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Redes de Comunicação Sem Fio Zigbee
Palestrante: André Rasmínio
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O que é Zigbee?
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ZigBee®
O que é ZigBee?
• Protocolo de comunicação sem fio entre
dispostivos eletrônicos baseado no pad...
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ZigBee®
• ZigBee é o nome de um protocolo de
comunicação wireless desenvolvido pela ZigBee
Alliance bas...
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Porque utilizar ZigBee?
• Baixo consumo de energia;
• Segurança AES 128bits;
• Confiabilidade de dados;...
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Características ZigBee®
Baixo Consumo de Energia
Devido às características de concepção da tecnologia
Z...
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Características ZigBee®
Segurança
• Provê a confidencialidade da informação;
• Mantém a integridade e a...
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Características ZigBee®
AES
O AES é um algoritmo de criptografia que pode ser utilizado para proteger
d...
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Baixo Custo de Implantação
O baixo custo de implantação desta tecnologia é uma ...
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Tipos de redes ZigBee®
Redes Ponto a Ponto e Estrela
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Tipos de redes ZigBee®
Redes Árvore
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Tipos de redes ZigBee®
Redes Malha
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Tipos de Mercados ZigBee®
Interoperabilidade entre diversos fabricantes;
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Características ZigBee®
Alta Imunidade a Interferência;
• Scanning e Energy Scan - prevê a amostragem d...
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Características ZigBee®
Scanning e Energy Scan nos 16 canais em 2.4GHz;
2483.5
11 12 13 14 15 16 17 18 ...
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Baixa taxa de dados;
10,000
1,000
100
10
1
1 10 100 1,000 10,000 100,000
Cellular
Technologies
GSM, GPR...
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Padrão IEEE 802.15.4
PUC
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Padrão IEEE802.15.4
Define um protocolo e a compatibilidade de interconexão para dispositivos de
comuni...
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IEEE 802.15.4™ Interface Física
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• Rádios operando em 2.4GHz podem atingir taxas de dados
mais altas.
• Possuem uma maior faixa de frequ...
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16 Canais em 2.4GHz
2483.5
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
2400 24802410 2420 2430 2440...
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Canais IEEE 802.11 (Wi-Fi)
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IEEE 802.15.4 (Zigbee) vs. IEEE 802.11 (Wi-Fi)
2483.5
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
2...
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Para estarem de acordo com a RESOLUÇÃO ANATEL N§
506/2008 (Radiação Restrita) os equipamentos que utili...
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Camada MAC IEEE Std 802.15.4
É a camada responsável por realizar o controle de acesso
ao meio (MAC medi...
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O protocolo Zigbee
Elementos da rede Zigbee
PUC
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• Tipos:
– Full Function Devices - FFD
– Reduced Function Devices - RFD
• Funções:
– ZigBee Coordinator...
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• Uma rede Zigbee possui os seguinte dispositivos:
–Coordinator
–Routers
–End Devices
Funções
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ZigBee® Device Coordinator
• Cria a rede
• Permite que outros nós façam
parte da rede
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ZigBee® Device Router
• Extende a área de cobertura
da rede
• Pode ter nós filhos
• Provê caminhos alte...
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ZigBee® Device Reduced Funcition End Device
• Pode se comunicar somente
com um nó de grau superior
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Exemplo
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Exemplo
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Protocolos proprietário
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Vantagens:
- Principais funcionalidades do Zigbee
- Todas as funcionalidades e características do
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Comparação de protocolos
Fractum MiWi PRO ZigBee®
Protocolo Proprietário Proprietário Zigbee
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Comparação de protocolos
Fractum MiWi PRO ZigBee®
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Soluções Fractum
IEEE802.15.4
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USART
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Interrupt
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Recurso Descrição
Alcance 1300 metros em visada direta
Comandos AT Serial – ...
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• Módulo completo baseado no
padrão IEEE 802.15.4
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Recurso Descrição
Alcance 250 metros em visada direta
Comandos AT Serial – U...
