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Experimentos de alcance máximo de transmissão do Zigbee

em ambiente urbano

Daniel A. R. L. de Souza1, Jose A. M. Rabello

1, Carlos M. S. Figueiredo

1

1 Fundação Centro de Análise, Pesquisa e Inovação Tecnológica - FUCAPI

Av. Gov. Danilo de Mattos Areosa, 381 - Distrito Industrial - CEP: 69075-351 –

Manaus – AM – Brazil

{danguto, alberto.rabello}@gmail.com, [email protected]

Resumo. Este artigo tem o propósito de mostrar resultados de experimentos

de alcance máximo de uma Rede de Sensores sem Fio utilizando Zigbee em

ambiente urbano a fim de subsidiar pesquisas de implantação de uma RSSF e

assim descobrir o melhor cenário para transmissão de dados com a menor

perda de informação devido a interferências e distúrbios gerados neste.

Abstract. This paper has the intents to show maximum range experiments in a

Wireless Sensors Network using Zigbee in an urban environment to support

implementation researches of a WSN and so discover the best scenario for

transmitting data with the minimal losses of information due to interferences

and disorders produced on this environment.

1. Introdução

Muito tem se falado em Redes de Sensores sem Fio (RSSF) [Loureiro 2003] para

monitoramento de áreas devido às características inerentes da tecnologia em ser uma

alternativa que apresente baixo consumo energético, possui grande autonomia, é

confiável e de fácil implementação. Sendo o Zigbee [ZigBee Alliance 2013] hoje uma

tecnologia que está em grande expansão, principalmente devido à facilidade de acesso a

esta, e que possui os princípios básicos de uma RSSF, resolvemos, a partir de uma

demanda, realizar experimentos para verificar o alcance máximo de comunicação em

área urbana para verificar, na prática, os limites da tecnologia e sua possível aplicação

em áreas que possuam muitos ruídos externos que geram interferências nos sinais de

radio.

Áreas urbanas são um dos grandes desafios para as redes de sensores sem fio por

possuir grandes objetos que podem atenuar ou inserir ruídos na comunicação e por

vários tipos de ondas eletromagnéticas que podem interferir no sinal. O Zigbee utiliza a

banda de radio chamada ISM [Gomes 2010], ou Industrial, Scientific and Medical band,

cujo objetivo é reservar frequências para que aplicações com esse propósito possam

trabalhar sem que interfira em outros serviços de comunicação essenciais e não

necessitam de concessão especial para serem utilizadas. Por ser uma banda altamente

utilizada por diversas tecnologias, como por exemplo, bluetooh, Wi-fi e etc, e devido à

natureza das ondas eletromagnéticas acaba havendo interferência entre essas, o que

diminui a eficiência da comunicação.

Utilizamos em nossos experimentos equipamentos da Digi Internacional modelo

Anais do Encontro Regional de Computa€•o e Sistemas de Informa€•o

Manaus, 25 a 27 de abril de 2013 1 ISSN 2238-5096 (CDR)

Xbee Pro que utiliza a faixa de 2,4 GHz que possui alcance máximo teórico de 1,6 Km

[DIGI 2013] com linha de visada. Desse modo, queríamos testar a influencia das

interferências geradas em várias situações em uma área industrial de modo a determinar

o verdadeiro alcance máximo de operação para que seja feita uma comunicação eficaz.

2. Fundamentação

2.1. Redes de sensores sem Fio

As RSSF [Alkyldiz 2002] podem ser aplicadas nos mais diversos segmentos para

monitoramento de ambientes e tem se tornado uma grande ferramenta para verificações

de fenômenos em áreas remotas e de difícil acesso. Esse tipo de rede de sensores tem

uma grande vantagem em relação aos sensores comuns já que podem simplesmente ser

jogados onde o fenômeno a ser medido está localizado que, pelas suas próprias

características, a medição é realizada sem colocar em risco a vida de pessoas e

equipamentos.

