eentra na faixa de outro nó, ele tem a capacidade de mudar seu ponto de conexão. Comonão existem estações base nessas redes, os nós podem ter de restabelecer conexão e en-viar mensagens entre diversos outros nós para chegar a um destino, formando uma rededenominada Malha (em inglês Mesh), ou "Multi-hop", isto é, a tecnologia dos múltiplossaltos. Nessa rede ocorre a mudança de conectividade entre eles sempre que necessário.Essas redes são categorizadas como Redes Móveis Ad hoc (MANET - Mobile Ad hocNetworks); se os nós móveis forem veículos, essas redes são denominadas Redes Ad hocVeiculares (VANET - Vehicular Ad hoc Netwoks); quando aeronaves mantêm uma redeAd hoc, sua denominação é FANET (Flying Ad hoc Network).

Redes de comunicação móveis para sistemas Multi VANTs (FANETs) apresentamcaracterísticas e requisitos bastante específicos, ao contrário de outras redes móveis semfio, como por exemplo as VANETs ou MANETs.

2.2.1 Comparando características de redes sem fio MANET, VANETe Rede para Sistemas Multi VANTs (FANET).

MANET é uma rede composta por plataformas móveis na qual os nós não dependemde infraestrutura ou ponto de acesso para operar. O movimento dos nós é lento e aleatório(menos de 3 m/s) estando conectados em uma rede Ad hoc. A mudança da topologia édinâmica, com os nós entrando e saindo na rede de forma imprevisível (Bekmezci et al.2013);(Gupta et al. 2015).


VANET é uma rede composta por carros que se comunicam com outros carros oupontos de acesso próximos às estradas. Os nós se movimentam a uma velocidade de 20-30 m/s em rodovias e 6-10 m/s em áreas urbanas. O movimento é previsível, limitado aotraçado da pista, condições de tráfego e regras de trânsito. A topologia é definida comouma rede em estrela entre os pontos de acesso e Ad hoc entre os veículos. A topologiamuda de forma mais dinâmica que uma MANET, apresentando movimentos lineares emfunção das rodovias (Bekmezci et al. 2013);(Gupta et al. 2015).

Redes MANETs estão associadas à distribuição de informação, formando uma estru-tura de comunicação de dados para casos emergenciais, publicidade, eventos com pontosde acesso à Internet, etc. As VANETs são utilizadas para o transporte de informações detráfego, informações climáticas, avisos de emergência, serviços de localização e entrete-nimento, etc.

FANET é uma rede composta por aeronaves não tripuladas que se comunicam entresi e com a estação base de controle. A velocidade dos nós varia de zero a pouco maisde 100 m/s com movimentos em duas ou três dimensões, controlados de acordo como propósito da missão. A mudança de topologia pode ser fixa ou sujeita a mudançaslentas ou muito rápidas, com movimentação desordenada ou sincronizada, dependendodo objetivo (Gupta et al. 2015). A Figura 2.1 ilustra a composição desses três tipos deredes Ad hoc (Bekmezci et al. 2013) .

Figura 2.1: Composição das redes móveis Ad hoc de comunicaçãoMANET, VANET e FANET. Adaptado (Bekmezci et al. 2013)

Em uma FANET, o projeto da arquitetura de rede leva em consideração um protocolode roteamento com capacidade de se reorganizar em casos de falha de um VANT. Osprotocolos com algoritmos pró-ativos ou reativos podem não funcionar devido à baixacapacidade de processamento e memória dos nós. Na presença desses fatores, a FANETdeve ser capaz de encaminhar pacotes entre um nó fonte e um nó destino, otimizando amétrica escolhida, incorporando mecanismos para economizar energia e maximizando avida útil da rede.

2.2. REDES DE COMUNICAÇÃO PARA VANTS 9

2.2.2 Caracterizando uma Rede de VANTs (FANET).Uma rede de VANTs pode ser definida quanto à sua aplicação, sendo categorizada em

três grupos distintos, apresentando características como: rota e velocidade do voo, tipoe quantidade de dados a serem transportados, bem como impacto na falha ou perda deconexão entre os nós da rede.

Rede de VANTs como infraestrutura de acesso à Internet.

Nessa categoria enquadram-se FANETs planejadas para servir de infraestrutura comoponto de acesso à Internet. Esse tipo de rede exige pouca e lenta movimentação dosVANTs. A infraestrutura de comunicação deve ser estável e suportar uma quantidadede banda e acesso para que seus usuários possam utilizar a rede (Sanchez-Garcia et al.2016);(Gupta et al. 2015). Sanchez-Garcia et al. (2016) demonstram estratégias para umplano de rotas de VANTs para construção de uma FANET visando fornecer infraestruturade rede em cenários de desastres.

Rede de VANTs para localização e ataque com fins militares

Nessa categoria enquadram-se FANETs projetadas para que um nó localize um alvo,seguido pela execução do ataque, com a possibilidade de deixar a área imediatamente apóso ataque ou executar auto detonação para eliminar o inimigo. O objetivo é procurar umalvo, de forma que não é necessário fazer a varredura total da área. Os VANTs sobrevoama área em alta velocidade com movimentos não coordenados e devem possuir capacidadede captura e processamento de imagens com técnicas de visão computacional. Comoexemplo da aplicação dessa técnica, Ruini et al. (2009) demonstram um estudo utilizandoVANTs para encontrar um alvo e realizar o ataque.

Rede de VANTs para sensoriamento remoto ou varredura

Nessa categoria enquadram-se FANETs para o sensoriamento e monitoramento dedeterminada área, utilizando-se técnicas de visão computacional para que toda a área aser monitorada seja coberta. A capacidade de captura e processamento de imagens éum fator limitante para a velocidade do voo. No comportamento de voo típico dessacategoria, os VANTs executam rota similar, coordenada, a velocidade constante, sendopossível determinar pontos futuros e realizar o planejamento do voo na rede. Em casos defalha de um nó, a rede deve ter capacidade de se rearranjar de modo que a área onde houvea falha seja monitorada por outros nós da rede, resultando numa completa varredura daárea em análise (Gupta et al. 2015).

2.2.3 Transporte de dados e estratégia de roteamento.Segundo Gupta et al. (2015), ainda não foi estabelecido qual é a melhor arquitetura

para uma FANET. Primeiramente deve-se analisar o objetivo da rede, o plano de voo eas rotas das aeronaves, para então ser adotada uma estratégia de roteamento. Em uma


rede que o roteamento é feito por aeronaves, fatores como localização dos nós, economiade energia, maior robustez frente a links intermitentes e mudança de topologia devemestar presentes para que haja uma melhor qualidade no serviço. Projetar a camada derede para sistemas Multi VANT ainda é uma tarefa desafiadora (Bekmezci et al. 2013).Os principais protocolos de roteamento em redes sem fio entre dispositivos móveis (MA-NETS E VANETs), podem ser categorizados como protocolos de Roteamento Estático,Pró-Ativos, Reativos, Híbridos, Geográficos 2D e 3D. Todos têm problemas na aplicaçãode redes VANTs (Gupta et al. 2015).

O conhecimento das características de uma rede de VANTs aplicada para varredurade área, tais como a movimentação sincronizada e velocidade constante dos seus nós,possibilita definir um protocolo de roteamento adequado. Em uma FANET, recursos comoarmazenamento, potência do sinal e largura de banda são limitados. A taxa de entrega éafetada pela quantidade de saltos entre os nós, interferência e condições da rede em funçãoda distância e movimentos desses nós.

Neste trabalho, considera-se que o roteamento tende a ter características determinísti-cas, em função da velocidade e da rota prevista, considerando que movimentos futuros eligações podem ser conhecidas. A topologia da rede não muda frequentemente. Algorit-mos de roteamento determinístico são baseados na formulação de um modelo dependentedo tempo, no qual é possível definir um plano de voo que mantenha a distância ideal entreos VANTs para que não ocorram problemas de perda do sinal, utilizando métricas comtécnicas otimizadas de entrega de pacotes fim a fim, com roteamento de pacotes Unicast1.Assim, esse tipo de roteamento proporciona um bom desempenho com menor consumode recursos em relação a técnicas de roteamento estocástico (Cardei et al. 2013).

Devemos destacar a importância do protocolo de roteamento, pois uma metodologiaadequada desempenha um papel fundamental em aplicações críticas em requisitos, como,a reserva de largura de banda, eliminar colisões ou atrasos médios fim a fim. Por isso éimportante analisar as características de protocolos de roteamento Ad hoc, tanto pró-ativoscomo reativos, que possuem caraterísticas desejáveis a uma FANET que tem o objetivo defazer o sensoriamento de uma área. Existem diversos estudos comparativos entres essesprotocolos, destacando suas características, além de algumas vantagens e desvantagens(Bessa et al. 2011);(Aguiar et al. 2007). Zafar e Khan (2017) apresentam em seu trabalhoum estudo de protocolos de roteamento aplicado a FANETs. Desses protocolos para redesAd hoc podemos destacar, OLSR, DSDV, AODV e BATMAN com uma breve descriçãode suas características:

• OLSR - (Optimized Link State Routing) ou Roteamento com estado do link otimi-zado (Clausen et al. 2003): protocolo pró-ativo (Realiza troca periódica das infor-mações da tabelas de roteamento e informações sobre toda a topologia da rede),para atualizar suas tabelas de rotas. Normalmente, um protocolo pró-ativo ao rece-ber informações de alteração da rede, encaminha-as para todos os nós ao seu alcance(mensagem de Broadcast), podendo sobrecarregar a rede (Bessa et al. 2011).

• DSDV - (Destination Sequenced Distance Vector) ou Roteamento por Vetor deDistância com Destino Sequenciado (Chroboczek 2011): protocolo pró-ativo, nos

1Unicast: é o endereçamento de um pacote enviado a um único destino, ou seja, a entrega no unicast ésimples, ponto-a-ponto (Kurose e Ross 2009).

2.3. O SISTEMA DE PROCESSAMENTO DE IMAGENS 11

quais todos os nós da rede possuem uma tabela de roteamento com o endereço donó destino, com o numero de saltos (hop) necessários para se alcançar o destino eo número de sequência do nó destino (sequence number - SN). Para diferenciar aexistência de novas rotas com as já armazenadas na tabela é usado um número desequência, ou seja, cada nova entrada na tabela possui um novo SN. As atualizaçõespodem conter toda a tabela de roteamento ou apenas as rotas que foram alteradas(Zafar e Khan 2017).

• AODV - (Ad hoc OnDemand Vector) (Perkins et al. 2011): protocolo reativo (Asrotas são estabelecidas sob demanda) baseado no algoritmo de vetor de distância.O AODV elimina a necessidade de um broadcast global das informações de rotea-mento, evitando o alto consumo de banda por pacotes de controle.

• BATMAN - (Better Approach To Mobile Ad hoc Networking) ou Melhor abordagempara redes móveis Ad hoc (Neumann et al. 2008), protocolo pró-ativo com algumascaracterísticas de um roteamento vetor de distância. Cada nó envia periodicamenteuma mensagem de broadcast chamada de originator message (OGM) que informaaos seus vizinhos a respeito de sua existência. Os vizinhos retransmitem essa men-sagem até que cada nó da rede tenha ciência de todos os outros nós. Em razãoda natureza não confiável da transmissão em broadcast, a inundação de mensagensOGM não irá atravessar eficazmente enlaces congestionados. O roteamento escolhedessa forma as rotas com a maior probabilidade de entrega, medida por contado-res de pacotes OGM (Sanchez-Iborra e Cano 2016). Assim, o encaminhamento depacote de dados é feito ao vizinho de quem mais se recebeu mensagens OGM dodestino durante um determinado intervalo de tempo (De Siqueira 2014).

O protocolo de roteamento BATMAN, está em fase experimental e não existem dis-positivos no mercado que o utilizam. Segundo Aguiar et al. (2007), observou-se melhorcomportamento e melhor desempenho da rede utilizando o protocolo AODV em relaçãoao OLSR, dentro do seu cenário que a maioria dos pontos se enxergam. Isso não significaque dispositivos com protocolo de Roteamento OLSR devem ser descartados. Apenasindica que estudos devem ser realizados com os dois protocolos. Para cenários que ossensores tem baixa capacidade de processamento, pouca largura de banda e existência depoucos recursos energéticos, os protocolos com AODV levam uma vantagem devido àsuas características.

Após estabelecer e caracterizar as especificidades para um Rede de FANETs, é possí-vel determinar uma arquitetura e qual protocolo de rede deve ser utilizado, para que possafornecer uma solução para o problema envolvido.

2.3 O sistema de processamento de imagensO sistema de visão computacional para detecção de embarcações possui um período T

para amostrar e processar as imagens igual a 3 (três) segundos, considerando que a câmerautilizada possui um campo de visão (field of view) FOV = 0,35 rad ou aproximadamente20 graus, e que o avião voa a uma altitude h = 500 m com uma velocidade média v = 27m/s. Para se ter uma margem de segurança, o sistema obriga uma sobreposição mínima


de 50% entre frames obtidos, assim foi possível encontrar o valor aproximado T = 3 s,de acordo com a Equação 2.4. (Silva et al. 2015). A Figura 2.2, esquematiza a área decaptura formada pela limite de visão da câmera, altura, velocidade (Tavares et al. 2013).

T ≤ 2hv· tan

(FOV

2

)(2.4)

Figura 2.2: Requisito do tempo máximo para envio de uma mensagem de controle deacordo com Sistema de Processamento de Imagens. Adaptado de (Tavares

et al. 2013);(Silva et al. 2015).

Outra consideração importante é que, como a área de impacto é uma área de exclusãomarítima, espera que grandes barcos como cargueiros ou transatlânticos não naveguem naregião, sendo mais provável encontrar pequenas embarcações como jangadas, barcos depesca ou lanchas. Assim sendo, caso haja algum barco no frame atual, a tendencia é queele ocupe menos que a metade da imagem, nesse caso não é necessário o envio da imagemcompleta e sim uma micro imagem contendo a embarcação e suas coordenadas geográfi-cas obtidas pelo GPS. As Figuras 2.3A e B, mostram alguns exemplos de embarcações naárea de risco, nas quais a imagem foi processada pelo Sistema de Visão Computacional,detectada e realçada com um retângulo vermelho. Logo abaixo na Figura 2.3C é possívelvisualizar as micro imagens com o recorte destas embarcações.

2.4 Requisitos e protocolos para a rede de dispositivosmóveis.

Dentre as principais características que devemos levar em consideração para determi-nar a arquitetura da rede, uma das mais importantes é um protocolo de comunicação que

2.4. REQUISITOS E PROTOCOLOS PARA A REDE DE DISPOSITIVOS MÓVEIS.13

Figura 2.3: Imagens processadas pelo Sistema de Visão. A) Imagem com duas embarca-ções. B) Imagem com uma embarcação. C) Microimagens correspondentes.