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Soluções Fractum
• Desenvolvimento de sistema embarcados
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Planejamento de Cobertura e Técnicas de RF
Palestrante: Luciano Camilo Alexandre
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Planejamento de Cobertura em Redes 802.15.4
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• Distância de comunicação a ser alcançada no proj...
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Potência recebida (dBm)= Potência de Transmissão (dBm) + Ganhos...
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Tabela de Atenuações Médias
Tipo de Material Atenuação (dB)
Janela de vidro 2 ...
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Fatores que prejudicam o alcance
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Polarização das antenas
Planejamento de Cobertura em Redes 802.15.4
Medições Realizadas em Campo
Tipos de Terrenos
• Outdoor – Sem obstaculos (mód...
Planejamento de Cobertura em Redes 802.15.4
Ambiente: Espaço livre
• Teste: Alcance/PER/BER
• Caracteristica do terreno: R...
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Ambiente: Espaço livre entre prédios
• Teste: Alcance/PER/BER
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Ambiente: Espaço livre com 1 prédio entre os módulos
• Teste: Alcance/PER/BER
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Ambiente: Indoor (Escritório)
• Teste: Alcance/PER/BER
• Caracteristica do ter...
• Medição de Sensibilidade do Receptor
Técnicas de RF – Medição
Técnicas de RF – Medição
Técnicas de RF – Medição
Técnicas de RF – RSSI
Objetivo do curso
Após o final desta apresentação você estará apto a analisar os
seguintes parâmetros sobre antenas:
– Pri...
Introdução rápida nas medições básicas em
dispositivos de RF e Microondas
Network Analyzer
Spectrum Analyzer
Smith Char...
Introdução rápida nas medições básicas em
dispositivos de RF e Microondas
Custo estimado : R$ 45.000,00 ( 3 GHz – 2P)
Equi...
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dispositivos de RF e Microondas
networkS11 S22
S21
S12
Equipamentos
Introdução rápida nas medições básicas em
dispositivos de RF e Microondas
Este deverá ser o ponto onde devemos colocar nos...
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dispositivos de RF e Microondas
Um cabo de 50 Ohms
semi-rigido de boa
qualidade ...
Introdução rápida nas medições básicas em
dispositivos de RF e Microondas
Parâmetro S11 Smith = Impedância da antena
Exemp...
Medições em Antenas
1. Medição de diagramas de irradiação em
espaço livre
2. Medição de diagramas de irradiação em
Câmaras...
Medições em Antenas
1. Medição de diagramas de irradiação em espaço livre
Um local ideal para testes consiste em um local ...
Medições em Antenas
Estrutura de testes em campo aberto
Medições em Antenas
Uma amostra do sinal recebido na antena em testes
Medições em Antenas
2. Medição utilizando a Câmara Anecóica
Medições em Antenas
Setup de montagem de testes em uma câmara anecóica
Visão interna da câmara
Cortesia: ETS-Lindgren Antennas
Parâmetros das antenas
• Parâmetros das antenas
1. Diagramas de irradiação
2. Largura de banda
3. Impedância
4. Diretivida...
Parâmetros das antenas
1.Diagramas de irradiação
Temos os seguintes diagrama de irradiação a serem medidos e
analisados:
-...
Parâmetros das antenas
Um diagrama de irradiação real sem distorções somente pode ser
vizualizado se realizarmos os testes...
Parâmetros das antenas
2 exemplos de diagramas bidimensionais (Polares)
O primeiro de uma simulação e o segundo de uma med...
Parâmetros das antenas
• Parmetro das antenas
1. Diagramas de irradiação
2. Largura de banda
3. Impedância
4. Directividad...
Parâmetros das antenas
2.Largura de banda
• A largura de banda são as frequências os quais a
performance da antena cumpre ...