Muitos pesquisadores têm olhado para está tecnologia, pois a mesma tem um

grande potencial de aplicação em várias áreas de conhecimento e podem ser uma

ferramenta importante para monitoramento de informações, já que seus sensores

possuem a capacidade de medir vários fenômenos e condições ambientais como

temperatura, humidade, condições de luz, pressão, níveis de ruído, movimentação de

veículos, e etc., e sua capacidade de aplicação é praticamente infinita podendo ser

usadas em aplicações militares, ambientais, de saúde, domesticas, além de outras áreas

comerciais, da indústria, medicina e até na fabricação de brinquedos, o que a torna uma

tecnologia muito promissora para o futuro.

Segundo Figueiredo [2009] todos os esforços nesses últimos anos foram

despendidos para criação de modelos conceituais e avaliação de simulações e como

consequência nem todas as suposições podem ser verificadas na prática, o que tem

gerado uma falta de realismo em estudos práticos e isso tem gerado algumas

divergências entre os modelos simulados e os estudos práticos sobre essas redes, por

isso se faz necessário experimentações em ambientes reais principalmente na

implantação de uma RSSF em grandes áreas.

Devemos considerar também os modelos de propagação de ondas para que

possamos, através de modelos matemáticos, tentar prever o comportamento das ondas

de radio envolvidas nessa comunicação. Podemos utilizar os modelos de propagação

indoor no primeiro experimento deste trabalho assim como os modelos de propagação

por terra no segundo e terceiro, que é o mais utilizado para este tipo de modelagem.

Como o objetivo deste trabalho é apenas demostrar os dados coletados através de

experimentos, não se fazem necessários à modelagem dos modelos citados, pois

necessitam de inúmeras informações que podem variar no decorrer das

experimentações.

2.2. Zigbee

A tecnologia Zigbee 802.15.04 [Couto e Figueredo 2008] foi desenvolvida por um

consorcio de empresas, denominado Zigbee Alliance, que desenvolveu junto ao IEEE

esta tecnologia para ser utilizado em aplicações de sensoriamento, controle e



acionamento de dispositivos remotamente. É um padrão aberto que trabalha na

frequência ISM (Industrial, Scientific, na Médical) de 2,4 GHz que não necessita de

licença para o uso. A tecnologia Zigbee tem, hoje em dia, despontado como a que mais é

utilizada quando se fala em RSSF por sua versatilidade, baixos requisitos energéticos e a

possibilidade de se trabalhar com várias topologias de rede, como por exemplo, malha,

estrela e arvore, conforme figura 1.

Segundo Baumann [2006], os módulos que utilizam o padrão Zigbee devem

possuir necessariamente um radio transmissor/receptor IEEE 802.15.4 que provê a

definição da camada física e da camada de acesso MAC, enquanto o Zigbee define as

outras camadas do modelo OSI, a pilha do Zigbee e a camada de aplicação. Sendo essas

pensadas para alta eficiência energética e segurança com a utilização de criptografia.

Figura 1 – Topologias de Rede Zigbee.

Fonte: Site Rogercomm.

3. Configuração dos dispositivos

Utilizamos para os experimentos dois dispositivos XBee Pro configurados como

coordenador (coordinator) e dispositivo final (end device) de forma a simular uma

comunicação ponto a ponto entre os dois dispositivos e assim monitorar os parâmetros

da comunicação sem interferência dos algoritmos de roteamento que o mesmo possui.

Os dois dispositivos foram configurados utilizando-se o software disponibilizado

pela Digi, o X-CTU, onde podemos setar todos os parâmetros necessários para o

funcionamento, evitando assim o uso dos comandos de configuração via terminal do

Zigbee, assim também como o modo de operação dos dispositivos. No dispositivo

coordenador foi setado o modo de operação API [DIGI 2013] e o dispositivo final (end

device) como modo AT para que a troca de informações possa ser feita de forma mais

simples possível. No coordenador foi selecionado o conjunto de funções ZIGBEE

COORDINATOR API onde foram carregadas as opções default através do botão Show

Defauts para o funcionamento básico do mesmo e gravado no firmware.