Adaptado de (Silva et al. 2015).

considere os requisitos do projeto dentro do cenário em que será utilizado. Por exem-plo, um aspecto importante é a distância entre os nós, pois, em uma configuração na qualesquadrilha tenha a formação com subdivisão da área a ser varrida ou uma formação con-junta com os nós próximos, a distância entre os nós pode variar de algumas centenas demetros até alguns quilômetros. A rede deve ter a capacidade de enviar mensagens de con-trole a cada 3 segundos, informando a localização e a possível existência de embarcação.Quando encontrar uma embarcação, além da mensagem de controle, poderá enviar umamensagem de dados contendo uma imagem de até 100 Kbytes, ou micro imagens comtamanho reduzido. Para os requisitos, ainda devem ser levadas em consideração algumascaracterísticas, como a capacidade de reorganizar a rede em caso de falha de um nó, comprocessamento e recurso energéticos limitados. As aeronaves estarão sobre o mar, por-tanto há necessidade de uma rede Ad hoc, sem pontos de acesso (torres de comunicação)entre os nós da rede. Assim, essa tecnologia deve ter a capacidade de trocar informaçõesentre si, formando uma rede de sensores em malha.

Existem diversas soluções para comunicação de redes móveis que podem ser analisa-das para utilização em redes Ad hoc, as quais enquadram-se para rede de curto alcance:Bluetooth 5, 6LoWPAN, ZigBee, Wi-Fi, Z-Wave, Thread, ANT e tecnologias para longoalcance como LoRa / LoRaWAN, NWave, OnRamp, Platanus, SIGFOX, Telensa (for-merly Senaptic), Weightless, Amber Wireless, Wi-MAX, ZigBee+DigiMesh, ComSATentre outras (Walko et al. 2017).

Atualmente, diversos centros de pesquisa estão investindo em soluções com uso des-sas tecnologias. Motlagh et al. (2016) apresentam um resumo com a classificação dosVANTs, associando ao conceito de Sistemas aéreos não tripulados (UAS - Unmanned Ae-rial System) como mostra a Figura 2.4(a). Esses sistemas podem utilizar comunicaçãobaseada em satélite (Satellite-based Comunication), Comunicação com apoio de disposi-tivos terrestres (Ground-based Communication), como torres e antenas na área varrida, e


por último, a comunicação somente entre os dispositivos áereos (Air-air Communication).Problemas desafiadores tanto em questões de hardware, arquitetura de rede, proble-

mas de regulamentação e padronização ainda não estão muito bem definidos. Motlaghet al. (2016) apresentam a comparação entre as topologias de rede ponto a ponto / malhae possíveis arquiteturas de UAS, discutindo os desafios associados e os requisitos do sis-tema comparando algumas das tecnologias citadas anteriormente para transporte de dadoscomo celular (Ex. 3G, 4GLte), Banda Larga (Wimax e Wifi), Comunicação com Satélite(ComSAT) e ainda com tecnologias de outras categorias, no caso, comunicação de curtoalcance (ZigBee e Bluetooth). Ao comparar diversos trabalhos, existe o destaque em re-lação aos dispositivos Zigbee+DigiMesh, para casos onde é necessário pouco consumode energia, segurança de dados, aliado à possibilidade de comunicação de longo alcanceatravés uma rede em malha e transferência de dados de até 250 kb/s. A Figura 2.4(b)apresenta tecnologias de comunicação que podem ser utilizadas em FANETs.

Figura 2.4: Modelo de Sistemas aéreos não tripulados (UAS) e Tecnologias de Comuni-cação para FANET. Figura 2.4(a) e (b). Adaptado de: (Motlagh et al. 2016).

Comparando as diversas tecnologias e os protocolos de redes, os que podem melhor seadaptar ao projeto são as WIFI(11af/ah), ZigBee com DigiMesh, ou LoRa / LoRaWAN.Mas, segundo Motlagh et al. (2016), as redes WIFI possuem taxas de transmissão dedados superior às outras duas, chegando a mais de 54 Mbps (Megabits por segundos),mas o alcance padrão é de apenas 100 metros, embora utilizado antenas direcionais pode-se ampliar o alcance do sinal para até 25 km. Contudo, com a movimentação dos nós,com alteração contante de posição a comunicação tende a ficar instável. Essa tecnologia érecomendada, para um cenário em que a rede de VANTs seja utilizada para infraestrutura

2.4. REQUISITOS E PROTOCOLOS PARA A REDE DE DISPOSITIVOS MÓVEIS.15

de acesso à Internet, ou monitoramento de uma área de desastre com transmissão de vídeoem tempo real, mas sem a necessidade de movimentação dos nós.

Em paralelo, existe a linha de módulos Digi XBee-PRO R© 900HP S3B,(XBee PRO2017), sendo desenvolvida para uso de longo alcance com conectividade entre os disposi-tivos na frequência de 900MHz, utilizando o protocolo de comunicação ZigBee adaptadoà tecnologia DigiMesh. Esse modelo possui capacidade de transmissão de dados até 200Kbps e alcance de até 14 km para transmissão entre dois nós. Segundo Zafar e Khan(2017) dispositivos com protocolos de comunicação que utilizam na camada física o pa-drão IEEE 802.15.4 (Padrão para controle da Camada de acesso físico), têm ótima adap-tação para FANETs que necessitam de comunicação em malha, de VANT para VANT,com velocidades de até o limite de 460 km/h e movimentação podendo ser constante ouvariável. Ao final, Zafar e Khan (2017) apresentaram como resultado, que a tecnologiaZigBee pode ser uma candidata potencial com taxas de entrega de pacotes entre 80-98%e atrasos de rede comparáveis com o padrão IEEE 802.11, sendo que esse ultimo en-volve complexidade, pois não é adaptado para situações em que os nós estão distantese movimentam-se, embora permite uso de banda larga. Assim, o padrão IEEE 802.15.4pode ser uma escolha adequada para aplicações que não necessitam de largura de bandaexaustiva, exigindo menor taxa de dados para comunicação.

Motlagh et al. (2016) destacam que o protocolo de comunicação ZigBee sobre o pa-drão IEEE 802.15.4, suporta protocolos de comunicação de alto nível com baixo consumode energia e baixo custo. A tecnologia é tipicamente usada em aplicações de menor taxade dados e que requerem grande vida útil para bateria e comunicação segura. A rede emmalha permite alta confiabilidade e longo alcance. Segundo Motlagh et al. (2016) ZigBeeé a melhor opção para transmissões de dados intermitentes a partir de sensores. Nessetrabalho, Motlagh et al. (2016) apresentaram resultados de testes, utilizando dispositivosZigBee, embarcados em VANTs quadrirrotores no desenvolvimento de um sistema de usogeral para localização interna (indoor) em um ambiente conhecido, combinando o Zigbeee um sistema de navegação inercial, contendo medidor de velocidade e acelerômetro quesão usados para aumentar a precisão. Os resultados elucidam que o sistema de localizaçãoé viável, eficaz, flexível e facilmente adaptável a várias situações.

Dentro do projeto SPACEVANT do qual este trabalho faz parte, mensagens de con-trole são enviadas a cada 3 segundos. Por sua vez, uma mensagem de dados com umaimagem possui tamanho médio de 100 KBytes é enviada caso algum nó da esquadrilhaencontre uma embarcação enquanto faz a sua varredura. Por causa dessas características,será adotada a tecnologia de comunicação com dispositivos Zigbee. Nesse contexto, foifeito um estudo mais aprofundado e um cenário para testes foi estabelecido para validar atecnologia e analisar a viabilidade de sua utilização.

Segundo Associação Brasileira de Internet das Coisas (Abinc) a regulamentação paraLoRa / LoRaWAN no Brasil foi aprovada no dia 21 de junho de 2017. A aprovaçãopermite que equipamentos com esse protocolo sejam certificados e operem em potên-cias compatíveis com o que já se pratica no exterior, colocando o Brasil em condiçõesde igualdade com os outros países. Devido à recente data de aprovação o presente tra-balho não fez nenhum análise desse protocolo, mas seria interessante realizar um estudocomparativo entre o LoRaWAN e o ZigBee. Trasviña-Moreno et al. (2017) publicaram


estudos de VANTs, utilizando sensores sem fio, no monitoramento da costa marinha uti-lizando o protocolo LoRa, alcançando uma taxa de transmissão máxima de 4399,97 bps eum alcance entre os nós de 485 metros. Nesse trabalho o sistema de coleta de dados ficano oceano, instalado em boias fixas, enquanto os VANTs sobrevoam a área coletando osdados e, após a coleta, voltam para a estação base de controle, para que os dados sejamanalisados.

2.5 Arquitetura de rede com protocolo ZigBee.De acordo com a estratégia de varredura adotada e os requisitos de comunicação da

esquadrilha, foi escolhido o protocolo de comunicação e roteamento dos dados ZigBee,desenvolvido pela Alliance ZigBee, que utiliza o padrão IEEE 802.15.4, desenvolvidopelo IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Enginners). Esse protocolo possui ca-racterísticas adequadas para atender uma rede de sensores sem fio com baixo consumode energia, camadas de rede e segurança com criptografia. O protocolo de comunicaçãoZigBee possibilita configurar redes auto organizáveis, capazes de se adaptar às diversastopologias, conectividade entre nós e às condições de tráfego, possibilitando transmissãode dados em tempo real (ZigBee Alliance 2017).

2.5.1 O Protocolo de Comunicação da Rede ZigBee.ZigBee é uma arquitetura de rede idealizada para a Internet das Coisas que define

um conjunto de protocolos de comunicação para redes sem fio. Opera na frequência embandas não licenciadas em todo o mundo a 2.4 GHz (global), 915 MHz (Américas) e 868MHz (Europa). As taxas brutas de tranferência de dados (Throughput) podem alcançar250 Kbps a 2,4 GHz (16 canais), 40 Kbps a 915 MHz (10 canais) e 20 Kbps a 868 MHz (1canal) em redes de curto alcance dependendo da potência e de características do ambiente(ZigBee Alliance 2017). O protocolo ZigBee é uma evolução, ou complemento do padrãoIEEE 802.15.4, com camadas de rede e segurança, estrutura de controle e criptografia.

O padrão IEEE 802.15.4

O padrão IEEE 802.15.4 define as especificações das subcamadas: Física (PHY) econtrole de acesso ao meio (MAC). Tem o propósito de servir a aplicações com requisitosde baixa taxa de transmissão de dados e baixa latência para dispositivos fixos, portáteisou móveis e requisitos de consumo de bateria muito limitados. Além disso, a subcamadaPHY é definida para dispositivos que operam em várias bandas sem licença em uma vari-edade de regiões geográficas (Heile et al. 2015).

Topologias de Rede e Modos de Operação IEEE 802.15.4

O IEEE descreve dois modos de operação para os dispositivos com tecnologia IEEE802.15.4: Dispositivos de Função Completa (FFD - Full Function Device) e Dispositivosde Função Reduzida (RFD - Reduced Function Device). O FFD possui todas a funções

2.5. ARQUITETURA DE REDE COM PROTOCOLO ZIGBEE. 17

dos serviços MAC, operando como o coordenador ou um simples dispositivos da rede.O RFD só opera como um dispositivo da rede e não tem funções de descoberta da redee mapeamento dos vizinhos, ponto de acesso e associação dos nós, sendo essas funçõesdo FFD. Como um RFD só envia e recebe dados, ele pode hibernar quando está ociosoconsumindo menos energia que os FFD (Heile et al. 2015).

O padrão permite duas topologias, sendo essas não completamente descritas, poisa definição das camadas superiores de rede e transporte está fora do escopo do IEEE802.15.4. O padrão se limita a indicar qual modo de operação FFD ou RFD é utilizadopelos componentes da rede. São permitidas as topologias com formação em estrela eponto a ponto (em inglês peer-to-peer).

Na formação da rede estrela, após um FFD ficar ativo como coordenador estabele-cendo sua própria rede, funciona como o ponto de acesso, sendo o concentrador e possuicomunicação direta com todos os nós. O FFD coordenador funciona como o hub na rede.A estrutura básica de uma rede de estrela está ilustrada a Figura 2.5A.

Na formação ponto a ponto, os FFDs que não são coordenadores são capazes de secomunicar com outros dispositivos que estão dentro de sua faixa de radio transmissão.Devido aos RFDs não terem capacidade de associação e mapeamento dos vizinhos, essesse conectam como uma folha final em uma ramificação de um FFD, formando uma topo-logia de rede em arvore (em inglês Cluster Tree Network). Essa estrutura está ilustrada naFigura 2.5B (Heile et al. 2015).

Deve ser observado que, como o padrão IEEE 802.15.4 define as subcamadas da rede,suas topologias estão limitadas apenas às funções da camada física. Funções de Rote-amento entre dispositivos e entrega fim a fim de pacotes são definidas nas camadas detransporte e rede. Toda a rede, independente de topologia ou modo de operação, pos-sui: um PAN ID (em Inglês Personal Area Network Identification) um endereço único darede de 16 bits, que permite a comunicação entre os membros da rede. Cada dispositivotambém possui um endereço físico local de 16 bits que o identifica dentro da rede. Na for-mação de uma rede IEEE 802.15.4 o PAN ID iniciado pelo coordenador FFD é chamadode WPAN (em inglês Wireless Personal Area Network) (Heile et al. 2015).

Figura 2.5: Exemplo das topologias Estrela e Ponto a Ponto (IEEE 802.15.4).Adaptado de (Heile et al. 2015)


2.5.2 Camadas implementadas pelo ZigBee.O protocolo Zigbee implementa as camadas acima do IEEE 802.15.4. Uma caracte-

rística importante é que é possível configurar redes auto organizáveis, sendo capazes dese adaptar às diversas topologias, conectividade entre nós e as condições de tráfego, pos-sibilitando transmissão de dados em tempo real. O protocolo tem suporte a topologias deredes em Estrela (Star), Malha (Mesh) e Árvore (Cluster Tree) (ZigBee 2015).

Os nós em uma rede Zigbee são classificados com as funções logicas: Coordenador,Roteador e Dispositivo Final. Um Coordenador é o nó inicial da rede. É o nó responsávelpor iniciar a WPAN e está sempre em modo ativo para aceitar os pedidos de associação,efetuar o controle e pode dar assistência ao roteamento de pacotes em uma rede mesh. Éo nó com maior consumo de energia, sendo esse único em toda a rede. O nó Roteador éutilizado na topologia mesh e cluster tree para dar maior robustez à rede.

O Roteador possui tabelas de roteamento e permite encontrar o menor caminho paraum pacote chegar ao destino, dando à rede a característica de autorregeneração casoocorra queda das funcionalidades de outros nós roteadores na rede. Ele permite asso-ciação de novos dispositivos à rede, enviar e receber dados e rotear dados através da rede.Os Dispositivos finais são nós folhas das topologias estrela e cluster tree, apenas enviame recebem seus dados. Esses passam a maior parte do tempo no estado sleep, hibernadospara economizar energia (ZigBee 2015).

O protocolo ZigBee suporta de forma opcional os serviços de segurança: criptografiados dados, autenticação de dispositivos e dados, proteção contra quadros repetidos.

A Figura 2.6, ilustra a Arquitetura da pilha de protocolos ZigBee, como as camadasse relacionam e quem é responsável por definir o padrão de cada camada (ZigBee 2015).