Parâmetros das antenas
Exemplo de largura de banda definida por S11
Parâmetros das antenas
Exemplo de largura de banda definida pelo VSWR < 2
Parâmetros das antenas
• Parâmetro das antenas
1. Diagramas de irradiação
2. Largura de banda
3. Impedância
4. Diretividad...
Parâmetros das antenas
A impedância
Parâmetros das antenas
* Ao lado um
exemplo de como
uma antena deve
ser considerada,
como uma rede
de componentes
resistiv...
Parâmetros das antenas
• Parâmetro das antenas
1. Diagramas de irradiação
2. Largura de banda
3. Impedância
4. Diretividad...
Parâmetros das antenas
Diretividade
Parâmetros das antenas
• Parâmetro das antenas
1. Diagramas de irradiação
2. Largura de banda
3. Impedância
4. Diretividad...
Antenna Parameters
5.Eficiência
Eff = inPower
radPower
.
.
lossRradR
radR
__
_
Eff =
A eficiência é dada pelas perda ohmic...
Parâmetros das antenas
• Parametro das antenas
1. Diagramas de irradiação
2. Largura de banda
3. Impedância
4. Diretividad...
Parâmetros das antenas
6.Ganho
O ganho de uma antena é dado
em dBi, é uma medida que
estabelece quanto uma antena
irradia ...
A ferramenta Smith Chart
Download gratuito em
http://www.fritz.dellsperger.net/downloads.htm
Smith Chart Tool
Redes de casamento e técnicas para aumentar a
largura de banda em antenas
Trilha em Microstrip
Redes de casamento e técnicas para aumentar a
largura de banda em antenas
3. O ponto de alimentação de uma antena tipo F
Guia de seleção de Antenas
Antenas Whip
A figura 1 apresenta os diversos
tipos de monopolo que temos no
mercado.
Principai...
Guia de seleção de Antenas
Antenas Whip
Esta é a configuração de uma antena omni em 2.4 GHz
Guia de seleção de Antenas
Antenas Planares
• Frequência central: 2450 MHz
• Largura de banda: 120 MHz
• VSWR: 2.5:1 ou me...
Guia de seleção de Antenas
Antenas CHIP
• Frequência Central: 2450MHz
• Largura de Banda: 100MHz –
250MHz
• VSWR: menor qu...
Uma antena boa para sua correta frequência de operação pode
apresentar ganhos e diagramas de irradiação inadequados
depend...
Comportamento das Antenas
Aqui um módulo 2.4GHz ZigBee® montando em cima de uma
caixa metálica. A antena esta fora da caix...
Comportamento das Antenas
Agora o usuário montou seu dispositivo final perto de um
metal condutor. A antena se tornou bem ...
Comportamento das Antenas
Vejamos agora o que acontece se o usuário cometer o erro de colocar
a antena dentro da caixa met...
Comportamento das Antenas
Aqui a mesma antena em uma caixa de poliestireno. Não há
praticamente nenhuma perda por inserção...
Comportamento das Antenas
Neste caso a demo board não esta na melhor posição para
irradiação do sinal, mas é muito importa...
Comportamento das Antenas
Para o caso da placa PICDEM Z, a bateria de 9V traz
influências para o diagrama de irradiação da...
Comportamento das Antenas
Para o mesmo caso da placa PICDEM Z, colocando a bateria
na horizontal temos uma menor influênci...
Exemplos de Antenas
Exemplos de Antenas
Exemplos de Antenas
F Antena
Exemplos de Antenas
Antena tipo F Invertido
Simulações Eletromagnéticas
Podemos utilizar diversos softwares de simulação de antenas , as
simulações aqui apresentadas ...
Referências
• Referencia 1: Broadband Planar Antennas by Zhi Ning Chen and
M.W.Chia
• Referencia 2: Planar Antennas for Wi...
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Palestra sobre Redes Sem Fio Zigbee e Técnicas de RF ministrada por Eng. André Rasmínio e Eng. Luciano Camilo no II Workshop de Engenharia Elétrica na PUC MINAS Poços de Caldas.