No end device, utilizamos o mesmo procedimento sendo a única diferença o

conjunto de funções onde foi escolhido ZNET 2.5 ROUTER/END DEVICE AT e após o

carregamento das configurações default foi gravado no mesmo.

Depois de configurados, utilizamos um computador ligado a cada dispositivo e a

partir do teste de alcance, Range Test no programa X-CTU, enviamos, através do end



device, um pacote de 32 bytes contendo caracteres 0123...MNO, padrões para este tipo

de teste, para que desse modo pudéssemos monitorar os parâmetros de perda de pacotes

e RSSI do Zigbee, onde o Coordenador e o end device foram colocados em posições

estratégicas para realizar os experimentos de acordo com suas necessidades.

4. Resultados

Depois de configurar os dispositivos, a fim de criar uma RSSF ponto a ponto,

procedemos com os experimentos em três situações diferentes: Entre prédios, em mata

fechada e em campo aberto.

No primeiro experimento queríamos saber a influencia que edifícios e paredes

poderiam ter no sinal e esse se mostrou o ambiente mais hostil à transmissão dos dados,

pois além das paredes de alvenaria existem também no local, várias fontes de

interferência como, por exemplo, uma rede Wi-fi que possui o mesmo espectro de

frequência do Zigbee. No segundo experimentos, queríamos verificar o comportamento

da transmissão em um ambiente de floresta fechada dentro de uma área urbana, pois

dessa forma, poderíamos retirar qualquer influencia dos obstáculos de alvenaria entre os

dispositivos, mas ainda com vários obstáculos entre o caminho. Este cenário se mostrou

o segundo mais favorável à transmissão. Na terceira e ultima experiência, realizamos

um teste com campo de visada direta e esse foi o cenário em conseguimos maior alcance

de transmissão.

Cada experimento teve um tempo de operação de 2 minutos para que

pudéssemos realizar a coleta dos dados sem mais problemas.

Apesar dos esforços não conseguimos chegar ao alcance máximo informado no

datasheet [DIGI 2013] do dispositivo cujo valor máximo em linha de visada é de 1,6

Km, mas chegamos próximo deste valor considerando que no ultimo experimento o

ambiente não era de todo livre de interferências, pois estávamos em ambiente urbano.

Abaixo mais detalhes dos experimentos.

4.1. Experimento 1 – Entre Prédios

O ambiente de coleta de dados para o experimento escolhido para realização deste foi

nas dependências da Fundação Centro de Analise, Pesquisa e inovação Tecnológica -

FUCAPI, no horário entre 9h e as 12h, conforme mostrado na figura 2, para dessa forma

simular um cenário onde pudéssemos encontrar interferências externas suficientes para

ocasionar a limitação da comunicação dos mesmos tais como: paredes, equipamentos

eletrônicos, ruído e etc.

Os dados obtidos do experimento foram condensados na tabela 1 que possuem

os dados compilados, onde os parâmetros do mesmo são:

Distancia: É a distancia relativa dos dispositivos em metros;

Pacotes enviados com sucesso: Se refere ao numero de pacotes que conseguiram

chegar ao seu destino;

Pacotes perdidos: É a quantidade de pacotes perdidos durante a transmissão;

Percent: É o percentual de pacotes enviados com sucesso em relação ao total de

pacotes;



RSSI: Significa Received Signal Strength Indicator, ou seja, é a sensibilidade de

sinal de cada pacote recebido;

Posição: Posicionamento dos dispositivos, conforme o mapa da figura 2.

