ANÁLISE DA VIABILIDADE DO PROTOCOLO ZIGBEE NO … · Wireless Sensor Dynamic Networks, ZigBee, Network Management. Resumo Nos últimos anos, a tecnologia de Rede de Sensores Sem

ANÁLISE DA VIABILIDADE DO PROTOCOLO ZIGBEE NO NOVO CONTEXTO DE REDES

DINÂMICAS DE SENSORES SEM FIO

THIAGO A. OLIVEIRA, RAUL K. MANSANO, ELIANE C. RODRIGUES, EDUARDO P. GODOY

Grupo de Automação e Sistemas Integráveis, UNESP Sorocaba

E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Abstract In recent years, the technology of Wireless Sensor Network (WSN) has attracted increasing attention of academical

and industrial areas due to its great potential in many application fields. Currently, in most studies on WSNs, the network is as-

sumed to cover a large number of static sensors devices dispersed over an area of interest, forming a multi-hop communication

network with a fixed coverage area. As an extension of capabilities of WSNs, the dynamic mobility of components is a new

chain of interesting applications defined as Wireless Dynamic Sensor Network (WDSN). The initial challenge in WDSN is to

investigate whether this dynamic imposed on the network will be supported, once the used network protocol must meet the re-

quirements of devices input and output on the WDSN, the route discovery and data transmission with node mobility, among

other characteristics. This paper presents an overview of WDSNs, their types of mobility and existing applications. Furthermore,

a theoretical review of the ZigBee protocol is presented with high level of detail of network management. From the information

discussed in this paper, a feasibility analysis of using the ZigBee protocol in WDSN applications is performed. A survey of

characteristics and application requirements as well as a discussion of the advantages and disadvantages relating to the adoption

of ZigBee protocol in WDSNs are presented. The systematization of information in this paper aims to generate a reference doc-

umentation to guide research and development on the theme.

Keywords Wireless Sensor Dynamic Networks, ZigBee, Network Management.

Resumo Nos últimos anos, a tecnologia de Rede de Sensores Sem Fio (RSSF) tem atraído crescente atenção dos meios aca-

dêmico e industrial devido a seu enorme potencial em diversos campos de aplicação. Atualmente, em grande parte dos estudos

em RSSFs, a rede é assumida a abranger um grande número de dispositivos sensores estáticos dispersos sobre uma área de inte-

resse, formando uma rede de comunicação em múltiplos saltos com área de cobertura fixa. Como uma extensão de capacidades

de RSSFs, a dinâmica de mobilidade de componentes desta apresenta uma interessante nova cadeia de aplicações definida como

Rede Dinâmica de Sensores Sem Fio (RDSSF). O desafio inicial em RDSSFs é analisar se esta dinâmica imposta à rede será su-

portada, pois o protocolo de rede usado deve satisfazer os requisitos de entrada e saída de dispositivos da RDSSF, de descoberta

de rotas de transmissão de dados com a mobilidade dos nós, entre outras características. Este trabalho apresenta uma revisão so-

bre RDSSFs, seus tipos de mobilidade e aplicações existentes. Adicionalmente, uma revisão teórica do protocolo ZigBee é apre-

sentada, com aprofundamento no nível de gerenciamento de redes. A partir das informações discutidas no trabalho é realizada

uma análise de viabilidade de utilização do protocolo ZigBee em aplicações de RDSSF. Um levantamento de características e

requisitos de aplicação, bem como uma discussão das vantagens e desvantagens relativas à adoção do protocolo ZigBee em

RDSSFs são apresentados. Busca-se a partir da sistematização das informações deste trabalho, gerar uma documentação de refe-

rência para orientar trabalhos de pesquisa e desenvolvimento sob o tema.

Palavras-chave Redes Dinâmicas de Sensores Sem Fio, ZigBee, Gerenciamento de Rede.

1 Introdução

A origem da pesquisa em Redes de Sensores

Sem Fio (RSSF) remonta ao programa de Redes de

Sensores Distribuídos (DSN – Distributed Sensor

Networks) na Agência de Projetos de Pesquisa Avan-

çada de Defesa (DARPA - Defense Advanced Rese-

arch Projects Agency), Estados Unidos, por volta da

década de 80 (QINGCHUA, 2010). Naquela época,

mesmo que os primeiros pesquisadores sobre rede de

sensores tinham em mente a visão de uma Rede de

Sensores Sem Fio, a tecnologia necessária ainda não

estava pronta. Da década de 80 para os dias de hoje,

grandes avanços tecnológicos culminaram nos ramos

de sistemas embarcados, miniaturização de sensores

nas tecnologias de sistemas micro e nano eletromecâ-

nicos (PRIME, 2002), redução de tamanho em mi-

croprocessadores e tecnologias de rádio transmissão

de baixa potência, permitindo assim o surgimento da

tecnologia da Rede de Sensores Sem Fio (RSSF),

solução emergente de baixo custo de monitoramento,

supervisão e controle em uma ampla gama de ambi-

entes.