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Redes Sem Fio Zigbee e Técnicas de RF

  1. 1. www.fractum.com.br Redes de Comunicação Sem Fio Zigbee Palestrante: André Rasmínio email: andre@fractumrf.com PUC
  2. 2. www.fractum.com.br O que é Zigbee? PUC
  3. 3. www.fractum.com.br ZigBee® O que é ZigBee? • Protocolo de comunicação sem fio entre dispostivos eletrônicos baseado no padrão IEEE802.15.4; • É um conjunto de especificações para redes sem fio capaz de formar uma rede em Malha (Mesh); • É uma tecnologia de comunicação sem fio utilizada de baixo consumo, baixa potência de operação, baixo custo de implantação; • Definido pelas companhias que fazem parte da ZigBee Alliance;
  4. 4. www.fractum.com.br ZigBee® • ZigBee é o nome de um protocolo de comunicação wireless desenvolvido pela ZigBee Alliance baseado no padrão IEEE 802.15.4.
  5. 5. www.fractum.com.br Porque utilizar ZigBee? • Baixo consumo de energia; • Segurança AES 128bits; • Confiabilidade de dados; • Baixo custo de implantação; • Forma redes ponto a ponto (P2P), Estrela (Star), árvore (Cluster-Tree) e Malha (Mesh); • Interoperabilidade entre diversos fabricantes; • Alta Imunidade a Interferência; • Baixa taxa de dados;
  6. 6. www.fractum.com.br Características ZigBee® Baixo Consumo de Energia Devido às características de concepção da tecnologia Zigbee, o consumo de energia é muito baixo; Baterias Comuns do tipo AA podem durar 5 anos se o dispositivo acordar a cada 1 minuto;
  7. 7. www.fractum.com.br Características ZigBee® Segurança • Provê a confidencialidade da informação; • Mantém a integridade e a autenticidade dos dados; • Utiliza Criptografia de 128 bits baseada no AES - Advanced Encryption Standard;
  8. 8. www.fractum.com.br Características ZigBee® AES O AES é um algoritmo de criptografia que pode ser utilizado para proteger dados eletrônicos. O algoritmo do AES é um bloco simétrico que criptografa ou decriptografa a informação. A criptografia torna a informação embaralhada, a decriptogravação torna a informação na forma original. O padrão AES foi derivado do Data Encryption Standard (DES). O AES foi desenvolvido pelo NIST (Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA) em 26 de Novembro de 2001, depois de 5 anos de um processo de padronização. Tornou-se um padrão efetivo em 26 de Maio de 2002. Em 2006, o AES já é um dos algoritmos mais populares usados para criptografia de chave simétrica (http://csrc.nist.gov).
  9. 9. www.fractum.com.br Características ZigBee® Baixo Custo de Implantação O baixo custo de implantação desta tecnologia é uma das grandes vantagens quando comparada à outras tecnologias sem fio como Bluetooth e Wi-Fi. Exemplo: • Transceptor Zigbee US$2.48(http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en027752) • Transceptor Wi-Fi US$9.99 (http://www.ti.com/product/cc3000#samplebuy)
  10. 10. www.fractum.com.br Tipos de redes ZigBee® Redes Ponto a Ponto e Estrela
  11. 11. www.fractum.com.br Tipos de redes ZigBee® Redes Árvore
  12. 12. www.fractum.com.br Tipos de redes ZigBee® Redes Malha
  13. 13. www.fractum.com.br Tipos de Mercados ZigBee® Interoperabilidade entre diversos fabricantes;
  14. 14. www.fractum.com.br Características ZigBee® Alta Imunidade a Interferência; • Scanning e Energy Scan - prevê a amostragem do canal, medindo a energia de cada canal e utilizando o de menor energia. • CSMA/CA é um artifício conhecido como “listen before talk”, o padrão prevê esta funcionalidade e deve ser utilizado para evitar colisões e interferências. • ACK e Retransmissões - prevê um ACK (acknowledgement )do receptor para cada frame recebido. • Frequency Agility possibilita a mudança do canal de operação durante a operação da rede.
