Rede de Sensores sem Fio para Monitoramento de Equipamentos Eletrônicos Ilo Amy Saldanha ...

102 Pages·2011·9.72 MB·Portuguese

PONTIFÍCIAUNIVERSIDADECATÓLICADEMINASGERAIS
ProgramadePós-GraduaçãoemInformática
Rede de Sensores sem Fio para Monitoramento
de Equipamentos Eletrônicos
Ilo Amy Saldanha Rivero
BeloHorizonte
2011
Ilo Amy Saldanha Rivero
Rede de Sensores sem Fio para Monitoramento
de Equipamentos Eletrônicos
Dissertação apresentado ao Programa de
Pós-Graduação em Informática da Pontifí-
ciaUniversidadeCatólicadeMinasGerais,
como requisito parcial para a obtenção do
GraudeMestreemInformática.
Orientadora: Profa. Raquel Aparecida de
FreitasMini
BeloHorizonte
2011
FICHA CATALOGRÁFICA
Elaborada pela Biblioteca da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais

Rivero, Ilo Amy Saldanha
R621r Rede de sensores sem fio para monitoramento de equipamentos eletrônicos /
Ilo Amy Saldanha Rivero. Belo Horizonte, 2011.
101f.: il.

Orientadora: Raquel Aparecida de Freitas Mini
Dissertação (Mestrado) – Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais.
Programa de Pós-Graduação em Informática.

1. Sensoriamento remoto. 2. Computação móvel 3. Sistemas de comunicação
sem fio. 4. Radiofreqüência. I. Mini, Raquel aparecida de Freitas. II. Pontifícia
Universidade Católica de Minas Gerais. Programa de Pós-Graduação em
Informática. III. Título.

