Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Monitorização da Qualidade do Ar utilizando Redes de Sensores Sem Fios Oportunistas



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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto



Monitorização da Qualidade do Ar utilizando Redes de Sensores Sem Fios Oportunistas

Monica Sofia Rei de Azevedo



Versão provisória

Dissertação realizada no âmbito do

Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Major Automação

Orientador: Prof. Dr. Paulo José Lopes Machado Portugal

Março,2010

© Monica Azevedo, 2010

Resumo


Neste trabalho será implementado um sistema baseado numa rede de Sensores Sem Fios que permitirá a monitorização da qualidade do ar de uma cidade através de uma infra-estrutura de transporte de passageiros existente, por exemplo STCP. As estações de monitorização da qualidade do ar encontram-se distribuídas pelas paragens dos autocarros da cidade onde os veículos de transporte de passageiros irão recolher as informações existentes em cada paragem.

Esta aplicação será implementada através de uma rede ZigBee onde a comunicação entre os vários nós (paragem e autocarro) será estabelecida quando o veículo se aproxima da paragem. Os nós comunicam entre si através de uma tecnologia RF especialmente desenvolvida para redes sensoriais, ZigBee, devido ao seu baixo custo, baixo tempo de resposta e baixo consumo de energia (ideais para uma rede de sensores que se pretende funcional durante muito tempo), aliados a um alcance satisfatório (100 m).
Os nós disseminam informação dentro da rede usando um algoritmo de encaminhamento específico para redes sensoriais, embebido no sistema operativo que corre nos módulos da rede.

Esta rede possui capacidades de adaptação a alterações da sua topologia (e.g. alterações devidas a vandalismo, mau funcionamento de um nó, mudanças de posição, encerramento da paragem, desvio do tráfego, etc.).



Abstract

In this study we evaluated a network-based Wireless Sensor which will allow monitoring of air quality of a city by an infrastructure of existing passenger transport, for example STCP. The monitoring stations of air quality are distributed by the bus stops of the city where the carriage of passengers will gather existing information at each stop.

This application will be implemented through a ZigBee network where communication between the various nodes (stop and bus) will be established when the vehicle approaches the stop. The nodes communicate using an RF technology especially designed for sensory networks, ZigBee, because of its low cost, low latency and low power consumption (ideal for a network of sensors intended to be functional for a long time), together a satisfactory extent (100 m).

Nodes disseminate information within the network using a routing algorithm specific for sensory networks, embedded operating system that runs on the network modules.


  This network has ability to adapt to changes in their topology (eg changes due to vandalism, malfunction of one node, change position, stop the closure, detour traffic, etc.).

Agradecimentos

Com os melhores …


Índice



Introdução 1

Redes Wireless 3

Redes ZigBee 25

Inserção de referências no texto 40



Lista de figuras

Figura 2.1 – Exemplo de um dispositivo em rede WPAN 4

Figura 2.2 – Exemplo de rede WLAN 4

Figura 2.3 – Exemplo de um dispositivo em rede WPAN 5

Figura 2.4 – Exemplo de um dispositivo em rede WWAN 5

Figura 2.5 – Classificação das redes Wireless de acordo com a área de abrangência 5

Figura 2.6 – Topologia típica WSN 6

Figura 2.7 – Logótipo Wi-Fi 8

Figura 2.8 – Bluetooth 9

Figura 2.9 – Logótipo Wibree 9

Figura 2.10 – Apresentação da ZigBee 10

Figura 2.11 – Logótipo Tiny 11

Figura 2.12 – Tecnologias WPAN 13

Figura 2.13 – Tecnologias WLAN 14

Figura 2.14 – Tecnologias WLAN 15

Figura 2.15 – Regulação WPAN 15

Figura 2.16 – Regulação WLAN 16

Figura 2.17 – Regulação WLAN 16

Figura 2.18 – Topologia de Rede Star 18

Figura 2.19 – Topologia de Rede Peer-to-Peer 19

Figura 2.20 – Topologia de Rede ZigBee Star 28

Figura 2.21 – Topologia de Rede ZigBee Mesh 29

Figura 2.22 – Topologia de Rede ZigBee Cluster Tree 29




Lista de tabelas

Tabela 1.1 — Comparação das Tecnologias Wireless 10

Abreviaturas e Símbolos
ACK Acknowlegdment

AES Advanced Encryption Standard

API Application Programming Interface

BPSK Binary Phase Shift Keying

CBA Commercial Building Automation

CB Citizen Band

CCA Clear Channel Assessment

CSMA/CA Carrier sense multiple access with collision avoidance

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

ETSI European Telecommunications Standards Institute



FCC Federal Communications Commission

FDD Full Function Devices

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum

GTS Guaranted-Time Slot

HA Home Automation

HAN Half Assed Network

IBC International Broadcasting Corporation

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

Ipv6 Low power Wireless Personal Area Networks

IrDA Infrared Data Association

ISM Industrial, Scientific and Medical

ITU-R International Telecommunication Union- Radiocommunication Sector

LAN Local Area Network

LLC Logical Link Control

LR-WPAN Low Rate Wireless Local Area Network

MAC Media Access Control

MAN Metropolitan Area Network

MIC Message Integrity Code

MP3 MPEG-1/2 Audio Layer 3

MPI MultiPath Interference

NWK Network

OFDM Orthogonal frequency-division multiplexing

O-QPSK Offset quadrature phase-shift keying

OSI Open System Interconnection

PAN Personal Area Network

PDA Personal Digital Assistants

PHY Physical Layer

RF4CE Radio Frequency for Consumer Electronics

RF Radio frequency



RFD Reduced Function Device

SE Smart Energy

TA Telecom Applications

Wi-Fi Wireless Fidelity

WLAN Wireless Local Area Network

WMAN Wireless Metropolitan Area Network

WPAN Wireless Personal Area Network

WSN Wireless Sensor Network

WWAN Wireless Wide Area Network

ZHC ZigBee Health Care

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