Em síntese, uma RSSF pode ser descrita como

uma rede de dispositivos, denotados nós, espacial-

mente distribuídos que, em cooperação, realizam

tarefas de sensoriamento e controle de certo ambiente

e comunicam as informações coletadas através de

links sem fio, permitindo a interação entre pessoas ou

computadores e o ambiente em análise (BURATTI et

al., 2009).

Da perspectiva de origem de sistemas distribuí-

dos, segundo HEIDEMANN (2001), uma RSSF é

definida como determinada classe particular de sis-

temas distribuídos, com particularidades como a uti-

lização de recursos limitados de energia, grande

quantidade de nós e topologia de rede dinâmica.

Quando comparada às redes tradicionais, RSSFs

apresentam características que as tornam particular.

Entre as principais características de RSSFs, podem-

se citar (BARONTI et al., 2006):

Mobilidade dos nós;

Restrições no consumo de potência;

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

418

Capacidade de lidar com falhas dos nós sen-

sores;

Heterogeneidade dos sensores;

Capacidade de resistir a condições ambien-

tais adversas;

Facilidade na utilização e manutenção;

O crescente interesse dos meios acadêmico e in-

dustrial nesta tecnologia abrange também novas apli-

cações específicas de RSSF, como a dinâmica destas

redes por meio da mobilidade de seus componentes

(PEREIRA et al., 2003). Definido como Redes Di-

nâmicas de Sensores Sem Fio (RDSSF), estas redes

com mobilidade dos componentes pode ser analisada

como uma RSSF não tradicional, onde as especifica-

ções previamente propostas e desempenho esperado

são levados a julgamento diante da capacidade de

suporte da dinâmica imposta à rede. Diante desse

desafio, alguns autores propuseram novos protocolos

de roteamento de redes sem fio com o objetivo de

otimizar e/ou incrementar novas funcionalidades aos

protocolos de RSSF existentes no mercado (VLAJIC

et al., 2011; PARK et al., 2013; CUOMO et al.,

2013). O objetivo era permitir a aplicação dessas

redes em RDSSFs. A desvantagem dessa abordagem

é a criação de protocolos particulares, com baixo

nível de interoperabilidade e padronização.

Este trabalho analisa a viabilidade de utilização

do protocolo ZigBee, de grande aceitação e padroni-

zação mundial, em aplicações de RDSSF. Para isto,

estuda-se principalmente o nível de gerenciamento de

redes definido neste protocolo. Além disso, uma revi-

são sobre RDSSFs, tipos de mobilidade e aplicações

existentes é apresentada.

2 Redes Dinâmicas de Sensores Sem Fio

Atualmente, em grande parte dos estudos em

RSSFs, a rede é assumida a abranger um grande nú-

mero de dispositivos sensores dispersos sobre uma

área de interesse, formando uma rede de comunica-

ção em múltiplos saltos (multi-hop). O objetivo pri-

mário de uma RSSF é juntar dados relevantes de seu

ambiente em análise e, subsequentemente, transmitir

estes dados a um nó de processamento central, usu-

almente definido como estação base ou sink. Na lite-

ratura de redes, tais sistemas consistem em múltiplos

dispositivos de envio e uma estação superior de rece-

bimento (BURATTI, 2009). Além deste conceito de

modelo de rede descrito, outro conceito que engloba

grande parte dos trabalhos na área de RSSF é o pres-

suposto que ambos os nós sensores e o sink são está-

ticos, ou seja, permanecem fixos em suas posições

iniciais de rede.

Por outro lado, abrangendo outra gama recente

de aplicações baseadas na tecnologia de RSSF, está

presente a característica de mobilidade dos compo-

nentes destas redes, definido em Pereira et al. (2003)

como Redes de Sensores Dinâmicas, e em Braga et

al. (2013) como Mobile Wireless Sensor Networks

(MWSNs) e/ou Mobile Ad-hoc Networks (MANETs).

Como uma mescla destas definições, este traba-

lho toma esta característica definindo-a como Redes

Dinâmicas de Sensores Sem Fio (RDSSF), pressu-

pondo que o nó coordenador (ou o usuário final inte-

ressado em adquirir as informações coletadas na re-

de, também definido em Pereira et al. (2003) como

observador), os nós sensores e/ou o fenômeno de

análise é(são) móvel(is).