Figura 2.6: Esboço da arquitetura ZigBee e sua pilha de protocolos.Adaptado de (ZigBee 2015)


Camada de Rede ZigBee

A camada de rede (NWK) ZigBee é a primeira camada definida pela ZigBee Alli-ance. Ela oferece mecanismos para que um nó participe ou deixe uma rede, a descobertade novos dispositivos na vizinhança (i.e. cuja distância é um salto) e o armazenamento deinformação relativa aos mesmos; atribuição de endereços (apenas o dispositivo Coorde-nador) e segurança do quadro. Nessa camada estão presentes mecanismos de descobertade rotas, e encaminhamento da informação (roteamento) (ZigBee 2015).

A camada NWK atribui um endereço de rede com 16 bits para cada dispositivo darede e realiza a transmissão de um pacote de dados, para um único nó ou endereço darede (Unicast) ou para todos os nós da rede (Broadcast).

A camada de redes suporta as seguintes funções (ZigBee 2015):

• Descoberta da Rede;• Formação da Rede;• Permitir ou Desabilitar Associações;• Associação ou Desassociação;• Descoberta de Rotas;• Habilitar ou desabilitar o Estado do Receptor de Rádio;• Obter, definir, bloquear Dados de Gerenciamento da Rede;• Detectar e reportar interferências;• Receber relatórios de interferência de redes e alterar canais da rede.

Camada de Aplicação ZigBee

A camada de Aplicação (APL) ZigBee tem a função de assegurar uma correta gestãoe suporte para as diversas aplicações. Está dividida em três partes: Sub-Camada de Su-porte à Aplicação (APS - Application Support), o Objeto de Dispositivo ZigBee (ZDO- ZigBee Device Object) e o Framework para a camada de Aplicação (AF - ApplicationFramework). A Figura 2.6, ilustra a camada de aplicação e as partes que ela contêm.

A Sub-camada de Suporte a Aplicação (APS) fornece uma interface entre a camada derede (NWK) e a camada de aplicação (APL). Fornece serviços que são usados pelo ZDOe objetos de aplicativos definidos por fabricantes de dispositivos. Os serviços fornecidossão: manter as tabelas de roteamento, encaminhar mensagens entre dispositivos fim a fim,gerenciar e mapear endereços, dar suporte a realização do transporte de dados.

O Framework para a Camada de Aplicação (AF) é o ambiente que as aplicações sãohospedadas. Faz o controle e gerência dos protocolos das camadas no dispositivo ZigBee.As aplicações hospedadas são desenvolvidas por fabricantes que fazem a sua personaliza-ção para um dispositivo ZigBee.

O Objeto de Dispositivo ZigBee (ZDO - ZigBee Device Object) é a parte da APLresponsável por definir a função do dispositivo como: coordenador, roteador ou dispo-sitivo final dentro de uma rede ZigBee. O ZDO inicia ou responde as solicitações devinculação, descoberta, estabelecendo uma relação segura entre os dispositivos da rede(ZigBee 2015).


2.5.3 Topologias de uma Rede ZigBee.A camada de Rede (NWK) ZigBee tem suporte às topologias em Estrela (Star), Malha

(Mesh) e Árvore ou Hierárquica (Cluster Tree). Na topologia Estrela a rede é controladapor um único dispositivo chamado de ZigBee Coordenador. Todos os outros dispositivoschamados de dispositivos finais se conectam diretamente com o Coordenador. Na topo-logias em malha e árvore, o coordenador ZigBee é responsável por iniciar a rede paraescolher os parâmetros da rede, mas a rede pode ser estendida através de roteadores Zig-Bee. Nas redes em árvore, os roteadores transportam dados e mensagens de controle pelarede, utilizando uma estratégia de roteamento hierárquico. As redes em malha permite acomunicação ponto a ponto entre todos os nós da rede. Nessa topologia permite-se maisde uma rota entre dois nós, possibilitando que, em caso de falha, um pacote encontre outrocaminho para chegar ao seu destino. Cabe ao protocolo de roteamento selecionar a rotade menor custo.

A Figura 2.7 ilustra uma rede ZigBee com os seus componentes e diferentes topo-logias. Podemos observar na ilustração que é possível em uma rede com WPAN único,exista mais de uma topologia. Nessa ilustração, a rede em árvore ao se conectar a umamalha, configura-se como uma rede hierárquica (ZigBee Alliance 2017).

Figura 2.7: Topologia ZigBee e seus componentes.Adaptado de (ZigBee Alliance 2017)

Maiores detalhes sobre o padrão IEEE 802.15.4 e o protocolo de comunição ZigBeesão especificados em Heile et al. (2015) e ZigBee (2015), respectivamente.

2.5.4 Dispositivos ZigBee (XBee-PRO).Um dispositivo ZigBee é o hardware desenvolvido e pronto para uso. Dispositivos

ZigBee são módulos certificados por agências reguladores, por exemplo a Anatel (Agên-cia Nacional de Telecomunicações) no Brasil. Geralmente, os mesmos são alimentados


por baterias e possuem pinos de entrada e saída GPIOs (em inglês General Purpose In-put/Output) ou ADC (em inglês Analog-to-Digital Converter).

A Digi International Inc R©, (Digi 2017) é um fabricante de uma variedade de disposi-tivos ZigBee bastante utilizados chamados de XBeeTM. Os módulos variam em potênciade transmissão, alcance, consumo de energia, antenas e a capacidade de processamentono hardware do microcontrolador embarcado.

A linha de módulos Digi XBee-PRO R© 900HP S3B, (XBee PRO 2017), é desenvol-vida para longo alcance de conectividade entre os dispositivos na frequência de 900MHz.Segundo XBee PRO (2017), utilizando antenas de alto ganho, o alcance em ambienteaberto (Outdoor) pode chegar até a 14 km a um taxa de transmissão de 10 Kbps ou até6,5 km à 200 Kbps.

Os módulos XBee comunicam-se com um hospedeiro através de uma interface serial.Através de sua porta serial, o módulo pode comunicar-se com qualquer dispositivo quepossua uma interface UART (universal asynchronous receiver-transmitter) com lógica etensão compatível, por exemplo, através de uma placa de interface RS-232 ou USB, ouatravés de uma Interface Periférica Serial (SPI). Os módulos Xbee podem transmitir da-dos em modo (Full-Duplex), ou seja, o dispositivo Transmissor e outro Receptor podemtransmitir dados simultaneamente em ambos os sentidos (a transmissão é bidirecional).Existe três modos configuraveis de operação descritos como Transparent Mode, AT Com-mand Mode e API Mode, com capacidade manipular os pacotes de dados, repassandopara a camada de Rede (DigiMesh), ou enviando os pacotes diretamente para as camadasinferiores MAC e PHY (XBee-PRO 2016).

O Módulo XBee-PRO 900HP implementa em firmware várias camadas para ordenaro fluxo de dados, de acordo com a configuração de hardware e software escolhida pelousuário. A Figura 2.8, representa um diagrama de blocos do projeto operacional básico domódulo e as possíveis configurações. Observa-se na imagem, que a comunicação iniciana interface serial do host, que está conectada ao módulo XBee e finaliza na antena, quefaz a transmissão dos dados. O pacote interage com o bloco inferior da próxima camada,no qual, essas duas interfaces interagem. Por exemplo, se o módulo estiver conectadocom em uma interface SPI, o Modo Transparente não está disponível. O Apêndice A,descreve o processo de configuração dos módulos (XBee PRO 2017).

No diagrama de blocos da Figura 2.8, é possível observar que quando o módulo XBeenão está recebendo dados que foram enviados por outro nó, ele pode receber informa-ções do hospedeiro, através da interface serial UART ou SPI à que está conectado e essainformação é transmitida para outros nós da rede.

Modos de Operação

O módulo XBee, quando não transmite dados, está no Modo de Recepção. O módulopossui os seguintes modos de operação:

• Modo de Transmissão: os dados seriais recebidos por um buffer ficam disponíveispara serem empacotados pelo manipulador de pacotes;

• Modo Sleep: dispositivos finais quando não enviam ou recebem pacotes entram emmodo de hibernação para economizar energia;


Figura 2.8: As camadas e funções implementadas no firmware dos dispositivosXbee PRO 900HP. Figura adaptada de (XBee PRO 2017).

• Modo de Comando: Não transmite dados, espera uma sequência de comandos pararealizar alguma configuração no módulo. (Não disponível ao usar a porta SPI);

• Modo de Recepção (Receive Mode): se um pacote válido for recebido, os dadossão transferidos para o buffer de transmissão serial. Esse é o modo padrão para orádio XBee.

Quando um dado é recebido na entrada serial com o dispositivo em modo de transmis-são, o manipulador de pacotes faz o empacotamento dos dados e o módulo XBee tentarátransmiti-los. O endereço de destino determina quais os nós que recebem e enviam osdados.

No diagrama representado na Figura 2.9, a descoberta de rota aplica-se apenas àstransmissões DigiMesh. Os dados serão transmitidos uma vez que uma rota seja esta-belecida. Se a descoberta de rota não conseguir estabelecer um caminho, o pacote serádescartado (XBee PRO 2017).

Quando os dados DigiMesh são transmitidos de um nó para outro, uma confirmação(ACK) na camada de rede é transmitida de volta através da rota estabelecida para o nóde origem. O pacote de confirmação indica ao nó de origem que o pacote de dados foirecebido pelo nó de destino. Se uma confirmação de rede não for recebida, o nó de origemirá retransmitir os dados.

Endereçamento e entrega de pacotes

O endereçamento básico e os métodos de transmissão de pacotes dos dispositivosXBee-PRO 900HP são (XBee PRO 2017):

• Endereçamento de 64 bits: todo rádio possui um endereço baseado no padrãoIEEE com 64 bits de fábrica;


Figura 2.9: Diagrama com a sequência de transmissão de dados do dispositivo XBee.Figura 2.9, adaptado de (XBee PRO 2017).

• Transmissão Unicast: transmite dados para um rádio especifico;• Transmissão Broadcast: transmite dados para todos os rádios;• Método de entrega de pacotes (Delivery Method): os módulos suportam três mé-

todos:

– Ponto a Ponto ou Multiponto (Point to point or multipoint): esse modo deentrega não usa um cabeçalho de rede, apenas o cabeçalho MAC. Todas asmensagens são sempre enviadas diretamente para o destino. Não há repetiçãodo pacote por outros nós. A entrega é direta ao rádio de destino, que deveestar no alcance do rádio de envio.

– Repetidor (Repeater): são transmissões Broadcast que são repetidas por to-dos os roteadores na rede. Por padrão, nesse método, todo pacote é enviadoquatro vezes. Com isso todos os nós repetem a transmissão quatro vezes. Oparâmetro de configuração MT especifica o número de vezes que um pacotede transmissão é repetidamente transmitido. Isso adiciona redundância e podemelhorar a confiabilidade, mas o envio de transmissões Broadcast repetidasfrequentemente pode reduzir rapidamente a largura de banda da rede disponí-vel e, como tal, deve ser usado com moderação.

– DigiMesh Networking: esse é o método que implementa todas as funçõesda camada de rede com topologia em malha definidas no protocolo ZigBee,para transmissão de dados unicast ou broadcast. Na camada de rede Digi-Mesh, existem mensagens do tipo ACK e NACK para confirmar ou não orecebimento de pacotes com sucesso no seu destino. A rede de malha per-


mite que as mensagens sejam encaminhadas através de vários nós diferentespara um destino final. O firmware da DigiMesh permite que a rede encontrenovos caminhos ou rotas alternativas com a topologia em malha. No caso deuma conexão entre nós se perder (devido a perda de energia, obstruções am-bientais, etc.), os dados críticos ainda podem alcançar seu destino devido àscapacidades da rede de malha incorporadas nos módulos. É importante obser-var que, se for desativado o recebimento de ACKs na rede, a mesma não vaise rearranjar.

DigiMesh Networking

Quando a transmissão é realizada utilizando o método de entrega DigiMesh Unicast,a entrega de dados é confiável, sendo realizada através de um método com tentativas econfirmações. O número de tentativas de rede em malha é determinado pelo parâmetro deconfiguração MR (Mesh Network Requisitos). Os pacotes de dados são enviados até MR+ 1 vezes na rota de rede e ACKs (confirmações) são transmitidos pelo nó receptor apóso recebimento. Se um ACK de rede não for recebido dentro do tempo que levaria paraque um pacote percorra a rede duas vezes, ocorre uma retransmissão. Ao enviar dadosnesse método, endereços nas camadas MAC e NWK são utilizados para envio de pacotesde dados e confirmação de recebimento (XBee PRO 2017).

• Roteamento

Um módulo em uma rede em malha é capaz de determinar rotas confiáveis utilizandoum algoritmo e uma tabela de roteamento. O algoritmo de roteamento usa um métodoreativo derivado do AODV (Ad hoc on demand Distance Vector). Uma tabela de rotea-mento associativa é usada para mapear um endereço do nó de destino com seu próximosalto (o envio de uma mensagem para o próximo endereço é denominado salto). Ao enviaruma mensagem para endereço do próximo salto, a mensagem chegará ao seu destino ouserá encaminhada para um roteador intermediário que encaminhará a mensagem para odestino. Caso a mensagem seja para o endereço de Broadcast, essa sera transmitida paratodos os vizinhos. Todos os roteadores que recebem a mensagem retransmitirão a mensa-gem MT + 1 vezes e, eventualmente, a mensagem chegará a todos os nós da rede. Existeum método de rastreamento de pacotes para impedir que um nó reenvie uma mensagemde transmissão mais de MT + 1 vezes.

• Descoberta de Rotas - Router Discovery

Se o nó de origem não tiver uma rota para o destino solicitado, o pacote é enfilei-rado para aguardar o processo de descoberta de rota (RD). Esse processo também é usadoquando uma rota falha. Uma rota falha quando o nó de origem usa suas tentativas de redesem receber um ACK. Assim, o nó de origem inicia a RD. O processo de Descoberta deRota (RD) começa pelo nó fonte que transmite um pacote broadcast do tipo "solicitaçãode rota"(RREQ). Os nós intermediários2 podem rejeitar um pacote, sem envio de confir-mação do recebimento (drop um pacote) ou encaminhar um RREQ, dependendo se o novo

2Nó intermediário: Qualquer roteador que recebe um pacote RREQ e não é o destino final.


RREQ possui uma rota melhor para alcançar o nó de origem. Se assim for, a informaçãodo RREQ é salva e o RREQ é atualizado e transmitido em broadcast. Quando o destinofinal recebe o RREQ, ele envia um pacote unicast do tipo "resposta de rota"(RREP) devolta ao nó de origem ao longo do caminho do RREQ. Isso é feito independentementeda qualidade da rota e independentemente de quantas vezes um RREQ já foi recebido(XBee PRO 2017).

Esse processo permite que o nó de origem receba múltiplas respostas de rota. O nó deorigem seleciona a rota com a melhor qualidade de ida e volta, que usará para o pacoteque está na fila e para pacotes subseqüentes com o mesmo endereço de destino.

• Throughput

O throughput em uma rede DigiMesh pode variar de acordo com diversas variáveis,incluindo: número de saltos, criptografia habilitada ou desativada, dispositivos dormindo(Sleep Mode), falhas ou descobertas de rotas. Testes de desempenho devem ser realizadosem um ambiente operacional robusto e com baixa interferência, para assim obter melhorestaxas de envio de dados.