CDU: 528.7

ParaminhafilhaGiovana.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por ter feito com que várias pessoas cruzassem o meu
caminho e me ajudassem nessa caminhada. Agradeço especialmente à minha esposa Silvia
pelo apoio, amor, dedicação, coragem e pela paciência enquanto estávamos distante um do
outro e de nossa filha, e sem o qual o Mestrado não seria possível. À minha mãe Anete, pelo
apoioincondicional,emtodososmomentos,paraqueeuconseguisseatingirmeusobjetivos. À
minhaprimaElaine,peloacolhidainicialemBeloHorizonte.
À minha orientadora, Profa. Raquel Mini, meus agradecimentos especiais por confiar
e acreditar no meu trabalho, pela paciência nas inúmeras correções e ajustes necessários para
melhorarestadissertaçãoe,também,peloapoioeincentivoparaqueeupudessevoltarparaBH
paratrabalharepossibilitar,comisso,oingressarnoDoutorado. Obrigadoportornaressesonho
realidade. AoProf. Loureiropelaspalavrasdeincentivonadefesaepelovotodeconfiançapara
oingressonoDoutorado. AoMaxdoVal,queindicouoexcelentealunodagraduaçãoMarcelo
Abi-Acl, que tanto ajudou no desenvolvimento desse trabalho e a quem também estendo os
agradecimentos.
AosprofessoresdoMestradodaPUCMinas,meussincerosagradecimentos,poisaprendi
muitascoisassobrecomputação: Prof. Mark,quemefezentenderoquerealmenteeracomputa-
ção;Prof. Humberto,quemeensinouacomofazercomqueoscomputadoresmeentendessem;
Prof. Henrique, que me ensinou como os computadores funcionavam por dentro; Profs. Ze-
nilton e Ana, que me ensinaram a como escrever e falar corretamente sobre os computadores;
Profa. Fátima, que me ensinou tudo sobre as siglas em telecomunicações, mostrando como os
computadores conversam; Prof. Silvio, que me ensinou o que era trivial e o que era não trivial
para os computadores (e que eles gostam de matemática); e, de novo, Profa. Raquel, que me
ensinouqueoscomputadoresvãodesaparecer...
Agradeço também à Giovana Cássia pelo apoio, paciência e competência para resolver
as minhas demandas na secretaria. Meus agradecimentos ao Prof. Sandro Jerônimo, do MIC,
pelas oportunidades de trabalho e treinamento oferecidas. Ao pessoal do CRC/Prodabel, em
especial Conceição, Samir, Márcio e Geordana. Aos colegas e amigos da turma de 2009 do
Mestrado, Anna, Angelo, André, Cláudia, Francisco, Henrique, Kleber, Pedro, e também do
lab, Gabriel, Luciana e Felipe e a todos que colaboraram direta ou indiretamente para que este
trabalhofossepossível.
“Seu trabalho vai preencher uma parte grande
da sua vida, e a única maneira de ficar real-
mente satisfeito é fazer o que você acredita ser
um ótimo trabalho. E a única maneira de fazer
umexcelentetrabalhoéamaroquevocêfaz.”
SteveJobs
RESUMO
A modernização das salas de aula permitiu novas metodologias de ensino, mas também
tornou o gerenciamento dos equipamentos eletrônicos utilizados como ferramentas de apren-
dizagem muito mais complexo. Problemas como controle do consumo de energia elétrica, de
utilizaçãodosequipamentoseroubosestãosetornandocomunsnasinstituiçõesdeensino. Este
trabalho propõe o desenvolvimento de uma Rede de Sensores sem Fio (RSSF), com o objetivo
de monitorar equipamentos eletrônicos, permitindo a uma instituição de ensino um controle
patrimonial em tempo real. O projeto de uma rede de sensores sem fio para monitoramento
de equipamentos eletrônicos exige não somente o desenvolvimento e montagem dos módulos
sensores, mas também precisa contemplar o desenvolvimento do software para gerenciar e tra-
tar os dados coletados, transformando-os em uma fonte de informação útil e confiável para os
administradores de um campus universitário. Foram desenvolvidos algoritmos para otimizar
as tarefas de identificação dos tipos de dados sensoreados e diminuir a quantidade de dados
redundantes transmitidos pela RSSF, melhorando o tempo de resposta da rede a um evento e
diminuindo o consumo de energia. Os experimentos realizados neste trabalho culminaram no
desenvolvimento de um nó sensor com um menor consumo de energia, se comparado aos nós
sensores utilizados inicialmente. O desenvolvimento do nó sensor, em conjunto com os algo-
ritmos desenvolvidos, permitiu um aumento no tempo de vida de um módulo sensor acima de
500%,alémdareduçãodoenviodedadosredundantesemcercade59,7%. Odesenvolvimento
do hardware do novo nó sensor também possibilitou uma redução de pouco mais de 40% no
custo de aquisição de módulos de RSSF, em relação aos nós sensores utilizados inicialmente
nestetrabalho.
Palavras-chave: Computação ubíqua, rede de sensores sem fio, zigbee, equipamentos
eletrônicos,monitoração.
ABSTRACT
The classrooms modernization have enabled new teaching methods, but also made the
electronic devices management, used as tools for learning, much more complex. Issues such
as power consumption control, equipment utilization and thefts are becoming commonplace in
educational institutions. This paper proposes the development of a Wireless Sensor Network
(WSN), in order to monitor electronic equipments, allowing a real time equity control for edu-
cational institutions. The design of a wireless sensor network for environmental monitoring
requires not only the development and installation of sensor modules, but also must include
the software development to manage and process the data collected, turning them into a source
of reliable information for the college campus administrators. Algorithms were developed to
optimize the tasks of sensor type identification and decrease in the amount of redundant data
transmittedbytheWSN,improvingthenetworkresponsetimetoaneventandreducingenergy
consumption. The experiments in this work culminated in the development of a new sensor
node, with a lower power consumption if compared to the sensor nodes used initially. The sen-
sornodedevelopment,togetherwiththealgorithmsdeveloped,allowedanincreaseinthesensor
modulelifetimeabove500%,whilereducingtheredundantdatatransmissionabout59.7%. The
new sensornode development alsoprovided a costsavings of up to40% in WSNnew modules
acquisition,comparedtothoseoriginallyusedinthiswork.
Keywords: Ubiquitous computing, wireless sensor networks, zigbee, electronic equipa-
ment,monitoring.
LISTADEFIGURAS
FIGURA1 SaladeaulacomprojetorLCD ...................................... 18
FIGURA2 ProjetorLCDcomgaiolaecadeado .................................. 19
FIGURA3 ComponentesdeumNóSensor ...................................... 23
FIGURA4 ExemplodeTopologiadeumaRedeZigBee .......................... 25
FIGURA5 CamadasZigBeeeIEEE802.15.4 ................................... 26
FIGURA6 TiposdetopologiasdaredeZigBee .................................. 27
FIGURA7 MódulosderádioXBeeetiposdeantenas ............................ 29
FIGURA8 QuadrodedadosdaAPI ............................................ 30
FIGURA9 QuadrodeDadosdaAPIID0x90 ................................... 30
FIGURA10 ProgramaX-CTU-TestedeConexão ................................ 31
FIGURA11 ConfiguraçãodosParâmetrosdoRádio ............................... 32
FIGURA12 PinagemdoRádioXBee ............................................ 33
FIGURA13 ModosdeOperaçãodoXBee ........................................ 34
FIGURA14 ConfiguraçãodosPinosdoATMega328 ............................. 36
FIGURA15 DiagramaemblocosdosistemadeclockdoATMega .................. 38
FIGURA16 PlacaArduinoDuemilanove ......................................... 39
FIGURA17 ArduinocomXBeeShield .......................................... 41
FIGURA18 SegurançaFísicadeumProjetorLCD ................................ 43
FIGURA19 Exemplodeumnósensor ........................................... 44