Uma RSSF convencional gera um caminho de

transmissão de dados entre as variáveis de interesse

(fenômenos de análise) e a estação base (observador

final – seja o nó coordenador, um PC ou um disposi-

tivo de controle). No caso particular de RDSSFs, este

caminho entre a variável de interesse (fenômeno) e a

estação base pode apresentar multi-hops (múltiplos

saltos) sob condições dinâmicas. Sendo o nó coorde-

nador o dispositivo com o maior nível de processa-

mento e gerenciamento da rede, geralmente este ca-

minho entre a variável de análise e a estação base é

formado quando houver a requisição do nó coorde-

nador, ou seja, os sensores transmitem seus dados

coletados somente quando receber uma requisição do

coordenador. Este requisição também pode ser de

maneira direta (coordenador – nó sensor), ou de ma-

neira indireta (através de nós roteadores).

A figura 1 apresenta um exemplo de RDSSF on-

de um nó coordenador alocado em um jato faz a var-

redura (leitura) de nós sensores dispostos em um

campo militar (EKICI et al, 2006).

Figura 1 - RDSSF militar (EKICI et al., 2006).

Outra aplicação de RDSSF, desenvolvida no tra-

balho de Barrientos et al. (2011), apresenta um sis-

tema colaborativo feito de uma Rede Dinâmica de

Sensores Sem Fio através de um veículo aéreo não-

tripulável (no caso, um helicóptero quadrotor autô-

nomo - drone), o qual é aplicado ao monitoramento

de geadas em vinhedos. A característica central do

sistema é um nó móvel dinâmico carregado por um

robô aéreo, que assegura a comunicação entre grupos

dispersos localizados em parcelas fragmentadas (clu-

sters) e uma estação base, superando limitações de

alcance de RSSF com tais características. A figura 2

apresenta uma visão do sistema de monitoramento

proposto em Barrientos et al. (2011).

Figura 2 - RDSSF para monitoramento de geadas (BARRIENTOS

et al., 2011).


419

Uma terceira aplicação de RDSSF, é encontrada

na tecnologia emergente denominada em Ramteke et

al. (2012) como Rede Ad-hoc Veicular (VANET –

Vehicular Ad-hoc Network), e é um campo de pes-

quisa, atualmente incluso dentro de RDSSFs, que

começou a ganhar atenção na década de 1980 com

objetivo de fornecer infraestrutura para desenvolvi-

mento de novos sistemas para melhorar a segurança e

conforto de motoristas através da comunicação veícu-

lo-a-veículo. A figura 3 ilustra a aplicação de RDSSF

do tipo VANET proposta em Meraihi et al. (2008)

Figura 3 - RDSSF do tipo VANET (MERAIHI et al., 2008).

Em cada uma destas aplicações de RDSSF apre-

sentadas, assim como em outras possíveis aplicações,

classificam-se as RDSSF de acordo com o movimen-

to dos componentes (nó coordenador, nós sensores,

variável de análise), podendo-se definir diversas situ-

ações em que cada componente se encontre móvel,

com diferentes modelos de transmissão de dados,

protocolos e infraestruturas necessárias (PEREIRA et

al., 2003). As possíveis situações de mobilidade nu-

ma RDSSF são apresentadas a seguir.

2.1 RDSSF com nó coordenador móvel

Nesta situação de RDSSF, o nó coordenador, de-

finido como observador final da rede, apresenta ca-

racterística de mobilidade em relação aos nós senso-

res e ao fenômeno de interesse em análise. Esta situa-

ção ocorre sempre que o nó coordenador apresentar

movimento relativo aos sensores e às variáveis de

interesse, como por exemplo, em uma RDSSF onde

um módulo ‘coletor’ está posicionado em um avião

que sobrevoa uma área para coletar dados periódicos

em uma rede de sensores.

2.2 RDSSF com nós-sensores móveis

Outra situação de mobilidade de RDSSF é o caso

em que os sensores estão se movendo em relação aos

demais sensores e ao coordenador. Esta situação

ocorre quando certo fenômeno de interesse é estático

(fixo), mas seu estado de leitura é dinâmico, como

por exemplo, condições do tráfego, as ruas não se

movimentam, entretanto a quantidade de carros que

por elas passam é dinâmica. Nesta situação também,

os nós sensores são alocados em dispositivos móveis

que percorrem os fenômenos de interesse estáticos,

transmitindo dados entre si, e o agrupamento destes

dados retransmitido a estação base fixa. Um exemplo

para esta situação de mobilidade dos nós sensores, é

dado por uma RDSSF onde nós sensores são aloca-

dos em táxis para transmitir entre si as condições de

tráfego, e sempre que estes táxis se encontrarem pró-

ximos a uma estação base, retransmitir um agrupa-

mento de leitura das condições de tráfego realizadas

por este.

2.3 RDSSF com variável de interesse móvel

Uma terceira situação de mobilidade em RDSSF

encontra-se quando a variável de interesse em análise

é um fenômeno que se movimenta em relação à esta-

ção base ou aos nós sensores. Neste caso, têm-se os

nós sensores alocados nos fenômenos móveis de aná-

lise se movimentando junto com estes. Esta situação

pode ser exemplificada com uma RDSSF onde os nós

sensores são acoplados em animais, realizando o mo-

nitoramento da posição destes, tal como outras variá-

veis de interesse presentes nestes animais.