Capítulo 3

Estratégia de Varredura

Por questões de segurança, para cada lançamento de foguete balístico em direção aomar, de acordo com o seu alcance, determina-se um ponto de impacto previsto e é estabe-lecida uma área de exclusão aérea e marítima em torno do mesmo, dentro da qual existeuma probabilidade não insignificante do foguete vir a cair. Nesta seção são propostas duasestratégias diferentes para varredura da área de exclusão por meio de um sistema multiVANT, de forma que a área possa ser monitorada, ao mesmo tempo em que se minimize oconsumo energético das aeronaves e se garanta o estabelecimento de uma rede de comu-nicação confiável entre os diversos nós do sistema. Os nós da FANET nem sempre terãovisada direta, mas com uma rede multi saltos (Mesh), a informação poderá ser enviadacom segurança de um nó até outro chegando ao destino final.

No estabelecimento da estratégia de varredura da área deve-se levar em conta aspec-tos relacionados ao propósito da varredura. Por exemplo, um requisito pode ser capturarimagens aéreas da área completa, de forma que a abertura da câmera, a altura e a velo-cidade do voo são parâmetros relevantes no planejamento da rota a ser seguida. Alémdesses aspectos, inerentes à tarefa a ser executada, também aspectos importantes relati-vos aos recursos necessários para executar a missão devem ser levados em conta (Guptaet al. 2015). Dessa maneira, uma boa estratégia deve procurar definir rotas que mini-mizem o consumo de energia, para garantir mais autonomia, assim como manter as ae-ronaves suficientemente próximas para garantir links de comunicação de boa qualidade,minimizando a probabilidade de ocorrência de falhas (Silva, Monteiro, Alsina, Medeiros,Silveira, Nogueira, Albuquerque e Dantas 2016a).

Na aplicação proposta neste trabalho de acordo com as diretrizes do projeto, a áreapode abranger desde alguns poucos até algumas centenas de quilômetros quadrados e,dependendo do alcance dos foguetes lançados, essa área pode estar centrada a poucosquilômetros do litoral até mais de cem quilômetros da linha costeira. Dentro desse con-texto, a esquadrilha de VANTs necessária para fazer a varredura dessa área deve ser cons-tituída por uns poucos VANTs, com autonomia de no mínimo 8 horas de voo e com pelomenos uma das aeronaves dotada de link de comunicação confiável, com boa largura debanda, que alcance a estação de controle até os limites extremos da área a ser monitorada(Tavares et al. 2013).

28 CAPÍTULO 3. ESTRATÉGIA DE VARREDURA

3.1 Estratégias de Varredura da área de impactoQuando a área a ser varrida é pequena, um único VANT pode ser suficiente para rea-

lizar o procedimento de varredura. Nesse caso, duas estratégias simples são encontradasna literatura: varredura em espiral e varredura vai e volta. No método de varredura emespiral (Öst 2012), a missão tem início no perímetro externo da área e, a seguir, o VANTexecuta uma trajetória de formato em espiral, até chegar ao centro da mesma, conformemostra a Figura 3.1a). Levando em consideração que o centro da área é a região commaior possibilidade de impacto, a rota pode ser também alterada para iniciar do centropara o perímetro externo da área a ser analisada (Tavares et al. 2013).

Figura 3.1: Varredura em espiral. a) Representação esquemática. b) Varredura em espiralda área monitorada. Adaptado de (Tavares et al. 2013)

Outro método de varredura é o vai e volta (Back and Forth Method) (Öst 2012). AFigura 3.2 mostra o trajeto, onde, quando completar uma linha, o VANT deverá fazer umamanobra, voltando no caminho no sentido inverso.

Figura 3.2: Rota com varredura vai e volta.Adaptado de (Tavares et al. 2013)

3.2. ESTRATÉGIA DE VARREDURA SEM DECOMPOSIÇÃO DA ÁREA 29

3.2 Estratégia de Varredura sem decomposição da áreaNeste trabalho, propõe-se que os VANTs voem em formação, lado a lado, varrendo a

área paralelamente, conforme ilustrado na Figura 3.3. Sem decompor a área cada VANTmantem-se equidistante a duas outras aeronaves. Dessa forma, é possível estabelecer umarede de comunicação em que cada nó da mesma (VANT), tenha garantia de redundâncianos links de comunicação entre as aeronaves. Periodicamente é capturado um mosaico deimagens de uma área de largura aproximada à da área coberta pela câmera de um únicoVANT vezes o número de VANTs da formação, descontando uma faixa de superposi-ção das imagens capturadas por VANTs vizinhos, a qual é estipulada para garantir quenenhuma região deixará de ser fotografada. Assim, nessa estratégia de varredura, a dis-tância entre os VANTs é determinada de forma a garantir a superposição de imagens, oque depende da abertura da câmera e da altura do voo.

Com os nós próximos, nessa formação, a disponibilidade de links redundantes é favo-recida, pois tipicamente a distância máxima entre os VANTs para garantir a superposiçãode imagens é menor do que o alcance máximo dos sistemas de transmissão embarcados.Sendo assim, essa estratégia de varredura tende a garantir uma comunicação mais con-fiável (Silva, Alsina, Medeiros, Silveiras, Nogueira, Albuquerque e Dantas 2016). Paravarrer a área completa, a formação pode seguir um padrão em espiral ou vai e volta.

Figura 3.3: Formação da esquadrilha para varredura de área, gerando um mosaico decaptura de imagens

Aplicando o algoritmo de varredura em espiral descrito por Öst (2012) e modificadopor Petruševski et al. (2010) o mesmo pode ser adaptado para que os VANTs tenham umaformação conjunta e fiquem todos próximos. Em uma formação com velocidade cons-tante, devido à diferença nos percursos, os nós terminam a missão em tempos distintos, e


isso pode ocasionar a possível perda de link de comunicação entre os nós.Uma alternativa a essa estratégia é, em lugar da formação seguir um padrão em espiral,

adotar um padrão de varredura vai e volta. Nesse método, como as inversões de direçãoocorrem, ora para um lado, ora para o outro, em uma das inversões as aeronaves que farãoa curva mais externa estarão de um lado da formação e na inversão seguinte serão as dooutro lado, compensando os atrasos diferentes e, em média, garantindo percursos de com-primentos semelhantes para todos os VANTs. Isto facilita a manutenção da formação e aestabilidade dos links de comunicação entre os VANTs. A Figura 3.4 ilustra a varredurade área total por uma formação de VANTs seguindo o padrão espiral e o padrão vai e volta(Silva, Alsina, Medeiros, Silveiras, Nogueira, Albuquerque e Dantas 2016).

Figura 3.4: Estratégia de Varredura sem decomposição da área, seguindo padrão em espi-ral e padrão vai e volta

Ao adotar o padrão vai e volta ou o espiral, deve-se observar o raio da curva que aaeronave vai realizar de acordo com o mosaico de captura de imagens, pois no padrãovai e volta, geralmente as curvas para alterar a direção podem exigir movimentos maiscomplexos em relação ao padrão em espiral, pois nele, o VANT mantém uma raio decurva maior e sempre na mesma direção (Silva, Alsina, Medeiros, Silveiras, Nogueira,Albuquerque e Dantas 2016).

Varrer toda a área mantendo os VANTs em formação fixa é útil em casos onde avelocidade de processamento e o tempo de varredura são os principais fatores a seremconsiderados. Nesse caso, deve existir pelo menos um VANT com potência de trans-missão suficiente para manter um link de comunicação confiável com a estação base decontrole ao longo de toda a área monitorada. Além disso, esse link deve garantir bandasuficiente para intermediar a comunicação de todos os outros VANTs com a estação decontrole. Assim a rede pode ser construída, utilizando um nó que possua maior alcancede comunicação, o qual funciona como um hub para os nós vizinhos, dotados de potênciamenor e que se comunicam com a estação de controle por intermédio desse hub. Na fa-lha de um nó, os vizinhos devem aproximar-se, reconfigurando a formação. Caso apenasuma aeronave funcionar como hub, a sua falha pode provocar o colapso do sistema comoum todo, de forma que é recomendável dispor de mais de um, garantindo redundânciaem caso de falha. Uma estratégia para aumentar o alcance do sistema é estabelecer um

3.3. ESTRATÉGIA DE VARREDURA COM DECOMPOSIÇÃO DA ÁREA 31

padrão de formação onde o hub seja o nó mais próximo à estação base de controle e osoutros possam se afastar além do alcance máximo entre a estação de controle e hub, masmantendo uma rede de comunicação estável com esse último (Silva, Alsina, Medeiros,Silveiras, Nogueira, Albuquerque e Dantas 2016).

3.3 Estratégia de Varredura com decomposição da áreaQuando a comunicação entre a estação base e o ultimo nó da rede fica comprometido

devido à distância, outra solução que pode ser adotada é dividir a área a ser monitoradaem subáreas, atribuindo a varredura de cada uma delas a um único VANT, estabelecendouma rede Mesh, entre as aeronaves da esquadrilha, de forma que e a informação sejatransportada de nó em nó até chegar à estação base de controle. A Figura 3.5 ilustraessa abordagem, com a área decomposta em quatro subáreas, com um VANT em cada, oque permite que o alcance do sistema seja ampliado (Silva, Alsina, Medeiros, Silveiras,Nogueira, Albuquerque e Dantas 2016).

Figura 3.5: Área decomposta em 4 subáreas e varredura vai e volta

Com uma formação varrendo subáreas de mesmo tamanho, os aviões, mesmo dis-tantes, podem ser coordenados em uma formação de voo síncrona. O tamanho de cadasubárea deve permitir que as aeronaves tenham capacidade de comunicação com aerona-ves em outras áreas vizinhas.

Um fator importante na aplicação abordada é que não existem obstáculos na área a sermonitorada, uma vez que o voo é sobre o mar, facilitando o planejamento da rota. Masse um nó falhar, áreas já monitoradas não devem ser visitadas novamente. Em caso defalha de um nó, o método proposto por Assi Marro e Garcia Goncalves (2013) pode ser


adotado para subdividir a área ainda não monitorada em novas subáreas, considerando oque já foi monitorado, mas deve-se dispor de um algoritmo de roteamento que seja capazde encaminhar pacotes de dados entre todos os VANTs da esquadrilha e a estação base decontrole de forma confiável e garantindo os requisitos de comunicação estabelecidos. Avantagem da divisão em subáreas é que o alcance da área a ser monitorada é maximizadocom a formação de uma rede Mesh. O problema para esse cenário é definir a distânciaideal entre os nós (Silva, Alsina, Medeiros, Silveiras, Nogueira, Albuquerque e Dantas2016).

3.4 Análise comparativa entre as estratégias de varre-dura

A fim de definir a melhor estratégia de varredura que garanta a cobertura da área deimpacto em tempo hábil, assegurando ao mesmo tempo uma comunicação confiável ede qualidade entre a esquadrilha e a estação base de controle, serão comparadas as duasestratégias propostas. A comparação é sumarizada na Tabela 3.1.

Para as duas estratégias, o tempo de varredura de uma área é proporcional à quantidadede VANTs utilizados. O tamanho máximo da área a ser monitorada, quando a mesma nãoé subdividida, é restrito pelo alcance de transmissão do VANT utilizado como hub, maisa distância das aeronaves definida pelo sistema de captura de imagens.

Quando a área não é subdividida, o sistema depende de pelo menos um link dedicadoe robusto entre a estação base de controle e o VANT que funcionará como hub e envia osdados para a mesma. Nesse esquema, a comunicação dos VANTs restantes com a estaçãode controle é intermediada pelo VANT hub. Para uma comunicação confiável, o ideal éque os outros VANTs se comuniquem com o hub através de uma rede configurada em umatopologia estrela coordenada pelo hub. Alternativamente, quando a área é subdividida, otamanho da área a ser varrida pode ser maior, sendo esse definido pela soma das distânciasdo raio de alcance de transmissão de cada nó. Assim a informação pode ser roteada deaeronaves distantes até a estação base de controle adotando uma topologia de rede mesh.O dado é enviado de nó em nó até chegar ao destino final.

Na estratégia de varredura sem subdivisão da área, com os nós próximos, o tempo parareorganizar a rede se torna menor, quando ocorrer a falha de um nó, bastando reconfigurara formação. Como os nós estão próximos, o gasto de energia envolvido na transmissãode sinais é menor, pois menos potência é requerida, podendo até aumentar a capacidadeda banda para transmissão de dados. Na estratégia em que a área é subdividida, como osnós estão mais distantes, em caso de falha de um deles, a área remanescente ainda nãomonitorada deve ser subdividida novamente entre os nós restantes. Além disso, devidoà distância entre os nós, uma maior potência de transmissão deve ser disponibilizada atodos os VANTs.

Considerando o comportamento da rede para cada estratégia proposta, assim comoas características especificas da aplicação abordada, onde poucos nós são disponíveis,adotou-se estudar uma estratégia de varredura sem subdivisão da área a ser monitorada,pelo menos em um primeiro momento. Isso se deve ao pequeno número de VANTs dis-

3.4. ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS ESTRATÉGIAS DE VARREDURA 33

CaracterísticaFormação FANET,Sem subdivisão de

área

Formação FANET,Com subdivisão de

área

FormaçãoNós próximos, em funçãoda abertura da câmera.

Nós distantes, em funçãodo alcance do radio.

Tempo para varredura daárea

Proporcional à quantidadede nós.

Proporcional à quantidadede nós.

Tamanho da área monito-rada

Limitada pelo alcance derádio do VANT hub.

Pode ser estendida comVANTs fora do alcanceatravés de rede Mesh.

Tipo de comunicação / Ro-teamento

Estrela ou Mesh, poucamodificação de design.

Mesh.

Topologia da Rede entreVANTs (nós)

Estrela ou Mesh Mesh

Topologia da Rede entreVANTs e Estação Base

Estrela, necessário um nóhub com capacidade de co-municar em toda a áreacom a Estação Base.

Mesh, maior capacidadede alcance de comunicaçãofim a fim.

Distância entre nós Curta distância. Longa distância.Tempo de Interrupção nafalha do nó

Baixo Alto

Reorganização em caso defalha do nó

Pouco custo operacionalindependente de método devarredura.

Médio no método vai evolta e alto no método es-piral.

Consumo de EnergiaBaixo nos dispositivos fi-nais.

Médio / Alto nos Roteado-res e coordenadores

Tipo de NósPara Estrela: 1 ou 2 Coor-denadores, 1 roteador e orestante dispositivo final.

1 ou 2 coordenadores o res-tante Roteadores.

Aplicação

O importante é o tempo devarredura. Precisa de umnó com maior capacidadede transmissão e processa-mento.

Áreas de varredura maio-res. Os nós têm a mesmacapacidade de transmissãoe roteamento.

Tabela 3.1: Característica da rede de comunicação do sistema multi VANT para as duasestratégias de varredura propostas


poníveis, um dos quais com um sistema de comunicação robusto e de longo alcance.Com base na estratégia escolhida, foi possível elaborar um plano de testes experimentaise estabelecer métricas para medir consumo de energia e parâmetros de rede, tais comointensidade do sinal (RSSI – Radio Signal Strength Indicator), latência, taxa de transfe-rência, taxa de perda de pacotes, jitter e overhead, para analisar o desempenho da redede comunicações, bem como a sua confiabilidade e capacidade de reorganização quandoocorrer a adição ou remoção de nós.