Figura 2 – Mapa da FUCAPI com os pontos de teste

Fonte: Google Maps

Tabela 1 – Resultados do Experimento 1

Distancia

(m)

Pacotes

Enviados

com

sucesso

Pacotes

Perdidos

Percent RSSI

(dBi)

Posição

18 44 22 66,7 -50 A-B

36 50 11 82 -42 A-C

55 0 116 0 -104 D-E

65 19 58 24,7 -73 D-F

85 42 26 61,8 -58 G-H

88 42 27 60,9 -66 F-G

Fizemos este experimento ao redor do bloco G da Faculdade FUCAPI por ser

uma área onde há maior espaço vazio com linha de visada direta sem grandes alterações

na altura dos dispositivos. No primeiro e segundo experimentos, utilizamos o corredor

do bloco G a fim de determinar o impacto gerado pela interferência que o mesmo possui

já que se trata de um local onde existem muito equipamentos de laboratório. No terceiro

e quarto experimentos resolvemos verificar a influencia do prédio inteiro no sinal sendo

o terceiro onde o prédio está no meio dos transmissores e o quarto sem o prédio mais

ainda nas proximidades do mesmo. No quinto e sexto experimentos, queríamos verificar

o impacto que teria a transmissão entre dois prédios, o bloco G e o bloco D.



Neste experimento podemos verificar a grande influencia que paredes de

alvenaria causam no sinal, onde o pior resultado encontrado foi no terceiro teste por

possuir uma grande quantidade delas entre os dois dispositivos e o melhor resultado foi

encontrado no segundo teste que mesmo sendo dentro de um prédio não existiam

obstáculos entre os dois dispositivos.

4.2. Experimento 2 – Mata fechada

Para este experimento utilizamos um ambiente de mata fechada, conforme figura 3, e foi

realizado no Bosque da Ciência no horário de 14h as 17h de modo a encontrar um

ambiente com uma densidade grande de arvores de forma a ocasionar uma limitação na

comunicação dos dispositivos XBee Pro.

Figura 3 – Ambiente da simulação 2.

Tabela 2 – Resultados do Experimento 2

Distancia

(m)

Pacotes

Enviados

com

sucesso

Pacotes

Perdidos

Percent RSSI

(dBi)

20 50 11 82 -45

40 50 9 84,7 -50

50 53 6 89,8 -62

70 48 11 81,4 -71

80 43 12 78,2 -77

90 45 19 70,3 -67

100 38 29 56,7 -66



Na tabela 2 foram condensadas as informações do experimento segundo os

parâmetros apurados no experimento anterior. Infelizmente não pudemos fazer mais

simulações com maiores distancias devido ao horário e ao tipo de mata que estávamos

enfrentando o que torna difícil a localização e a comunicação neste ambiente.

Como pudemos verificar nestes testes a qualidade do sinal cai de forma gradativa

e apesar de não termos uma queda muito acentuada nos resultados podemos afirmar que,

como será visto no próximo experimento, a mata influencia bastante na qualidade do

sinal.

4.3. Experimento 3 – Linha de Visada Direta

Resolvemos fazer este experimento para verificar a influencia das interferências na

qualidade do sinal, sendo este o único impedimento gerado, ou seja, a única dificuldade

encontrada para o sinal seria a interferência natural que existe em ambiente urbano.

Neste experimento utilizamos uma rua nas proximidades da FUCAPI e a rua

mais longa que encontramos em linha reta foi a R. Nova, mostrada na figura 4, que

segundo o Google Maps possui extensão de 1.4 km, mas com a ajuda de um

Smartphone e o aplicativo SpeedView, gratuito para Android, e o auxilio do gps do

mesmo, conseguimos calcular a distancia de 1.6 km, o que seria suficiente para pelo

menos verificar a distancia que se encontra especificada no Datasheet do Xbee Pro.

Figura 4 – Mapa da rota do experimento 3.

Fonte: Google Maps

Utilizando o mesmo sistema dos experimentos anteriores nos dividimos em dois

carros, um fixo, onde ficou o Coordenador, e um móvel, com o end device. Dessa forma

fizemos a simulação dos cenários durante dois minutos cada com distancia de 10 metros

inicialmente de um ponto de medição ao outro até alcançarmos a marca de 100m e a

partir dai achamos mais produtivo se as medições fossem realizadas a cada cem metros.