2.4 RDSSF híbrida

Por fim, uma situação menos usual e mais com-

plexa de mobilidade de RDSSF, é dada quando todas

as componentes da rede se encontram em mobilidade.

Para esta situação, têm-se o nó coordenador, os nós-

sensores e o fenômeno de análise, todos em movi-

mento. Este caso, mais complexo de se visualizar e

de implementação, pode ser exemplificado com um

sistema de RDSSF, onde um nó coordenador é aloca-

do em um avião sobrevoando uma determinada área

para realizar o monitoramento de informações de um

tornado. Pequenos sensores são lançados ao tornado

com capacidade de obtenção de dados sobre este e de

comunicação sem fio. Tem-se neste exemplo, a vari-

ável de interesse móvel, tal como os nós-sensores e o

nó coordenador.

3 Protocolo ZigBee

As particularidades e limitações impostas às

RSSFs tornaram necessário uma série de exigências

que levaram, no início do século XXI, a padroniza-

ção da comunicação sem fio de baixo custo e baixa

taxa de transmissão. Foram desenvolvidos, nesta

época, dois protocolos de comunicação complemen-

tares, o IEEE 802.15.4 e o ZigBee, formalizando as

exigências necessárias das especificações de RSSFs.

O protocolo IEEE 802.15.4 define as especifica-

ções das camadas física (PHY) e de controle de aces-

so ao meio (MAC) para as conhecidas LR-WPANs

(Low-Rate Wireless Personal Area Networks).

Com ênfase em aplicações de redes sem fio de

baixo custo de implantação, baixa taxa de transmis-

são de dados e baixa potência de operação, o proto-

colo ZigBee foi desenvolvido por uma associação de

empresas denominada ZigBee Alliance. O protocolo

ZigBee adiciona duas camadas de alto nível (Camada

de Rede – NWK – e Camada de Aplicação - APL)

para a estrutura básica pré-estabelecida pelo protoco-

lo IEEE 802.15.4.

Em suma, criou-se um padrão proprietário em re-

lação a outras tecnologias de comunicação, porém


420

um padrão com interoperabilidade, robusto e prático

com dispositivos das mesmas camadas de aplicação

(LEE et al., 2007). Ademais, o padrão ZigBee pode

ser considerado aberto, com toda documentação e

especificações gratuitamente disponíveis (ZIGBEE,

2013).

Cabe ressaltar que o protocolo IEEE 802.15.4

não deve ser confundido com o protocolo ZigBee.

Com o desenvolvimento independente do ZigBee, é

possível, com o protocolo IEEE 802.15.4, a constru-

ção de um sistema de comunicação sem fio baseado

em suas duas camadas inferiores (PHY e MAC) atra-

vés do desenvolvimento de camadas superiores espe-

cíficas (VLAJIC et al., 2011; PARK et al., 2013;

CUOMO et al., 2013). Entretanto, a padronização

destas camadas superiores já realizada pela ZigBee

Alliance proporciona interoperabilidade de equipa-

mentos e aplicações, fato que norteou o desenvolvi-

mento deste trabalho com o estudo da aplicação do

ZigBee em RDSSF.

4 Gerenciamento de RDSSF ZigBee

Como apresentado no tópico anterior, o protoco-

lo ZigBee traz um pilha de camadas que proporciona

à RSSF funcionalidades de gerenciamento de redes e

roteamento de dados. Em aplicações de RDSSF, de-

vido ao dinamismo na rede, estas funcionalidades do

protocolo ZigBee devem satisfazer a entrada e saída

de dispositivos da rede, a descoberta de rota de

transmissão de dados com a mobilidade dos nós, en-

tre outras características. Este tópico estuda e aborda

como estas funcionalidades estão definidas dentro

das camadas do protocolo ZigBee.

4.1 Descoberta de rota

O roteamento de dados em redes ZigBee é base-

ado no algoritmo de roteamento de vetor de distância

sob demanda (Ad Hoc On-Demand Distance Vector

– AODV) (Baronti et al., 2006). Por ser um algoritmo

de considerável complexidade para detalhamento, o

mesmo pode ser explicado de maneira mais intuitiva

através de um exemplo de transmissão de um pacote

de dados entre o coordenador da rede e um nó espa-

cialmente distante deste. Na figura 4, o nó coordena-

dor é representado pelo nó vermelho (0) e o nó de

destino do pacote de dados é representado em azul

pelo número 8, na extremidade direita da imagem.

Cabe destacar que o nó em vermelho representa o

coordenador da rede, os nós em azul são roteadores

(possuem a capacidade de retransmissão de dados) e

os nós em cinza são dispositivos finais (não possuem

a capacidade de retransmissão de dados).