No presente trabalho os testes foram executados com uma formação da esquadrilhasem a decomposição da área. Após a consolidação do sistema Multi VANT, poderá adotarum esquema onde se possa maximizar a área de varredura, sendo necessário decompor aárea de varredura aumentando a distância entre os nós. Nesse cenário a qualidade do sinale consumo de bateria passam a receber maior preocupação, principalmente sobre o mar,região ruidosa onde a transmissão do sinal sofre interferência, aumentando as taxas deerros, gerando retransmissão de mensagens e desperdício de energia (Tavares et al. 2013).

Capítulo 4

Sistema Proposto

De acordo com as considerações feitas nas seções anteriores, a rede de comunica-ção deve ser constituída por um número de aeronaves (ou nós) proporcional ao tamanhoda área a ser varrida. Neste trabalho foi implementada a estratégia de varredura de áreaem que a mesma não é subdividida. Posteriormente, poderão ser realizados testes ado-tando uma estratégia com a subdivisão da área, que permitirá cobrir áreas maiores, maso presente trabalho não realiza. Em ambas as estratégias, os nós têm comportamento devoo coordenado, executando rotas similares e a velocidade praticamente constante, sendopossível determinar pontos futuros e prever o comportamento da rede. Os Algoritmosde roteamento determinístico são baseados na formulação de um modelo dependente dotempo. Assim, com a primeira estratégia de varredura proposta é possível definir umplano de voo que minimize a distância entre os nós da rede para evitar problemas deperda de sinal e utilizar técnicas otimizadas de entrega de pacotes fim-a-fim, com pacotesunicast. A Figura 4.1 mostra a arquitetura de hardware, software e comunicação para arede de comunicação Multi VANTs, detalhada a seguir.

Figura 4.1: Arquitetura do Sistema Multi VANT

Para os primeiros testes foi adotado um plano de voo com todos os nós próximos,em formação, fazendo a varredura em conjunto da área completa seguindo um padrão emespiral (como serão utilizadas poucas aeronaves, não é grande a diferença do trajeto entreo VANT mais externo e o mais interno da espiral). O voo em formação compacta tende aaumentar a segurança no transporte de dados, diminuir a perda de sinal e proporcionar um

36 CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO

bom desempenho, com menor consumo de recursos, para que a informação seja transmi-tida até a estação base de controle a partir do VANT hub que deverá possuir capacidadede transmitir dados entre a esquadrilha e a mesma.

4.1 Arquitetura da RedeDe acordo com a estratégia de varredura adotada e os requisitos de comunicação

da esquadrilha, foi escolhido o dispositivo fabricado pela Digi International Inc R© (Digi2017), da linha XBee-PRO R© 900HP S3B, modelo "XBee-PRO 900HP (S3B) DigiMesh,905/920MHz, 250mW, Wire Antenna, 200Kbps (Brazil)", homologado pela ANATEL,mostrado na Figura 4.2. Nesse modelo, a antena é um fio (em inglês Wire) acopladoao dispositivo. Esse modelo utiliza o padrão para roteamento e comunicação dos dadosZigBee e IEEE 802.15.4, desenvolvido pela Alliance ZigBee em conjunto com o IEEE(Institute of Electrical na Eletronics Enginners) (XBee PRO 2017).

Figura 4.2: XBee-PRO 900HP (S3B) DigiMesh, Wire Antenna, 200Kbps (Brazil).Adaptado de (XBee PRO 2017)

4.2 Arquitetura de HardwareA rede do sistema multi VANT proposta foi fisicamente construída com base em mó-

dulos Xbee Pro R© 900HP S3B, conectados a microcomputadores do tipo Raspberry Pi(RaspberryORG 2017) com Sistema Operacional Raspbian Linux (RaspbianORG 2017).Como os VANTs de asa fixa, modelo Penguin B UAV que serão utilizados no projeto nãoestão operacionais, nos testes da arquitetura de Rede os dispositivos foram embarcadosem veículos aéreos quadrirrotor, equipados com GPS e placa controladora de piloto au-tomático. Os módulos Xbee utilizados possuem alcance de até 6,5 km a uma de taxa detransmissão de 200 Kbps para o transporte de dados em uma rede Zigbee com 2050 mWde potência e baixo consumo de energia. A Estação Base é um Servidor executando emum Computador Pessoal, este nó da rede simula o hub da esquadrilha que possui maiorcapacidade de processamento e transmissão de dados e envia dados da esquadrilha paraa estação de controle que ficará na CLBI. Outra característica que deve ser observada é

4.3. ARQUITETURA DE SOFTWARE 37

que o local dos testes não é o local definitivo onde acontecerão os lançamentos dentro doCLBI.

Na Figura 4.3 é possível observar Um VANT quadrirrotor com Módulo Xbee, antenaWire, um microcomputador Raspberry PI com Módulo Xbee e antena de longo alcance, aEstação Base com software para Gerência de rede e o módulo Xbee, antena Wire (Souza2017).

Figura 4.3: Dispositivos utilizados para os testes da Arquitetura de HardwareAdaptado de (Souza 2017)

4.3 Arquitetura de SoftwareNo sistema operacional há suporte ao protocolo de gerenciamento de redes SNMP e o

software X-CTU R© (XCTU 2017) para testes de performance, assim como uma aplicaçãodesenvolvida na linguagem de programação de alto nível Phyton, utilizando o modelocliente servidor para troca de mensagens de controle da área monitorada e envio de dadosde telemetria e imagens. A aplicação desenvolvida é um programa monitor para a trocade mensagens e coleta de dados que serão armazenados em banco de dados. Três tipos demensagens são utilizadas: 01 - controle, 02 - dados e 03 - confirmação.

O lado cliente da aplicação fica instalado no sistema operacional embarcado em cadaVANT da esquadrilha. Ao receber informações do subsistema de processamento de ima-gens, é feita a codificação dos dados executando ações como coletar hora, localização,controle de envio, imagem (se for mensagem de dados). Assim, são preparadas as men-sagens de controle ou dados para serem enviadas à porta serial que está conectada aodispositivo XBee. Dessa maneira é feito o controle de mensagens com o preenchimentodos campos de cabeçalho, e após o seu envio, aguarda-se o recebimento ou retorno dasmensagens de confirmação. Quando uma mensagem é encaminhada por um nó interme-diário na rede em malha, o controle do salto para o próximo nó é feito pela camada derede do dispositivo XBee.

O lado servidor da aplicação fica na Estação Base e faz a decodificação das infor-mações nas mensagens de controle recebidas. É montado um mapa da área já varridaatravés das localizações recebidas pelo cliente e informa se foi localizado algum barco.


O servidor recebe mensagem de dados com partes da imagem, fazendo a remontagem e,ao final, disponibiliza a imagem recebida. O servidor envia mensagens de retorno com aconfirmação das partes recebidas da imagem de modo que o cliente não reenvie dados. Oservidor armazena as informações em um banco de dados, para consulta.

A seguir, é descrito o formato das mensagens transmitidas pela aplicação de transportede dados.

Mensagem de Controle

As mensagens de controle contêm informações de comando e telemetria dos VANTs,sendo essas enviadas periodicamente, a cada três segundos para a Estação Base. A quan-tidade de mensagens ou pacotes de Controle pode ser pré-definida em função da áreaque será monitorada. Assim é possível saber a quantidade de pacotes que deverá chegarao destino e todas tem o mesmo formato e tamanho. A mensagem contêm as informa-ções com os campos para: ID, Tipo de mensagem, Número do Nó, Número do pacote,Hora do envio, Localização atual, Localização de alvos encontrados, Quantidade de alvosencontrados. A Figura 4.4a) mostra o formato da mensagem de controle.

O objetivo dessa mensagem é informar ao operador, que está na estação de controle,a área que já foi monitorada pela esquadrilha e se algum nó encontrou um alvo, incluindoa localização do mesmo. O campo "Localização de alvos encontrados"é acumulativo. Omesmo envia a localização do alvo encontrando e a localização do alvo anterior encon-trado. Assim, quando o sistema de processamento de imagens detecta um possível alvo,as duas últimas coordenadas geográficas permanecem nos pacotes subsequentes, de talmaneira que, se por algum motivo o pacote for perdido, os próximos pacotes tambémenviam a informação com a localização do alvo encontrado. Para que as mensagens decontrole tenham o mesmo tamanho, os campos podem ser preenchidos com zeros, casoainda não tenha encontrado alguma embarcação.

Exemplo de uma mensagem de controle, onde a vírgula indica o fim de um campo e oponto e vírgula o final do pacote: "001, 01, 04, 001, 15:23:02, -05.9214470/-35.1444054,-05.9214470,-35.1444134, -00.0000000/-00.0000000, 01;". Essa mensagem significa queo pacote com ID 001, Mensagem do tipo 01 de controle, Nó da Rede numero 04, Pacoteenviado 001 (primeiro envio), enviado às 15 horas, 23 minutos e 02 segundos, na locali-zação Geográfica -05.9214470/-35.1444054, encontrou uma embarcação na coordenada-05.9214470,-35.1444134, e o total de alvos detectados é igual a um. Com essa informa-ção, um alerta aparece para o operador localizado na estação base de controle, que deveraconfirmar o alvo tomando as devidas precauções.

Mensagem de Dados

As mensagens de dados são usadas para transmitir imagens, informações de localiza-ção e outras informações obtidas quando um barco é detectado. A mensagem de dados sóé enviada quando é encontrado algum alvo. O subsistema de processamento de imagensdisponibiliza para envio a imagem inteira ou o recorte com o alvo. A imagem pode sercompactada em micro imagens ou então, dependendo do cenário, a aplicação vai dividira mensagem para que não ocorra a sua fragmentação. Ou seja, a aplicação é quem realiza

4.3. ARQUITETURA DE SOFTWARE 39

a fragmentação das mensagens, não sendo essa ação responsabilidade das camadas infe-riores como a camada de rede ou física. Como a PDU possui 256 bytes, a aplicação faz adivisão da mensagem, calcula a quantidade de pacotes que serão enviados, considerandoos campos de cabeçalho e os dados referente a imagem. A imagem é convertida paraum vetor utilizando a Biblioteca OpenCV (Open Source Computer Vision Library) paraPython. A mensagem de dados contêm as informações com os campos para: ID, Tipo demensagem, Número do Nó, Número do pacote, Quantidade de pacotes, Hora do envio,Localização do Alvo encontrado, Vetor com imagem do alvo encontrado. A Figura 4.4b)mostra o formato da mensagem de dados. Exemplo de uma mensagem de dados, ondea vírgula indica o fim de um campo e o ponto e vírgula o final do pacote: "001, 02, 04,001, 500, 15:23:03, -05.9214470,-35.1444134,101010101010101010101...(Até comple-tar 256 bytes);". Os dados com informações de localização tem um overhead de 52 bytes,restando para o vetor com as partes da imagem do alvo encontrado 204 bytes. Comoo sistema de processamento de imagens utiliza imagens de aproximadamente 100 Kby-tes, quando envia uma imagem completa, será necessário o envio de aproximadamente500 pacotes de dados para transmitir a mesma. Este número pode ser reduzido caso sejaenviada apenas a parte da imagem que contem a embarcação.

Mensagem de Confirmação

As mensagens de confirmação transmitem a resposta do recebimento de mensagensde dados. A mensagem de confirmação é o ACK enviado pelo receptor ao transmissor.A mensagem de confirmação envia apenas a confirmação do ultimo pacote de dados re-cebido. Por exemplo, ao receber as mensagens de dados de 001 até 005, a confirmaçãoenviada sera apenas com o ID 005, e ao receber a confirmação do pacote 005, o emissoridentifica que todos os pacotes até o ID foram recebidos na Estação Base. A mensagemde confirmação contêm as informações com os campos para: ID da última mensagemrecebida, Tipo, Identificação do Nó. A Figura 4.4c) mostra o formato da mensagem deconfirmação. Exemplo de uma mensagem de confirmação, onde a vírgula indica o fim deum campo e o ponto e vírgula o final do pacote: "005, 03, 04;". Essa mensagem significaque a Estação Base está enviando para o nó 04 da rede a confirmação que recebeu até opacote 005.

Mensagens de controle e confirmação são mensagens pequenas, sendo necessário umpacote para cada mensagem. As mensagens de dados contêm uma imagem, sendo essasmaiores que a PDU1 (Protocol Data Unit) suportada para envio de um pacote em redesZigBee. No projeto, as imagens utilizadas pelo sistema de processamento de imagens temem média 100 Kbytes. Assim, para o envio de uma imagem será necessário a transmissãode diversos pacotes para que a mesma possa ser transmitida.

Com a intermitência de uma rede sem fio sobre o mar e sem um controle de trans-missão e remontagem de dados, podem ocorrer retransmissões de pacotes devido a falhade um pacote em um bloco de mensagens a ser enviado. O excesso de tentativas e re-transmissões compromete a capacidade energética de todos os nós. Do mesmo modo, a

1PDU: (Segundo fabricante o tamanho da PDU é até 256 bytes sem criptografia, sendo a variação dessetamanho de acordo com a configuração utilizada) (XBee-PRO 2016).


Figura 4.4: Formato das mensagens de Controle, dados e confirmação do sistema propostoque realiza a troca de mensagens na FANET

utilização de um código que tenha a capacidade de detecção e correção de erros (FEC),quando não há necessidade, resulta no aumento consumo de energia para transmitir bitsde paridade. Sendo assim, uma possível solução pode ser desenvolver um sistema adapta-tivo de detecção e correção de erros, no qual esse sistema teria a capacidade de aumentarou diminuir a taxa de correção de erros, de acordo com a qualidade da transmissão e ataxa de erros. Outra solução pode ser utilizar técnicas interpixel para reconstrução deimagens. A imagem é reconstruída com os pacotes recebidos, sem os pacotes perdidos.Em um sistema em que a taxa de erros e a retransmissão de pacotes é muito alta, pode atéser mais vantajoso que a aeronave volte para a base com a imagem e localização do alvoe os nós se organizarem em nova formação. Essa alternativa deve ser adotada em últimocaso, após esgotar tentativas de retransmissão e correção de erros, ou quando a bateriaesteja em um nível crítico.

Capítulo 5

Protocolo de Testes

Para validar os dispositivos da arquitetura de rede proposta no Capítulo 4, foi de-senvolvido um protocolo de testes para análise de desempenho da rede no sistema multiVANTs a ser aplicada em uma formação sem decomposição de área, conforme descritona Sessão 3.2. Este capítulo apresenta a estrutura de hardware montada para que se possasimular o funcionamento da rede em malha e realizar os experimentos avaliando o desem-penho.

5.1 Testes da Rede Sem Decomposição de Área

Para avaliar a arquitetura de rede proposta para o sistema multi VANT, a mesma foiimplementada usando uma esquadrilha de helicópteros quadrirrotores, nos quais foi em-barcada a arquitetura de hardware para avaliar o desempenho da rede. Nos testes iniciais,foi adotada a estratégia de varredura em espiral sem subdivisão da área monitorada e comvelocidade de voo constante. Nesse caso, os VANTs voaram em formação compacta, con-forme descrito na seção 3.2, de forma a que a distância entre os nós foi definida de acordocom os requisitos do projeto SPACEVANT, que determinam parâmetros como altura dovoo e abertura da câmera e a sobreposição da área de captura de imagem do nó vizinho(Silva et al. 2015).