  15. 15. www.fractum.com.br Características ZigBee® Scanning e Energy Scan nos 16 canais em 2.4GHz; 2483.5 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 2400 24802410 2420 2430 2440 2450 2460 2470 Frequency (MHz) Channel:
  16. 16. www.fractum.com.br Baixa taxa de dados; 10,000 1,000 100 10 1 1 10 100 1,000 10,000 100,000 Cellular Technologies GSM, GPRS WLAN Technologies IEEE802.11ZigBee IEEE 802.15.4™ Bluetooth Data Rate (kbps) Distância(metros)
  17. 17. www.fractum.com.br Padrão IEEE 802.15.4 PUC
  18. 18. www.fractum.com.br Padrão IEEE802.15.4 Define um protocolo e a compatibilidade de interconexão para dispositivos de comunicação de baixa taxa de dados, baixa potência, baixa complexidade e pequeno alcance utilizados em WPAN ( wireless personal area network). É a base das especificações ZigBee, WirelessHART, MiWi e outras especificações.
  19. 19. www.fractum.com.br IEEE 802.15.4™ Interface Física
  20. 20. www.fractum.com.br • Rádios operando em 2.4GHz podem atingir taxas de dados mais altas. • Possuem uma maior faixa de frequencia, proporcionando mais canais de trabalho. • As redes são mais confinadas por possuírem grande atenuação em obstáculos. • A antena é reduzida. • Menor consumo de energia. • Interferências principais: Bluetooth e Wi-Fi. IEEE 802.15.4™ Interface Física 2.4GHz
  21. 21. www.fractum.com.br 16 Canais em 2.4GHz 2483.5 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 2400 24802410 2420 2430 2440 2450 2460 2470 Frequency (MHz) Channel: 5 MHz3 MHz Channel SpacingBandwidth
  22. 22. www.fractum.com.br Canais IEEE 802.11 (Wi-Fi)
  23. 23. www.fractum.com.br IEEE 802.15.4 (Zigbee) vs. IEEE 802.11 (Wi-Fi) 2483.5 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 2400 24802410 2420 2430 2440 2450 2460 2470 Frequency (MHz) Channel: 2412 Channel 1 2437 Channel 6 2462 Channel 11 22 MHz
  24. 24. www.fractum.com.br Para estarem de acordo com a RESOLUÇÃO ANATEL N§ 506/2008 (Radiação Restrita) os equipamentos que utilizam Tecnologia de Espalhamento Espectral devem operar em 902- 907,5 MHz, 915-928 MHz, 2400-2483,5MHz http://sistemas.anatel.gov.br/sgch/Certificado/HomologacaoPNCC.a sp?consulta=1&?NumRFGCT=61311
  25. 25. www.fractum.com.br
  26. 26. www.fractum.com.br Camada MAC IEEE Std 802.15.4 É a camada responsável por realizar o controle de acesso ao meio (MAC medium access control): — Associação e a desassociação de dispositivos — Suporta um dispositivo com segurança AES 128 — Implementa o CSMA-CA para o acesso ao canal — Implementa o socket entre dois dispositivos
  27. 27. www.fractum.com.br O protocolo Zigbee Elementos da rede Zigbee PUC
  28. 28. www.fractum.com.br • Tipos: – Full Function Devices - FFD – Reduced Function Devices - RFD • Funções: – ZigBee Coordinator FFD – ZigBee Router FFD – ZigBee EndDevice RFD Tipos de Dispositivos e Funções
  29. 29. www.fractum.com.br • Uma rede Zigbee possui os seguinte dispositivos: –Coordinator –Routers –End Devices Funções
  30. 30. www.fractum.com.br ZigBee® Device Coordinator • Cria a rede • Permite que outros nós façam parte da rede • Transceiver sempre alimentado • Requer grande capacidade de processamento e memória