Figura 4 – Descoberta de rota ZigBee - Definições

O nó coordenador terá que descobrir uma rota

para o nó de destino, considerando que esta ainda não

existe. O coordenador irá criar uma entrada de des-

coberta de rota (route discovery) em sua tabela de

descoberta, e iniciará o processo de descoberta de

rota.

Um frame de comando do tipo pedido de rota

(route request – RREQ) é gerado e transmitido, em

broadcast, para os nós vizinhos. O frame de coman-

do RREQ é de baixa complexidade e suas principais

componentes são a identificação do pedido (RREQ

id), o solicitante inicial do pedido (source), o nó an-

terior que transmitiu o frame (sender) e o endereço

do nó destino (destination).

Após os nós vizinhos receberem o RREQ, eles

criarão suas próprias entradas de descoberta e re-

transmitirão, em broadcast, o frame para seus nós

vizinhos. Os frames enviados para os nós anteriores

(caminhos reversos) serão descartados.

A retransmissão do frame RREQ continuará se

propagando através da rede. Cada nó que receber o

novo RREQ criará uma entrada para ele, modificando

apenas o valor do último nó anterior que transmitiu o

frame (sender). O processo se propaga até o nó desti-

no receber o frame RREQ.

Neste ponto, todos os nós roteadores e o nó des-

tino contêm uma entrada de descoberta de rota para a

solicitação de rota. O nó destino cria, então, um fra-

me de comando de resposta à rota (route reply –

RREP) e transmite de volta como um frame unicast.

O destino do próximo salto é então especificado pelo

endereço do sender em sua entrada de descoberta de

rota.

O frame de resposta à rota – RREP – é propaga-

do em transmissão unicast para o endereço sender na

tabela de descoberta até alcançar novamente o nó que

originou a solicitação de rota.

Isto termina o processo de descoberta de rota.

Tem-se neste ponto, uma rota definida para transmis-

são de dados do nó coordenador (ou qualquer outro

nó que faça solicitação de rota) para o nó de destino.

Observa-se que a rota completa não é armazenada em

nenhum dispositivo. Cada dispositivo apenas sabe o

próximo salto no caminho para o destino. A figura 5

ilustra o descobrimento de rota final desejado.

Figura 5 – Descoberta de rota ZigBee.

Cabe aqui ressaltar que, após os procedimentos

de solicitação e resposta de rota, com ou sem a che-

gada do frame de resposta ao nó que originou a soli-

citação de rota, as entradas de descoberta de rota em

todos os nós são expiradas após certo tempo. De


421

acordo com a especificação do protocolo ZigBee,

este tempo é definido em 10 segundos.

O algoritmo de roteamento AODV é composto

também por outros pontos de maior complexidade,

como a redundância de rotas para o destino, custo de

link para determinar a melhor rota, entre outros fun-

damentos não abordados neste trabalho.

4.2 Funções de Gerenciamento de Rede

Para compreender as principais funções de ge-

renciamento de rede, é realizada uma revisão teórica

da estruturação das camadas ZigBee e os componen-

tes da camada de aplicação.

A camada de aplicação (camada de maior nível

na pilha do protocolo ZigBee), é composta de três

partes: Subcamada de Suporte à Aplicação (APS –

Application Support Sublayer); Framework de Apli-

cação (AF – Application Framework); e os Objetos

de Dispositivos ZigBee (ZDO – ZigBee Device Ob-

jects). A subcamada de suporte à aplicação – APS -

realiza a interface entre a camada de aplicação e a

camada de rede, fornecendo um conjunto comum de

serviços de transporte de dados para todas as extre-

midades (endpoints). O Framework de Aplicação –

AF - é simplesmente um multiplexador para todos os

endpoints. Todos os endpoints se registram com o

AF, e quando um frame de dados vem para a camada

de aplicação, o AF irá checar seu endpoint de destino

e envia-o para lá.

Os endpoints são os principais meio de acesso

do usuário com o protocolo ZigBee. Cada endpoint

abriga o que é chamado de objeto de aplicação, que é

basicamente um perfil de dispositivo com qualquer

funcionalidade extra que o usuário decida adicionar.

Quando o dispositivo é iniciado, todos os endpoints

irão se registrar com o Framework de Aplicação – AF

– e fornecer descrições de seus perfis de dispositivos,

tal como suas capacidades.

Com esta estrutura das camadas IEEE 802.15.4 e

ZigBee em mente, pode-se adentrar as principais fun-

ções de gerenciamento da rede.

4.2.1 Formação da Rede ZigBee

Quando uma aplicação de usuário (user app),

através de um dispositivo, decide formar uma rede ao

invés de se juntar a uma rede existente, este instruirá

ao Objeto de Dispositivo ZigBee – ZDO – a chamar a

função de formação de rede. Apenas um dispositivo

roteador com capacidades de coordenador pode for-

mar uma rede e este é indicado nas informações base

da camada de aplicação.