Para a estratégia de varredura adotada, foi analisado até qual distância de afastamentoos nós têm uma comunicação confiável e o tempo para reorganização da rede em caso deperda de um nó. A troca de mensagens entre a estação base e os nós, se deu por intermédiode um único nó eleito como Coordenador ZigBee em uma rede ponto a ponto. Nos outrosVANTs, os módulos XBee são configurados como Roteadores ZigBee, formando umarede em malha(Mesh) para enviar dados até o nó Coordenador, o qual foi responsávelpor encaminhar as mensagens da esquadrilha para a Estação Base e vice-versa. Os nósfolhas, foram configurados como dispositivo finais ZigBee. O objetivo foi a avaliação dodesempenho da rede através de testes de transmissão de dados, assim como o consumode energia de cada VANT. O teste foi realizado em menor escala. No cenário adotadoexiste uma estação base, constituída por um Notebook conectado a um módulo XBeeidêntico aos que são embarcados nos quadrirrotores. Assim, considerando uma estratégiade varredura sem decomposição de área, este nó da rede desempenha a função do nóhub coordenador da rede, (aeronave com suficiente capacidade de transmissão de longo

42 CAPÍTULO 5. PROTOCOLO DE TESTES

alcance), a partir do qual é intermediada a comunicação de dados entre a FANET e ocentro de controle do CLBI em terra firme.

Foi avaliado o desempenho com base nos seguintes itens:

• Largura de banda;• Perda de pacotes;• RSSI e potência do sinal;• Tempo de envio dos dados;• Tempo de recomposição da rede na falha do nó;• Consumo de energia.

5.2 Arquitetura de rede dos TestesPara avaliar o desempenho da rede proposta para o sistema multi VANT, foi montado

o protótipo da FANET, com os dispositivos Xbee conectados em módulos Xbee ExplorerUSB Adapter. Para configurar o XBee Setting, O módulo XBee Explorer foi conectadoatravés de um cabo USB mini a um computador que possui suporte ao software X-CTU R©.Após a configuração, o módulo XBee Explorer foi conectado a um módulo de bateria.Com essa configuração é possível realizar o envio e recebimento de pacotes. O ApêndiceA, apresenta de forma detalhada, como montar o protótipo e realizar as configuraçõesnecessárias, para os testes com o software X-CTU R©.

A FANET foi implementada utilizando uma esquadrilha de helicópteros quadrirroto-res. Os componentes utilizados estão descritos abaixo :

• Helicópteros quadrirrotores (Ltda e Dji 2017):Marca: DJI R© (Dà-Jiang Innovations Science and Technology Co., Ltd),Serie: Drones Dji Phantom 3,Modelo: Standard,Autonomia de vôo: até 30 minutos,Distância: alcance até 1000 metros da Estação Base;Velocidade: até 16 m/sGPS embutido no modelo;

Estas aeronaves são controladas utilizando um controle remoto, um smartphone, no qualestá instalado o aplicativo DJI Go, que dá suporte visual para operação das aeronaves.Parâmetros como altitude de voo, velocidade, navegação vertical e horizontal, nível debateria, distância entre a aeronave e o operador, entre outros, são de fácil acesso e controlepara o seu operador.

• Rádios de transmissão (XBee-PRO 2016):Marca: Digi International Inc R©,serie: XBee-PRO 900HP (S3B),Modelo: DigiMesh, 905/920MHz, 250mW, Wire Antenna, 200Kbps (Brazil),Velocidade de transmissão: até 200 Kbps,Baud Rate: de 9600 até 230400 bps,

5.2. ARQUITETURA DE REDE DOS TESTES 43

Alcance: até 6,5 km,Potência de transmissão: até 24 dBm (250 mW),Sensibilidade de recepção: até -101 dBm @200 Kbps,Corrente de transmissão: 215 mA,Corrente de recepção: 29 mA,Corrente em sleep: 2,5 uA,Antena: Embutida (Wire) um fio,Dimensão: 3,66 cm3,Peso: 8 gramas;Suporte ao modos Coordenador, Roteador e Dispositivo Final,

• Módulos Xbee Explorer USB Adapter:Marca: FTDI Chip (Future Tecnology Devices International Ltd.),Tipo: Funduino,Tensão de Operação: +5V (USB Power),Suporte a configuração e transmissão de dados dos módulos Xbee;

O módulo é um adaptador USB para base serial para a linha de produtos Digi R© Xbee.É utilizado para programação e configuração de parâmetros do módulos Digi R© Xbee. AFigura 5.1 ilustra um Xbee Explorer.

Figura 5.1: Xbee Explorer USB Adapter

• Módulos de Energia (Power Bank):Modelo: Power Bank,Capacidade da Bateria: 2600 mAhTensão de Saída: +5V DC 1A(USB Power),Dimensão 96 x 24,2 x 23 mm,Peso: 70 gramas;

• Cabo USB.

Para a Estação Base (NC) foi utilizando um notebook e foram utilizados os compo-nentes descritos abaixo :


• Notebook Dell R©, Processador Core i3,Sistema Operacional Microsoft Windows 10 R©,Software X-CTU R©;

• Cabo USB;• Módulos Xbee Explorer USB Adapter;• Rádio de transmissão: XBee-PRO 900HP (S3B).

Nos testes iniciais, foram analisadas latência, taxa de transferência, taxa de pacotes epotencia do sinal, para que então se pudesse determinar até qual a distância de afastamentoos nós têm uma comunicação confiável e o tempo para reorganização da rede em casode perda do nó hub roteador. A Estação Base (NC) foi configurada como CoordenadorZigBee. Os nós da FANET foram configurados como nós Roteadores ZigBee (hub) ouDispositivo Final (ED) de acordo com a sua função na rede. A troca de mensagens entrea Estação Base (NC), e os nós da FANET, se deu por intermédio de um único nó (hub),em uma rede ponto a ponto e um nó (hub) backup para o caso de falha do outro roteador.Os módulos XBee configurados como Roteadores ZigBee formam uma rede Mesh paraenviar dados até o nó Coordenador. Os nós Roteadores são responsáveis por encaminharas mensagens da esquadrilha para a Estação Base (NC) e vice-versa. Os nós configuradoscomo dispositivo finais ZigBee enviam pacotes para os hubs. O objetivo foi a avaliação dodesempenho da rede através de testes de transmissão de dados, assim como recomposiçãoda rede na falha do nó hub.

O software livre X-CTU R©, (XCTU 2017) foi utilizado para configuração de parâ-metros dos módulos, envio de dados e realizar gerência e monitoramento da rede. Foramrealizados testes e análise de métricas de desempenho, tais como: "Radio Range Test"queanalisa a intensidade do sinal (RSSI – Radio Signal Strength Indicator, relacionado coma distância entre os nós) e perda de pacotes; Throughput, possibilitando a análise de pa-râmetros como: latência (tempo do atraso), taxa de transmissão (velocidade do link), taxade perda de pacotes, jitter (variação da latência), tempo da transmissão, o que possibilitadeterminar o overhead (tempo para encontrar um nó em caso de falha). Com o X-CTU R©foi possível a simulação de envio de mensagens de controle e dados. Como as mensagenstem seu tamanho conhecido e fixo, é possível ter controle sobre os dados que serão trans-mitidos na rede, evitando fragmentação de pacotes em camadas inferiores. Além disso, aaplicação pode utilizar métodos de detecção e correção de erros diminuindo a retransmis-são de pacotes. Dessa forma, foi possível analisar o desempenho da rede de comunicação,bem como a sua confiabilidade e capacidade de reorganização quando ocorreu adição ouremoção de nós.

Foram realizados ensaios de transmissão de pacotes de controle, pacotes de dados epacotes de confirmação, variando a taxa de transmissão através do baud rate suportadopelo modulo Xbee Pro, simulando uma o envio de uma imagem com tamanho de 100KBytes utilizada na detecção de navio descrito em Tavares et al. (2013). Para isso, aimagem foi transmitida em 500 pacotes de 256 Bytes.

A Figura 5.2 apresenta a estrutura utilizada para realizar os testes: A) Estação Basee um módulo Xbee conectado ao computador e configurado como Coordenador da rede(NC); B) e C) são dois helicópteros quadrirrotores sendo cada um equipado com ummódulo Xbee configurado como Roteador (hub1 e hub2); D) e E) são mais 2 helicópteros

5.3. DESCRIÇÃO DOS CENÁRIOS E O LOCAL DOS EXPERIMENTOS 45

quadrirrotores com seus módulos configurados como dispositivos finais (ED1 e ED2).

Figura 5.2: Componentes da Rede e a estrutura utilizada na realização dos testes

5.3 Descrição dos Cenários e o Local dos experimentos

O local ideal para a realização dos experimentos é o local onde o sistema final seráutilizado, ou seja, o próprio Centro de Lançamento Barreira do Inferno (CLBI), pois ostestes refletiriam as condições específicas de interferência e meio de comunicação dolugar em que a rede multi VANTs será operada. No entanto, por questões logísticas, ostestes iniciais de campo foram executados com a Estação Base (NC) no Campus Centralda Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) e os VANTs sobre a Parquedas Dunas, próximo à Via Costeira, em Natal-RN. As Figuras 5.3 e 5.4, mostram a regiãoonde foram realizados os testes.

Os experimentos foram realizados em dois cenários, utilizando configurações diferen-tes da Baud Rate nos dispositivos XBee. No primeiro cenário, os testes foram realizadoscom a Baud Rate de 115.200 bps. Todos os nós têm a mesma capacidade de transmissão,sendo o envio de dados ponto a ponto e bidirecional, entre os nós dos quadrirrotores e aEstação Base (NC). No segundo cenário, a Baud Rate dos nós roteadores foi de 115.200bps. Enquanto os nós, NC e EDs foram alterados para 38.400 bps, possibilitando realizartestes de transmissão de pacotes entre os nós NC e ED com um salto entre hub1 ou hub2.

Em todos os cenários, a rede foi configurada da seguinte maneira. Primeiro o nóNC é adicionado à rede utilizando o X-CTU R© via interface USB, em que a Baud Rateconfigurada no Xbee deve ser a mesma no software. Após o nó coordenador inciar arede, é possível configurar os parâmetros, modo de operação entre outras característicasda mesma. O próximo passo é adicionar todos os nós dentro da mesma rede utilizandoum Personal Area Network (PAN) ID único. Posteriormente, os nós Xbee adicionados àrede, assumem as funções de roteador ou de dispositivo final.


Figura 5.3: Local dos testes: Estação Base na UFRN e os VANTs sobrevoando o Parquedas Dunas, próximo a Via Costeira em Natal-RN. Foto adaptada do Google Maps

Figura 5.4: Área onde foram realizados os testes, com poucas nuvens, ventos constantes,sempre no final da tarde. Parque das dunas - RN. Foto: câmera Drone DJI

5.3. DESCRIÇÃO DOS CENÁRIOS E O LOCAL DOS EXPERIMENTOS 47

Cenário 1 - Configuração ideal, Baud Rate com 115.200 bps

A rede foi montada na configuração mostrada na Figura 5.5 onde, a Estação Basecom o modulo Xbee, configurado como coordenador da rede (NC), ficou em solo. Oprimeiro VANT, foi adicionado à rede como roteador (hub1), sobrevoando a uma altitudede 80 metros do solo e sua posição variou entre 400 metros a 600 metros de distânciada Estação Base. Os demais VANTs foram adicionados como dispositivos finais (ED),sobrevoando a uma altitude também de 80 metros do solo com sua posição variando entre900 metros e 1100 metros de distância da Estação Base (NC). Todos os módulos Xbeeforam configurados com baud rate de 115.200 bps. Os VANTs durante os testes fizeram otrajeto em espiral em velocidade constante. A variação da distância entre os nós da Redee o NC é devido ao movimento em espiral.

Em cada teste, 500 (quinhentos) pacotes de 256 Bytes foram transmitidos, totalizando128.000 Bytes, que corresponde ao tamanho de uma imagem de 100 KBytes. O tipo datransmissão foi Bidirecional1, assim o tráfego na rede simula a transmissão de diversospacotes fim a fim. Com esse tipo de transmissão, nós intermediários enviam pacotes paraduas transmissões simultâneas, ocupando a rede com dados que podem ser comparadosa mensagens de dados, controle e confirmação. Nesse ambiente foram executados osThroughput e Radio Range Test com o Software X-CTU R©. Assim foi possível analisar:Tempo de envio dos pacotes, velocidade da transmissão dos dados, potência do sinal,quantidade de pacotes perdidos e enviados com sucesso. Os métodos e o procedimentopara realizar os testes estão descritos na próxima sessão.

Figura 5.5: Cenário 1: Configuração ideal, Baud Rate com 115.200 bps em todos os nós.

1Bidirectional: processo que envia dados simultaneamente em duas direções; do dispositivo local parao remoto e do remoto para o local.


Cenário 2 - Configuração para testes de tolerância a falhaEsse cenário teve o objetivo de repetir as medições do cenário 1, assim como observar

o comportamento da rede na falha do nó hub. Com o novo arranjo continuamos com umcoordenador (NC) em solo, entretanto, mas agora, dois VANTs assumem papel de rotea-dores (hub1 e hub2) que mantém sua formação próxima um do outro, o primeiro voandoa 70 metros de altitude e o segundo a 80 metros de altitude e ambos com distâncias quevariam de 400 metros a 600 metros da Estação Base. Um terceiro VANT (ED) é adici-onado à rede como dispositivo final, voando a 80 metros de altura e distante 900 a 1110metros da Estação Base. Durante a execução do experimento retirou-se um roteador darede forçando a rede se rearranjar e descobrir um novo caminho para o envio de pacotes,como mostra a Figura 5.6. Nesse formato os módulos Xbee coordenador e o dispositivofinal foram configurados com baud rate de 38.800 bps e os roteadores com 115.200 bps.Assim com uma taxa de modulação menor e dois hubs na rede, foi possível realizar ostestes de Tolerância a Falha. Durante uma transmissão de dados o nó hub roteador eradesligado, assim a rede se reorganizava e o salto da rede passava a ser pelo outro hub debackup, formando uma nova rota para a transmissão de dados. Assim, foi observado ocomportamento da rede, durante uma transmissão com falha do hub.