  31. 31. www.fractum.com.br ZigBee® Device Router • Extende a área de cobertura da rede • Pode ter nós filhos • Provê caminhos alternativos da informação • Tranceiver sempre deve estar alimentado • Requer alta capacidade de processamento e memória
  32. 32. www.fractum.com.br ZigBee® Device Reduced Funcition End Device • Pode se comunicar somente com um nó de grau superior • Pode ser alimentado com bateria • Requer baixa capacidade de processamento, de energia e de memória
  33. 33. www.fractum.com.br Exemplo
  34. 34. www.fractum.com.br Exemplo
  35. 35. www.fractum.com.br Protocolos proprietário IEEE802.15.4 PUC
  36. 36. www.fractum.com.br Vantagens: - Principais funcionalidades do Zigbee - Todas as funcionalidades e características do IEEE802.15.4 - Custo zero de licença - Certificação somente do órgão local (Anatel, FCC, ...) - Custo de implementação com processador e memória reduzido Protocolos Proprietários
  37. 37. www.fractum.com.br Comparação de protocolos Fractum MiWi PRO ZigBee® Protocolo Proprietário Proprietário Zigbee Tamanho da rede 28 nodes V2 232 nodes V3 Unlimited hops Large Networks 8K Nodes 64 Coordinators 65 hops Large Networks ~ 64K Nodes Unlimited on Coordinators and hops Radio Support Ubee/UbeeMAX All Microchip RF Radios IEEE 802.15.4 Radio MCU Support 1 USART 3.3V PIC18, PIC24, dsPIC30/33, PIC32 uC 2kB RAM 64kB Flash
  38. 38. www.fractum.com.br Comparação de protocolos Fractum MiWi PRO ZigBee® Code Size <1kB 25KB 64-128KB RAM <128Bytes 512Bytes 2KB Custo Somente do módulo Somente do transceptor $3,500/ano + testes + licença do logo Certificação Local Local Local e Zigbee Alliance
  39. 39. www.fractum.com.br Soluções Fractum IEEE802.15.4 PUC
  40. 40. www.fractum.com.br Soluções Fractum UBee USART uC ou PC Interrupt MiWi™ Aplicação • Não é necessário nenhum conhecimento de RF • Não é necessário nenhum conhecimento da pilha Zigbee ou MiWi • Necessário apenas uma interface USART • Todos os comandos da rede disponíveis em comandos AT e API • Possibilidade de embarcar a sua solução no próprio micro-controlador do UBee http://fractumrf.com/wireless2.html ZigBee™ Proprietary
  41. 41. www.fractum.com.br Soluções Fractum - UBeeMAX • Módulo completo baseado no padrão IEEE 802.15.4 • Fácil utilização através de comandos AT e API. • Alcance de 1300 metros em visada direta com possibilidade de de habilitar roteadores para aumentar o alcance da rede em modo Mesh.
  42. 42. www.fractum.com.br Soluções Fractum - UBeeMAX Recurso Descrição Alcance 1300 metros em visada direta Comandos AT Serial – USART Comandos API Serial - USART Entrada e Saídas 10 Conversores A/D 6 Sleep Por pino e periódico Modo Relatório Periódico Redes P2P, Star e Mesh Roteador Sim Consumo em Tx 23 mA Consumo em Rx 18 mA Consumo em Sleep 5 uA Função Bootloader Update de Firmware Software de configuração Sim Modelos PRO
  43. 43. www.fractum.com.br Soluções Fractum - UBee • Módulo completo baseado no padrão IEEE 802.15.4 • Fácil utilização através de comandos AT e API. • Alcance de 250 metros em visada direta com possibilidade de de habilitar roteadores para aumentar o alcance da rede em modo Mesh.