Quando a função de formação de rede é chama-

da, uma lista de canais autorizados deve ser fornecida

para que se possa limitar a um subconjunto dos ca-

nais disponíveis totais (para os dispositivos ZigBee

que operam na frequência de 2,4 GHz, tem-se dispo-

níveis no total 16 canais).

A função de formação de rede irá então chamar

os serviços de varredura de energia (energy scan) e

varredura de rede (active scan), ambos os serviços da

camada de controle de acesso ao meio – MAC -, e

realizarão varreduras na lista fornecida de canais

autorizados. Quando as varreduras terminarem, uma

função de confirmação de varredura retornará as lei-

turas de energia e descrições obtidas da varredura de

rede. A partir deste ponto, a função de formação de

rede precisará decidir em qual canal se juntar. O cri-

tério típico é escolher um canal com a mais baixa

leitura de energia (menor quantidade de tráfego).

Uma vez que o canal é selecionado, o coordena-

dor definirá uma identificação de Rede de Área Pes-

soal (PAN id) e o canal no rádio. O passo final é a

camada de rede chamar o serviço de inicialização da

MAC, para que as confirmações retornem e sejam

transferidas entre as camadas, até que chegue de vol-

ta na aplicação do usuário (user app). A figura 6 ilus-

tra o processo de formação de rede ZigBee, como

descrito anteriormente.

Figura 6 – Diagrama de formação de rede ZigBee.

4.2.2 Descobrimento de Redes ZigBee

Como o próprio nome sugere, o serviço de des-

cobrimento de redes ZigBee é utilizado para desco-

brir as redes existentes no atual canal de operação. É

principalmente utilizado quando o dispositivo é inici-

alizado e precisa descobrir se existem redes adequa-

das para entrar, embora também possa ser utilizado a

qualquer momento através do aplicativo de usuário.

Quando uma descoberta de rede é solicitada pelo

Objeto de Dispositivo ZigBee – ZDO – ou pelo usuá-

rio, a função de descobrimento chamará o serviço de

varredura de rede, presente na camada MAC, o qual,

por sua vez, irá transmitir em broadcast uma sinali-

zação de pedido (beacon request). Quando outros

dispositivos recebem o beacon request, eles respon-

deram com um frame de sinalização 802.15.4, o qual

contêm as informações MAC do dispositivo que está

respondendo, tal como um frame genérico de dados

com vastas informações de rede (beacon payload).

Dentro deste frame, o dispositivo de resposta incluirá

as informações de rede ZigBee, tal como a identifica-

ção do protocolo e versão, quantidade de roteadores

e end-devices permissíveis para agrupar a rede, o

perfil de dispositivo que este está sendo utilizado


422

(coordenador, roteador ou end-device), e outras in-

formações adicionais.

Quando os beacons do pedido de varredura de

rede são recebidos, o dispositivo adicionará ambas as

informações das camadas MAC e NWK para sua lista

de descrição de varredura e tabela de nós vizinhos.

Após todas as informações dos beacons serem cole-

tados, uma confirmação de descobrimento de rede

será enviada para o ZDO com a lista contendo todas

as descrições da varredura de rede. O ZDO ou o user

app teriam então que decidir em qual rede se agrupar

baseado em certo critério de entrada. É neste critério

que o usuário pode especificar se ele apenas quer que

seus dispositivos adentrem em determinadas rede ou

mesmo se há um dispositivo específico que eles dese-

jariam agrupar. A figura 7 apresenta um diagrama

esquemático da sequência de descobrimento de redes

ZigBee.

Figura 7 - Diagrama da sequência de descobrimento ZigBee.

4.2.3 Ingresso a Rede (Network Join)

Ingressar um dispositivo a uma rede, ou permitir

a ingressão de um dispositivo a rede, é provavelmen-

te um dos processos mais complexos no protocolo

ZigBee. Existem na verdade, dois lados do processo

de ingressão na rede: o lado do “filho” que envia uma

solicitação e o lado do “pai” que processa a solicita-

ção e envia a resposta.

A primeira parte do processo de ingressão para o

nó filho é realizar a descoberta de rede (network dis-

covery). Esta é usualmente realizada quando o dispo-

sitivo é inicializado e não está associado em nenhuma

rede. Uma vez que a descoberta de rede é completa e

o potencial nó pai esteja de acordo com os critérios

de ingressão, então é hora do processo de ingressão a

rede iniciar-se.

Quando o potencial nó pai tiver sido escolhido,

um pedido de solicitação de ingressão a rede

(network join request) é chamado pelo ZDO. O join

request chamará o serviço de associação, serviço

presente na camada MAC, e emitirá um pedido de

associação para o potencial nó pai. Se os critérios de

permissão de ingresso do nó pai atenderem a solicita-

ção de ingresso do nó filho, uma confirmação de as-

sociação é enviada de volta ao nó filho.