Figura 5.6: Cenário 2 - Configuração para os testes de tolerância a falha

5.4 Método para Configuração da FANETNo processo de configuração dos módulos XBee, os parâmetros podem ser consulta-

dos e alterados de duas maneiras diferentes: forçando o aparelho a entrar em AT CommandMode, solicitando ou enviando os valores do parâmetros do XBee através da interface dedados, ou fazendo uso do software X-CTU disponibilizado pela Digi International IncTM.Neste trabalho foi utilizado o software XCTU para realizar todos os testes e configura-ções. Mais detalhes sobre os métodos de configuração são apresentados no Apêndice

5.4. MÉTODO PARA CONFIGURAÇÃO DA FANET 49

A.Para conectar um módulo ao X-CTU é necessário marcar no software o mesmo Baud

Rate que foi configurado no XBee (O padrão é 9600 bps). No modo de configuração domódulo XBee, os seguintes passos devem ser seguidos ou verificados na Tela de configu-ração do X-CTU e a seguinte configuração deve ser feita em todos os módulos:

1. Configurar Baud Rate, de acordo com Cenário de testes (38 ou 115 kbps)2. Configurar Modo de Operação, setar opção 2 (API operating mode),3. Configurar Função do Dispositivo, (Coordenador, Router, End device)4. Salvar Confirmações no módulo.

Após configurar os módulos XBee, o Coordenador da Rede ficou conectado no Note-book. Para configurar a Estação Base (NC) e os outros módulos Xbee foram conectadosem um módulo de energia, para depois serem embarcados nos VANTs. Terminando essesprocedimentos foi possível iniciar a rede com todos os módulos em operação. Para rea-lizar a configuração deve-se seguir os seguintes passos na Estação Base com auxílio doX-CTU. O Apêndice B, detalha como fazer essa configuração:

1. Utilizar a função para Adicionar ou Descobrir o dispositivo conectado;2. Descobrir módulos de rádio remotos,3. Escolher um teste ou comando para realizar.

Após a rede ficar em operação, os VANTs iniciam suas missões e quando estão sobrea área pré definida, os experimentos de rede podem ser realizados, a Figura 5.7 mostra atela do X-CTU com módulos conectados.

Figura 5.7: X-CTU - Rede com Módulos XBee Conectados

Uma vez que todos os equipamentos estão devidamente conectados, o operador dasaeronaves Phantom com o auxílio do supervisório DJI Go, guia seu nó na região aéreapré-determinada, e assim inicializam-se os testes. No caso, os teste foram Throughput epotência do sinal (Range Radio Test).


5.5 Método para Teste de ThroughputPara iniciar os testes de performance da rede utilizando o X-CTU, deve-se selecionar

as ferramentas (Tools) e ir na opção Throughput para abrir a tela de configuração. AFigura 5.8, mostra a tela com os itens de configuração e os resultados. Para obter osresultados deve-se realizar as seguintes configurações:

1. Select the local radio: Seleciona o Coordenador (NC) Xbee;2. Discovered device: Seleciona o nó Final (ED);3. Throughput type: Seliciona Bidirectional - Cluster;4. Duration: Seleciona Packets e digita 500;5. Aperta o botão "Start Throughput".6. Aguarda a transmissão dos 500 pacotes.

Enquanto a transmissão é realizada, os indicadores mostram através de um gráficoa taxa de transferência para cada pacote enviado, a média dos pacotes transmitidos emKbps e o tempo gasto para transmitir os pacotes. Abaixo do gráfico é possível observaros resultados da Taxa de transferência do ultimo pacote recebido (Instant Transfer Ratio),A Taxa média de todos os pacotes recebidos (Average Transfer Ratio), o Total de pacotesrecebidos (Tx packets), o total de Bytes recebido (Tx Bytes) e o tempo gasto na transmissãoElapsed time.

5.6 Método para Teste de Radio Frequência (RSSI)Para começar a medir a potência do sinal (RSSI) utilizando o X-CTU, deve selecionar

as ferramentas (Tools) e selecionar a opção Range Test para abrir a tela. A Figura 5.9,mostra a tela com os itens de configuração e os resultados. Para obter os resultados deverealizar as seguintes configurações:

1. Select the local radio: Seleciona o Coordenador (NC) Xbee;2. Discovered device: Seleciona o nó Final (ED);3. Configuration: Seleciona Number of Packets e digita 500;4. Aperta o botão "Start Range Test".5. Aguarda a transmissão dos 500 pacotes.

Enquanto a transmissão é realizada os indicadores mostram através do gráfico o RSSIlocal e remoto e a porcentagem de pacotes enviados com sucesso. Abaixo do gráfico épossível observar o RSSI local e remoto (em dBm) do ultimo pacote recebido. O displayabaixo à direita exibe o número total de pacotes enviado e recebidos, as transmissões comerro, os pacotes perdidos e a porcentagem de pacotes transmitidos com sucesso.

Para os testes de Tolerância a Falha, foram executados esses dois testes, mas durantea transmissão um nó hub era desligado, forçando a rede a se reorganizar, descobrindo umnovo caminho.

5.6. MÉTODO PARA TESTE DE RADIO FREQUÊNCIA (RSSI) 51

Figura 5.8: X-CTU - Tela de teste de taxa de transmissão (throughput).


Figura 5.9: X-CTU - Tela de teste da qualidade do link de transmissão RSSI.

Capítulo 6

Experimentos e Resultados

Visando validar a rede, foram realizados experimentos utilizando os modelos propos-tos no Capítulo 5, sendo seus resultados analisados. Foram planejados e executados doistipos de experimentos. Nos primeiro cenário, os experimentos permitiram analisar o Th-roghput máximo suportado pela Rede. No segundo, ao diminuir a Baud Rate, foi possívelrefazer os testes anteriores e analisar o comportamento da FANET com a falha de hub.Foi realizada uma série de experimentos para cada cenário com estratégia de varredura emespiral, sem decomposição da área, variando a distância entre os nós, a altura e velocidadedos VANTs, assim como a alcance máximo para que a rede tenha usabilidade, com umconsumo aceitável de bateria. Como o nó hub que deverá possuir capacidade de transmi-tir informações entre a esquadrilha e a estação de comando ainda não está operacional.No presente trabalho, este nó, cuja função é de coordenador da rede, foi emulado por umnotebook (estacionário, em terra) conectado a um módulo XBee. O nó com capacidadede comunicação de longo alcance está sendo desenvolvido em paralelo e ficará disponívelem breve.

6.1 Experimentos com os módulos Xbee no Cenário 1O cenário 1 simula a situação onde é encontrada uma embarcação por um nó da FA-

NET, que faz a varredura em condições ideais, pois todos os VANTs terminam a missão.Não existe falha de qualquer VANT. Na arquitetura do Projeto SPACEVANT 2, as men-sagens de controle com dados de telemetria são enviadas periodicamente. Sendo assim,antes de enviar uma mensagem de dados com a imagem da embarcação para a EstaçãoBase, uma mensagem de controle com a posição do navio já foi enviada. Por esse motivo,os testes foram realizados utilizando o envio de pacotes bidirecionais, ocupando a redecom o envio da imagem simultaneamente com outros pacotes que podem ser consideradoscomo mensagens de controle na rede.

Para validar a rede foram enviados 500 (quinhentos) pacotes de 256 Bytes. Sendoo procedimento repetido 72 vezes, com a finalidade de calcular a média e o desvio pa-drão dessas amostras e verificar dispersão e/ou interferências indesejadas. A quantidadede testes realizada se deve à duração da bateria dos VANTs dentro da janela de tempopara execução dos testes. Foi coletado o tempo de envio dos pacotes, a velocidade detransferência e perda de pacotes, através de testes de potência do sinal (RSSI) e taxa de

54 CAPÍTULO 6. EXPERIMENTOS E RESULTADOS

transferência (Throughput). A Tabela 6.1, mostra os valores utilizados para configurar osteste. Como citado a Baud Rate de todos os nós, foi configurada em 115.200 bps. Osvalores da média, desvio padrão e o melhor e pior resultado são apresentados na Tabela6.2

A Tabela 6.3, mostra de forma sintetizada os resultados. É possível observar que, dos72 testes realizados, em mais de 90% não houve a perda de pacotes. Mais de 99% dosBytes transmitidos foram recebidos pela Estação Base e o tempo médio para enviar umaimagem para o NC da rede foi 1 min e 7 seg. em uma Taxa de envio de dados com médiade 15,56 Kbps.

Característica /Parâmetros NC Hub ED1 ou ED2

Função ZigBee Coordenador Roteador Dispositivo Final.Distância do NC - 400 a 600 metros 900 a 1100 metros.Baud Rate 115.200 bps 115.200 bps 115.200 bpsBytes Enviados 128.000 - 128.000Pacotes Enviados 500 - 500

Tabela 6.1: Cenário 1: Configuração e Posição dos nós

-Bytes

Recebi-dos

TempoEnvio

(min:seg)

RSSILocal(dBm)

RSSIRemoto(dBm

TxDados(Kbps)

PacotesRecebi-

dos

PacotesPerdi-

dos

Média 127.925 01:07 -50 -50 15,56 499,7 0,3MelhorResul-tado

128.000 01:02 -48 -47 16,38 500 0

PiorResul-tado

126.976 01:36 -49 -54 10,56 496 4

DesvioPadrão 237 00:10 2,79 2,79 1,63 0,93 0,93

Tabela 6.2: Cenário 1: Resultados Média, Desvio Padrão

Um detalhe importante é que nos sete testes em que houve perda de pacotes, o máximode pacotes perdido em um único teste foi quatro. Como a taxa de pacotes recebidos ésuperior a 99% em todos os testes realizados, pode ser possível utilizar micro imagens eutilizar técnicas Interpixel de reconstrução de imagens ou então fazer a compreensão comperda de qualidade (Souza 2005).

6.2. EXPERIMENTOS COM OS MÓDULOS XBEE NO CENÁRIO 2 55

Análise do Cenário Cenário 1 - Baud Rate 115.200 bps

Total de Testes Realizados 72Testes sem Perda Pacotes % 90,28 %Testes com Perda Pacotes 7Testes com Perda % 9,72%Bytes Recebidos % 99,96%Throughput Médio(Kbps) 15,56 KbpsTempo Médio (Envio Imagem) 1 min. 7 seg.

Tabela 6.3: Cenário 1: Análise dos Resultados

6.2 Experimentos com os módulos Xbee no Cenário 2O cenário 2 simula a situação, onde um nó hub falha e sai da rede, forçando que os nós

da rede se auto reorganizem para continuar a transmissão de pacotes entre um dispositivofinal (ED) e Estação Base (NC). Os rádios foram configurados de tal forma que o ED nãotenha visada direta para o NC. Sendo assim, os pacotes transmitidos sempre dão um saltopor um hub. Com essa configuração quando o hub é desativado, caso ele não encontreuma rota alternativa, passando pelo hub backup, não é possível o envio de pacotes , pois oED não tem capacidade de transmitir um pacote direto (sem salto) para o NC. Para realizartestes sem salto, utilizando essa configuração é necessário aproximar o ED do NC umadistância inferior a 800 metros entre os nós. Para a simulação desse cenário o Baud Ratedo ED e NC foi configurada em 38.800 bps em todos os testes realizados.

Nesse cenário foram realizados três diferentes experimentos, em que, cada um foirepetido 36 vezes, com o envio de 500 pacotes do tipo bidirecional.

• 1o caso: foi realizada a transmissão ponto a ponto entre ED e NC, aproximando adistância entre os nós. Não houve o salto do pacote por um hub da rede.

• 2o caso: foi realizada a transmissão com um salto por um hub. A posição dos nósfoi igual ao cenário 1.

• 3o caso: a configuração foi igual ao caso 2, mas durante a transmissão o nó hub queroteava os pacotes foi desativado, saindo da rede.

Os testes permitiram a coleta de valores como tempo de envio dos pacotes, velocidadede transferência, perda de pacotes, através de testes de potência do sinal (RSSI) e taxade transferência (Throughput). A Tabela 6.4, mostra os valores utilizados para configuraros teste. Como citado, as Baud Rate dos nós, foram configuradas com valores diferentes,para que os resultados dos testes de Tolerância a falha fossem coletados e comparados.Os valores da média entre os testes, para os três casos, são apresentados na Tabela 6.5, deforma que é possível comparar os resultados.

A Tabela 6.6 mostra de forma sintetizada os resultados. É possível observar que, nos36 testes realizados com a Taxa de Modulação do Sinal reduzida, a Taxa de dados úteis


não passou de 10 Kbps em nenhum caso. Um detalhe importante sobre os testes, ondehouve falha do nó, foi que, em 100% dos testes realizados, os nós da rede encontraramuma nova rota alternativa pelo nó hub backup.

A próxima sessão faz uma a comparação dos resultado, com uma análise do compor-tamento de todos os experimentos realizados.

Característica /Parâmetros NC Hub1 e Hub2 ED

Função ZigBee Coordenador Roteador Dispositivo Final.Distância do NCcom salto

- 400 a 600 metros 900 a 1.100 metros.

Distância do NCponto a ponto

- - 700 a 800 metros.

Baud Rate 38.800 bps 115.200 bps 38.800 bpsBytes Enviados - - 128.000Pacotes Enviados - - 500

Tabela 6.4: Cenário 2: Configuração e Posição dos nós

-Bytes

Recebi-dos

TempoEnvio

(min:seg)

RSSILocal(dBm)

RSSIRemoto(dBm)

TxDados(Kbps)

PacotesRecebi-

dos

PacotesPerdi-

dos

Média -Ponto aPonto

127.872 01:56 -49,4 -51,2 8,92 499,5 0,5

Média -Salto noHub

127.974 02:18 -50.9 -50,9 7,48 499,9 0,1

Média- Saltono hube Falha

127.770 02:23 -51,2 -50,8 7,13 499,1 0,9

Tabela 6.5: Cenário 2: Comparando a Média, nos 3 casos

6.3. COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS 57

Análise doCenário Ponto a Ponto Salto em um Hub Falha no Hub

Total de Testes Re-alizados 36 36 36

Testes sem PerdaPacotes % 58,33% 94,44% 16,67%

Testes com PerdaPacotes 15 2 30

Testes com Perda% 41,67% 5,56% 83,33%

Bytes Recebidos% 99,9% 99,98% 99,82%

Throughput Mé-dio(Kbps) 8,92 Kbps 7,48 Kbps 7,13 Kbps

Tempo Médio(Envio Imagem) 1 min. 56 seg. 2 min. 18 seg. 2 min. 23 seg.

Tabela 6.6: Cenário 2: Análise dos Resultados

6.3 Comparação dos resultadosA Tabela 6.7, apresentada um resumo de todos os resultados, dentro do quais podemos

observar:

1. Baud Rate tem relação direta com a Taxa de transmissão de dados úteis.É possível observar que no cenário 1, com todos os nós tem Baud Rate confi-

gurado com 115.200 bps o Throughput é maior que nos outros testes.2. Considerando o Cenário 2, a taxa de transmissão tem uma redução quando o pacote

realiza um salto pelo Hub.A redução é devida ao tempo que o nó intermediário consome para receber um

pacote, processar a sua tabela de roteamento interna e transmitir para o próximo nó.Considerando que, sem salto e com salto, o Throughput foi 8,92 e 7,48 Kbps

respectivamente, a perda média foi de 16,14%.3. O tempo de processamento de um salto (atraso) se torna irrelevante ao comparar a

quantidade de pacotes perdidos entre os testes. Com a topologia da rede Mesh osnós ficam mais próximos.

Na topologia ponto a ponto o resultado dos testes com sucesso foi de 58,33%enquanto na topologia Mesh para dois cenários, os testes sem perda de pacotesforam de 90,28% e 94,44%. Uma rede com topologia Mesh é mais confiável devidoa redundância de caminhos e a aproximação dos nós, para um pacote chegar ao seudestino final.