Os resultados obtidos no experimento foram compilados na tabela 3 contendo os dados

coletados.

Dessa forma podemos utilizar estes dados como referencia, já que este

comportamento é esperado pela própria natureza das ondas de rádio frequência, e

conseguimos verificar que mesmo conseguindo chegar perto das informações fornecidas



pelo fabricante ainda tivemos problemas em alcançar os valores máximos do datasheet

dos dispositivos.

Tabela 3 – Resultados Experimento 3

Distancia

(m)

Pacotes

Enviados

com

sucesso

Pacotes

Perdidos

Percent RSSI

(dBi)

10 52 12 81,3 -40

20 45 20 69,2 -46

30 51 16 76,1 -47

40 51 9 85 -56

50 46 13 78 -53

60 49 16 75,4 -62

70 47 12 79,7 -52

80 46 17 73 -60

90 52 6 89,7 -61

100 49 12 80,3 -50

200 40 23 63,5 -53

300 51 4 92,7 -68

400 48 11 81,4 -83

500 44 15 74,6 -70

600 41 17 70,7 -79

700 51 2 96,2 -73

800 48 11 81,4 -72

900 45 10 81,8 -72

1000 47 11 81 -70

1100 47 13 78,3 -69

1200 27 43 38,6 -85

1300 0 60 0 -104

5. Conclusão

Como pudemos verificar nesta simulação, as interferências e obstáculos prejudicam

bastante a qualidade da transmissão do Zigbee. O pior cenário encontrado foi entre

prédios e o melhor cenário foi com campo de visada em linha reta que ainda assim ficou



prejudicado pelos distúrbios gerados dentro de uma área urbana, sejam pessoas, carros e

outras tecnologias que utilizam a mesma faixa de frequência ISM.

Apesar dos problemas na frequência, as informações transmitidas chegaram de

forma satisfatória a seu destino dentro do campo de ação mostrando a robustez de uma

RSSF mesmo com inúmeras interferências citadas.

6. Referencias

LOUREIRO, Antonio A. F. at al (2003). Redes de Sensores Sem Fio. In XXI Simpósio

Brasileiro de Redes de Computadores, 2003, Natal. Anais... Natal: SBC, 2003, 48 p.

ZigBee Alliance (2013). Sobre o Zigbee. Disponível em: http://zigbee.org. Acesso em

05/03/2013.

ROGERCOM (2013). XBee/ZigBee - IEEE 802.15.4. Disponível em:

http://www.rogercom.com. Acesso em: 05/03/2013.

AKYLDIZ, Ian. F. et al. (2002). A Survey on Sensor Networks. IEEE Communications

Magazine, Vol.40 (8), p. 102-114.

GOMES, Ruan D. ; SPOHN, Marco A. (2010). Estudo Experimental da Utilização

Espectral na Banda ISM de 2.4 GHz. In: The 9th International Information and

Telecommunication Technologies Symposium, Rio de Janeiro. UNIRIO, 2010.

FIGUEIREDO, Carlos M. S. et al. (2009). Assessing the Communication Performance

of Wireless Sensor Networks in Rainforests. Wireless Days (WD), 2009 2nd IFIP.

COUTO, Fillipe L. ; FIGUEREDO, Luis Felipe C. (2008) – Medição Móvel de

Conforto Térmico para Rede de Automação Predial Wireless, Trabalho de Conclusão

de curso. UnB – Universidade de Brasilia, 2008.

BAUMANN, Chris (2006). Tips for selecting a Media Access Controller for ZigBee.

Industrial Control Designline: TechOnline Community. 28 ago. 2006.

DIGI International (2012). Product Manual - XBee/XBee-PRO OEM RF Modules, RF

Module Operation, RF Module Configuration and Appendices. 2012.

Google Maps (2013). Maps by Google. Disponível em: http://maps.google.com. Acesso

em: 05/03/2013.



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