Quando esta resposta é recebida, ela passará pela

camada de rede via a resposta de associação da ca-

mada MAC. Se o ingresso for bem sucedido, o dispo-

sitivo atualizará suas tabelas de informações das ca-

madas NWK e MAC para incluir o novo endereço de

rede, a identificação de Rede de Área Pessoal (PAN

ID), e também atualizar as tabelas de vizinhos para

especificar seu pai. Uma vez que o trabalho adminis-

trativo é concluído, a confirmação de ingresso a rede

é enviada até o ZDO onde este pode informar a apli-

cação sobre o status de ingresso. Se o status de in-

gresso não obteve sucesso, então a aplicação deve

escolher outro potencial nó pai da tabela de vizinhos

e tentar novamente o procedimento de ingresso até

este eventualmente se ingressar na rede ou se esgota-

rem os potenciais nós pais.

Uma das últimas ações que ocorre após um in-

gresso bem sucedido é que o dispositivo transmitirá

um anúncio informando a todos na rede que este se

ingressou na rede, tão bem como seus endereços de

16 e 64-bits. Isto é importante pois, se o dispositivo

estava previamente ingresso na rede, os outros dispo-

sitivos serão capazes de descobri-lo através do seu

endereço de 64-bits (endereço fixo) e poder limpar

todas as referências ao antigo endereço de rede.

Ademais, as informações de endereço serão adicio-

nadas ao mapa de endereço de todos dispositivos que

pode ser rastreada por qualquer nó da rede. A figura

8 ilustra o diagrama de ingresso a rede ZigBee visto

pelo lado do nó filho.

O lado do nó pai no processo de associação é li-

geiramente mais fácil. Quando um pedido de associa-

ção chega ao potencial pai, este envia uma indicação

a camada de rede que um dispositivo está tentando

ingressar a rede. O potencial pai procurará então em

sua tabela de vizinhos para verificar se o endereço de

64-bits do solicitante já existe. Se existir, então signi-

fica que o dispositivo previamente já ingressara na

rede e o nó pai simplesmente emitirá o mesmo ende-

reço de rede para este. Caso não exista nenhum regis-

tro do dispositivo na tabela de vizinhos, e o pai esteja

em estado de permissão de ingresso de dispositivos,

então ele simplesmente adicionará o dispositivo à sua

tabela de vizinhos especificando que é um dispositivo

filho e gerará um novo endereço de rede para ele.

Isto tudo é empacotado e enviado de volta ao nó soli-

citante de ingresso como uma resposta de associação.

A figura 9 ilustra o diagrama de ingresso a rede

ZigBee visto pelo lado do nó pai.

Figura 8 –Diagrama de ingresso a rede ZigBee visto pelo nó filho.


423

Figura 9 - Diagrama de ingresso a rede ZigBee visto pelo nó pai.

5 Análise da viabilidade de aplicação do protoco-

lo ZigBee em RDSSF

Para realizar uma análise de viabilidade de apli-

cação do protocolo ZigBee em RDSSF, levaram-se

em consideração os casos críticos impostos pelos

dinamismo da RDSSF em função dos principais pa-

râmetros de transmissão de dados e gerenciamento de

rede do protocolo.

De maneira geral, o protocolo ZigBee apresenta

em suas camadas lógicas as principais funcionalida-

des requeridas para uma aplicação de RDSSF. Tais

funcionalidades, descritas na seção anterior, como

mecanismos de descoberta de rotas, formação e des-

cobrimento de rede e gerenciamento de ingresso (en-

trada e saída) à rede encontram-se implementados no

protocolo e disponíveis para qualquer aplicação, co-

mo por exemplo, uma rede ZigBee com mobilidade

de dispositivos. Essa adequação do protocolo ZigBee

frente aos requisitos gerais de RDSSFs permite afir-

mar que existe viabilidade para o desenvolvimento de

RDSSFs ZigBee.

É claro que aplicações específicas de RDSSFs

ZigBee demandariam um estudo mais detalhado do

cumprimento de requisitos dessa aplicação diante do

desempenho do protocolo ZigBee. No entanto isso

teria que ser feito caso a caso. Por outro lado, a análi-

se de alguns parâmetros do protocolo em casos críti-

cos de RDSSF trazem importantes considerações a

serem observadas.

Considerando uma aplicação de RDSSF com nó

coordenador móvel, uma das condições críticas de

transmissão de dados entre os nós, é a constante mu-

dança de nós roteadores e sensores vista pelo coorde-

nador. Nesta condição imposta pelo dinamismo dos

nós que rodeiam o coordenador, fora estudado ante-

riormente que o algoritmo de roteamento presente no

protocolo ZigBee realiza uma temporização das en-

tradas de descoberta de rota em todos os nós da rede,

de acordo um tempo pré-definido no protocolo, 10

segundos (ZIGBEE, 2013). Esta temporização das

entradas de descoberta de rota nos nós permite o di-

namismo de entrada e saída de nós na rede. Se um nó

sair da rede, ele não participará no novo processo de

descoberta de rota, e um diferente trajeto será auto-

maticamente descoberto.