4. Analisando o Cenário com Falha do Hub, a Taxa de teste com sucesso, sem perder


nenhum pacotes é de 16,67%. Esse valor pode induzir à interpretação errônea deque a rede não é confiável, mas deve-se considerar dois fatores. O primeiro é quea falha de um nó é um caso extremo, difícil de acontecer. O segundo caso ocorrequando o nó sai da rede no momento que está processando a transmissão de umpacote, assim o mesmo será descartado. Nessa situação é analisado se a rede con-segue se reorganizar, a quantidade de pacotes perdidos e o tempo que é gasto com atransição. No gráfico da Figura 6.1, é possível observar a oscilação da transmissãode dados durante a falha do nó Hub.

5. O tempo médio para rede reorganizar e finalizar a transmissão dos 500 pacotes foicinco segundos superior em relação ao caso que não houve falha de um nó.

6. Entre os 30 testes em que houve perda de pacotes durante a falha do hub, em 28ocorreu a perda um pacote, em 2 a perda foi de 4 e 5 pacotes respectivamente.

Não podemos detectar de forma precisa porque em 6 testes não houve perdade pacotes, mas o motivo pode ser que quando o nó falhou, o mesmo não faziatransmissão de dados.

7. Em 100% dos casos em que houve falha de um nó, foi encontrando um caminhoalternativo, e a rede continuou funcional.

Figura 6.1: X-CTU - Tela de teste de taxa de transmissão (throughput) com a falha de umnó Hub

De forma geral, os experimentos mostram que a rede é confiável e a Topologia emMalha ou Árvore é mais adequada que uma topologia ponto a ponto para uma SistemaMulti Vant. Analisando a Tabela 6.7, a configuração ideal é utilizar Baud Rate de 115.200bps, com pelo menos dois nós configurados como Roteadores, garantindo a redundânciade rotas, com a possibilidade de caminhos alternativos para que as mensagens de Controlee Dados sejam transmitidas até a Estação Base.

6.3. COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS 59

Análise doCenário Cenário 1 Cenário 2

Ponto a Ponto

Cenário 2Salto em um

Hub

Cenário 2Falha no Hub

Total de Tes-tes Realizados 72 36 36 36

Testes semPerda Pacotes%

90,28% 58,33% 94,44% 16,67%

Testes comPerda Pacotes 7 15 2 30

Testes comPerda % 9,72% 41,67% 5,56% 83,33%

Bytes Recebi-dos % 99,96% 99,9% 99,98% 99,82%

ThroughputMédio(Kbps) 15,56 Kbps 8,92 Kbps 7,48 Kbps 7,13 Kbps

Tempo Mé-dio (EnvioImagem)

1 min. 7 seg. 1 min. 56 seg. 2 min. 18 seg. 2 min. 23 seg.

Tabela 6.7: Comparação dos resultados

Capítulo 7

Conclusão

O presente trabalho propõe uma possível solução de rede, para a transmissão de da-dos em um Sistema Multi VANTs, dentro do projeto SPACEVANT II, a partir de estudosdesenvolvidos sobre os problemas em projetar e construir uma FANET, mais especifica-mente para um sistema cuja a característica seja a Varredura de área, considerandos duasestratégias de Varredura.

A contribuição principal deste trabalho é a validação do desempenho da rede, utili-zando dispositivos ZigBee, permitindo a construção de um rede Ad hoc em Malha e comcapacidade de se reorganizar em caso de falha de um nó. Assim, garante-se a transmissãode dados entre os nós ou para uma estação controle.

As contribuições científicas deste trabalho, estão compiladas em artigos científicos eFóruns de Pesquisa, descritos em ordem cronológica:

• "Rede Multi VANT para Varredura de Área de Impacto de Foguetes". ISBN : 978-85-425-0647-1, (Silva e Alsina 2016), apresentado e publicado em junho de 2016,no Workshop de Pesquisa Científica (WPC 2016) UFRN;

• "Especificação de Arquitetura de Rede de Comunicação para Sistema Multi VANTAplicado à Varredura de Área de Impacto de Foguetes"(Silva, Alsina, Medeiros,Silveiras, Nogueira, Albuquerque e Dantas 2016), apresentado e publicado em ou-tubro de 2016, no Workshop on MSc Dissertation and PhD Thesis in Robotics(WTDR) in III Best MSc Dissertation and PhD Thesis Contest in Robotics Co-Eventof Robotica 2016;

• "Projeto Multi VANT: A Arquitetura de Rede de Comunicação do Sistema de Varre-dura de Área de Impacto de Foguetes", (Silva, Monteiro, Alsina, Medeiros, Silveira,Nogueira, Albuquerque e Dantas 2016b) apresentado e publicado em novembro de2016, no VI Fórum de Pesquisa e Inovação de Tecnologia Aeroespacial (FOPI-CLBI 2016);

• "Análise Comparativa de Estratégias de Varredura de Área para um Sistema deComunicação Multi Vants no Monitoramento da Área de Impacto de Foguetes So-bre o Mar"(Silva, Monteiro, Alsina, Medeiros, Silveira, Nogueira, Albuquerque eDantas 2016a), apresentado e publicado em novembro de 2016, na IX Escola Poti-guar de Computação e suas Aplicações (IX EPOCA 2016);

• "Communication Network Architecture Specification for Multi-UAV System Ap-plied to Scanning Rocket Impact Area - FIRST RESULTS"(Silva et al. 2017), apre-

62 CAPÍTULO 7. CONCLUSÃO

sentado e publicado em novembro de 2017, em 14rd Latin American Robotics Sym-posium (LARS’2017).

Os avanços obtidos neste trabalho permitirão a utilização destes dispositivos, uti-lizando uma configuração válida, a arquitetura proposta para as aeronaves autônomas(VANT) do modelo Penguin deste projeto. A estratégia de varredura de área do SistemaMulti VANT será utilizada para a varredura de área de impacto de foguetes, mas essa es-trutura também poderá ser utilizada para outras finalidades que envolvam o mapeamentoe a varredura de áreas.

Os métodos aqui desenvolvidos estão implementados e testados em uma simulaçãode transferência de dados utilizando um software de gerência da rede. O produto final doprojeto SPACEVANT II incluirá: sistema supervisório, sistema de controle e formação deaeronaves, sistema de processamento e captura de imagens, além da rede de comunicaçãopara transporte de dados.

Os dados obtidos nos experimentos comprovam a hipótese de que, utilizando disposti-vos Xbee com os parâmetros definidos e testados neste trabalho, é possível construir a redecom as características desejáveis para uma FANET, que faz a varredura, com formaçãopróxima entre os nós, sem a decomposição da área.

Os próximos passos deste trabalho são testar estes dispositivos dentro da Arquiteturade Hardware e Software proposta para o projeto. O primeiro desafio é a redução da tempode varredura da área, sendo que de acordo com os testes realizados a rede mostrou sereficaz. O segundo desafio é o aumento da área de varredura, no qual será necessário adecomposição da área e dispositivos com maior potência para transmissão de rádio.

Os testes práticos com os módulos e subsistemas conectados em microcomputadorese embarcados em aeronaves não tripuladas, permitirão o teste real sobre a área de im-pacto no CLBI, com o transporte de imagens coletada pelo sistema de processamento deimagens, bem como as coordenadas já percorridas pelos VANTs. Assim será possível ve-rificar a diferença existente entre o comportamento real e comportamento da arquiteturade testes desenvolvida. Outras possíveis direções para trabalhos futuros do projeto são:

• Adaptar o protocolo de comunicação TCP/IP com os módulos XBee e comparar oresultado com o Sistema utilizado neste trabalho.

• Desenvolver uma Camada de Transporte Confiável para o protocolo ZigBee, queseja capaz de realizar a entrega confiável de dados com controle de fluxo de dados,realizado retransmissão de pacotes (em caso de perda de um pacote ou time out) efragmentação de dados.

• Desenvolver o sistema de envio e recebimento de mensagens de controle e dadospara a FANET.

• Implementar técnicas de reconstrução de imagens no sistema de troca de mensagemde dados, utilizando micro imagens.

• Desenvolver um sistema adaptativo de detecção de correção de erros, para a trans-missão de pacotes.

• Adotar um esquema de varredura em que se possa maximizar a área, com a decom-posição da área a ser varrida aumentando a distância entre os nós

• Integrar o sistema de comunicação proposto com o sistema de navegação e controleda esquadrilha de aeronaves não tripuladas.

63

• Adaptar o sistema ao protótipo final com a esquadrilha de aeronaves modelo Pen-guin B.

64 CAPÍTULO 7. CONCLUSÃO

Referências Bibliográficas

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Apêndice A

Métodos de Configuração dos MódulosXbee

O processo de configuração dos módulos XBee, os parâmetros podem ser consultadose alterados de duas maneiras diferentes: forçando o aparelho a entrar em AT CommandMode, solicitando ou enviando os valores do parâmetros do XBee através da interface dedados, ou fazendo uso do software XCTU disponibilizado pela Digi International IncTM.

A.1 Configuração: AT Command Mode

O modo básico de configurar um módulo XBee é fazer uso do AT Command Modeenviando mensagens, de forma serial, requisitando valores de parâmetros ou solicitandoalteração de algum parâmetro. É importante alertar que esse modo de configuração só éacessível através do uso da interface UART.

Para forçar um módulo XBee a entrar em modo de configuração é necessário enviarum sequência específica de caracteres, sendo essa sequência composta por três caracteresde adição (+++). Após receber essa sequência, o módulo retornará ‘OK’ indicando queo mesmo se encontra em AT Command Mode aguardando algum comando, caso nenhumcomando seja enviado em até um segundo, o modulo sai automaticamente do modo deconfiguração.

Um vez que o módulo já se encontra em AT Command Mode, para solicitar o valorde um determinado parâmetro deve-se enviar a mensagem ‘AT’ acompanhada da sigla doparâmetro que deseja-se obter o valor. Por exemplo, para verificar o valor do parâmetroPreamble ID (HP), deve-se enviar o comando ‘ATHP’ e aguardar o retorno do valor atualdo parâmetro.

Para alterar o valor de um parâmetro em AT Command Mode, deve-se enviar a men-sagem ‘AT’ acompanhada da sigla do parâmetro a ser modificado e o novo valor do parâ-metro em hexadecimal, o uso de um espaço para separar a sigla do parâmetro do valor aser atribuído é opcional. Por exemplo, caso deseje-se modificar o valor do Preamble IDpara 7FFF, envia-se ‘ATHP7FFF’ ou ‘ATHP 7FFF’.

72 APÊNDICE A. MÉTODOS DE CONFIGURAÇÃO DOS MÓDULOS XBEE

A.2 Configuração: XCTU SoftwareÉ possível visualizar e alterar os parâmetros de um módulo XBee, fazendo uso do

software fornecido pelo fabricante do módulo, no caso do XBee PRO S3B 900HP, oXCTU (Figura A.1) distribuído pela Digi International IncTM.

Através do XCTU, pode-se procurar por módulos XBee conectados fisicamente aocomputador onde a aplicação está rodando, visualizar e alterar os parâmetros do móduloconectado e até mesmo procurar os outros nós pertencentes à rede a qual o módulo estáconectado, bem como visualizar e alterar os parâmetros dos outros nós da rede.

Além de visualizar e editar parâmetros, o XCTU também possui um modo de con-sole, onde pode-se enviar mensagens ao módulo conectado e visualizar o conteúdo dasmensagens que estão entrando e saindo do módulo, e um modo de visualização de rede,disponível apenas para módulos operando em API Mode, onde são mostrados os nós quepertencem à rede do módulo conectado, bem como a topologia da rede.

O XCTU também possui algumas ferramentas para análise da qualidade da rede à qualo módulo XBee está conectado, por exemplo testes de potência de sinal e throughput,os quais foram utilizados para aferir a qualidade dos links formados pelos XBee nestetrabalho.

Figura A.1: Pagina inicial do software XCTU

.

Apêndice B

Configurando a rede com XCTU

Para realização de testes com os módulos Xbee é necessária a instalação do softwareXCTU disponibilizado pela Digi International IncTM. O mesmo consiste numa aplicaçãomulti-plataforma, que permite aos desenvolvedores gerenciar módulos de rádio frequência(RF) através de uma interface gráfica simples de usar. A aplicação inclui ferramentas quetornam mais fácil configurar e testar módulos de Radio Frequência incorporado.

Pode-se realizar o download do software neste link (Figura B.1):https://www.digi.com/support/productdetail?pid=3352Após o download, proceder à instalação do software de acordo com seu sistema ope-

racional.

Figura B.1: Site para download XCTU

74 APÊNDICE B. CONFIGURANDO A REDE COM XCTU

B.1 Adicionando o módulo Xbee Explore no PC

O próximo passo é encaixar o Módulo Xbee no Xbee Explorer USB e conectar aocomputador usando o cabo usb que acompanha o produto.

Ao conectar o Xbee Explorer USB ao computador, terá início o processo de instalaçãodos drivers. No Windows 7 / 64 bits, os drivers foram instalados automaticamente peloWindows Update. Agora deve executar o XCTU e procurar pelo módulo Xbee conectadoao USB Explorer. Na tela inicial do programa, clique em Discover Devices(opção coma lupa), Figura B.2

Figura B.2: Descobrindo módulos Xbee conectado via USB

Selecionar a porta serial detectada na instalação do Xbee Explorer USB. Neste caso,COM4. Depois, clicar em next (Figura B.3) :

Definir os parâmetros da porta serial. Por padrão vem com as configurações de fábricados módulos Xbee. Se alterar a configuração de algum parâmetros como o baud rate, estaalterações devem ser marcadas, para descobrir os módulos Xbee. Por exemplo 33.800e 11.5200, foram os parâmetros utilizados neste projeto. (Figura B.4) Clique em Finishpara iniciar a varredura

Na próxima tela, clicar em Add Selected Devices para adicionar os dispositivos de-tectados (Figura B.5):

De volta à tela inicial do XCTU, clicar no dispositivo, listado no lado esquerdo (B.6):

B.1. ADICIONANDO O MÓDULO XBEE EXPLORE NO PC 75

Figura B.3: XCTU - Selecionar porta serial

Figura B.4: XCTU - Selecionar as configurações


Figura B.5: XCTU - Adicionar o Módulo XBee

Figura B.6: XCTU - Módulo XBee - Adicionado

B.2. ADICIONANDO NÓS NA REDE 77

B.2 Adicionando nós na redeA próxima etapa consiste em adicionar módulos Xbee que não estejam ligados a ne-

nhuma porta USB do computador. Para isso com um dispositivo já ativo clicar na segundaopção Discover radio nodes in the same network, B.7.

Figura B.7: XCTU - Descobrindo Módulos Xbee Remotos

Em seguida, os módulos disponíveis apareceram na tela, estes devem ser selecionadospara em seguida clicar na opção Add Selected devices, Figura B.8

O dispositivo remoto esta conectado ao primeiro Xbee. Figura B.9.


Figura B.8: XCTU - Adicionar Módulo Xbee Remoto

Figura B.9: XCTU - Módulo Xbee Remoto - Conectado

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