Novamente em uma aplicação de RDSSF com

coordenador móvel, considera-se outra condição crí-

tica a rotatividade de ingressões de nós roteadores e

sensores na rede, à medida que estes entrem em uma

área de cobertura acessível de comunicação com o nó

coordenador. De acordo com o estudado, é verificado

nesta aplicação, certa desvantagem do protocolo

ZigBee, uma vez que o processo de ingresso na rede

inicia-se a partir de uma solicitação de um nó filho

para um nó pai. Ou seja, neste caso, os nós roteado-

res e/ou sensores que permanecem estáticos na apli-

cação, devem constantemente procurar obter uma

associação com o nó coordenador, o que traz uma

funcionalidade pouco lógica e de consumo de potên-

cia desprezível, uma vez que o nós sensores poderi-

am permanecer em modo sleep enquanto estivessem

foram do range de comunicação com o nó coordena-

dor.

Por fim, uma última condição crítica encontrada

para análise, é vista em aplicações onde através do

trajeto do nó móvel, este encontrar uma quantidade

de nós superior a sua capacidade de associação. Co-

mo fora estudado no processo de descobrimento de

redes ZigBee, dentro do frame beacon payload, uma

das informações que este carrega é a quantidade de

roteadores e end-devices permissíveis para agrupar a

rede. Este parâmetro pode ser visto no protocolo

ZigBee como o “número de filhos restantes” (number

of remain children – NC) para associação. Neste ca-

so, a especificação ZigBee (ZIGBEE, 2013) apresen-

ta valores limites de associação para nó coordenador

em 10 filhos, e para roteadores em 12 filhos. O nú-

mero limite de nós em uma rede ZigBee é bem vasto

(até 65.000 dispositivos). Entretanto, em aplicações

de RDSSF, deve-se levar em consideração a disposi-

ção de nós roteadores para não esgotar o número de

dispositivos agregados no nó móvel, e assim evitar

perdas de informações dos nós sensores na rede.

6 Conclusões

No desenvolvimento deste trabalho, verifica-se a

grande gama de novas aplicações que as Redes Di-

nâmicas de Sensores Sem Fio trazem às já tradicio-

nais RSSFs. Extensão da área de cobertura de comu-

nicação, obtenção de dados em locais de difícil aces-

so, acréscimo de inteligência em sistemas móveis,

entre outros, são apenas algumas das diversas vanta-

gens impostas pela RDSSF.

A utilização de um protocolo de rede sem fio

consolidado no mercado, com baixo consumo e baixo

custo, certamente traz grandes vantagens no desen-

volvimento de aplicações de RDSSF. O protocolo

ZigBee, atualmente um dos padrões de comunicação

sem fio para RSSF mais utilizados mundialmente,

certamente solucionaria a questão de interoperabili-

dade nesta nova classe de RDSSF, fugindo ao desen-

volvimento de novos protocolos particulares e pro-

prietários de redes sem fio.

A viabilidade de uso do ZigBee em RDSSF foi

realizada através do estudo detalhado do protocolo

diante dos requisitos impostos por essa novo tipo de

aplicação de rede de sensores sem fio. Das condições

críticas analisadas, o protocolo ZigBee apresenta cer-

tas limitações, como a ingressão de rede iniciada pe-

los nós filhos e baixo número de filhos agregados no

nó coordenador e nós roteadores. Entretanto, com a


424

redescoberta de rota para transmissão de dados de

maneira automática, e com a capacidade de expansão

da rede através de nós roteadores, o protocolo ZigBee

torna-se solução viável e promissora para aplicação

em RDSSF.

O estudo aprofundado de aplicações específicas

de RDSSFs demandaria a análise de outros parâme-

tros inerentes a cada aplicação, como a elevação da

dinâmica da rede, intermitência de conectividade,

tolerância a atrasos, entre outros. Para estas aplica-

ções específicas de RDSSFs, outros protocolos de

redes sem fio poderiam ser aplicados e um estudo

para buscar o melhor desempenho ou o protocolo de

rede mais adequado para a aplicação em desenvolvi-

mento poderia ser realizado.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao apoio para desenvolvi-

mento deste trabalho: 2011/23217-0, Fundação de

Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo

(FAPESP).

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ANÁLISE DA VIABILIDADE DO PROTOCOLO ZIGBEE NO … · Wireless Sensor Dynamic Networks, ZigBee, Network Management. Resumo Nos últimos anos, a tecnologia de Rede de Sensores Sem