  44. 44. www.fractum.com.br Soluções Fractum - UBeeMAX Recurso Descrição Alcance 250 metros em visada direta Comandos AT Serial – USART Comandos API Serial - USART Entrada e Saídas 10 Conversores A/D 6 Sleep Por pino e periódico Modo Relatório Periódico Redes P2P, Star e Mesh Roteador Sim Consumo em Tx 23 mA Consumo em Rx 18 mA Consumo em Sleep 5 uA Função Bootloader Update de Firmware Software de configuração Sim Modelos PRO, Wipe, Mini
  45. 45. www.fractum.com.br Soluções Fractum • Desenvolvimento de sistema embarcados • Desenvolvimento de antenas • Desenvolvimento de projeto utilizando tecnologia IEEE802.15.4 • Treinamentos
  46. 46. www.fractum.com.br Wireless Design Partner Microchip • RF/Antena - serviços relacionados com projeto de RF e projeto de antenas para produtos Microchip; • ZigBee™ - Soluções utilizando ZigBee stack software em PIC MCUs ; • Wi-Fi™ - Soluções de comunicação Wi-Fi; • MiWi™ DE - Soluções utilizando o MiWi Development Environment;
  47. 47. www.fractum.com.br Obrigado! Contato: Eng. André Rasmínio Tel.: 35-34710019 Email: andre@fractumrf.com Skype: andre.rasminio
  48. 48. www.fractum.com.br Planejamento de Cobertura e Técnicas de RF Palestrante: Luciano Camilo Alexandre email: luciano@fractumrf.com PUC
  49. 49. Planejamento de Cobertura em Redes 802.15.4 • Potência do Transmissor • Ganho das Antenas (Relativo a Transmissor e Receptor) • Perda nos alimentadores das antenas (cabos) • Tipos de antenas e suas dimensões • Perda no espaço livre • Perda em obstáculos Fatores Primários
  50. 50. Planejamento de Cobertura em Redes 802.15.4 • Sensibilidade do Receptor • Distância de comunicação a ser alcançada no projeto • Largura de banda disponível • Taxa de transmissão de dados • Protocolos de transmissão • Interferências Fatores Secundários
  51. 51. Planejamento de Cobertura em Redes 802.15.4 Equação Básica Potência recebida (dBm)= Potência de Transmissão (dBm) + Ganhos (dB) – Perdas (dB)
  52. 52. Planejamento de Cobertura em Redes 802.15.4 Tabela de Atenuações Médias Tipo de Material Atenuação (dB) Janela de vidro 2 dB Janela de metal 6 dB Parede de escritório (divisória) 6 dB Parede de alvenaria 4 dB Porta de metal na parede de escritório 12 dB Parede de tijolos ao lado da porta de metal 3 dB
  53. 53. Planejamento de Cobertura em Redes 802.15.4 Fatores que prejudicam o alcance • Diferença na Polarização das antenas
  54. 54. Planejamento de Cobertura em Redes 802.15.4 Medições Realizadas em Campo Tipos de Terrenos • Outdoor – Sem obstaculos (módulos na mesma altura) • Outdoor – Comunicação entre edificios • Outdoor – Comunicação com um edificio entre os módulos • Indoor – Ambiente de escritório
  55. 55. Planejamento de Cobertura em Redes 802.15.4 Ambiente: Espaço livre • Teste: Alcance/PER/BER • Caracteristica do terreno: Regular • Referência : Terra • Montagem: 1 metro do solo • Orientação de antena: Vertical • Frequência de operação: 2.480 GHz • Canal de operação: 26 • Potência de transmissão: 20 dBm • Sensibilidade: - 95dBm • Antena: PCB (0dBi) Alcance medido: 750 metros
  56. 56. Planejamento de Cobertura em Redes 802.15.4 Ambiente: Espaço livre entre prédios • Teste: Alcance/PER/BER • Caracteristica do terreno: Regular • Referência : Terra • Montagem: 1 metro do solo • Orientação de antena: Vertical • Frequência de operação: 2.480 GHz • Canal de operação: 26 • Potência de transmissão: 20 dBm • Sensibilidade: - 95dBm • Antena: PCB (0dBi) Alcance medido: 230 metros
  57. 57. Planejamento de Cobertura em Redes 802.15.4 Ambiente: Espaço livre com 1 prédio entre os módulos • Teste: Alcance/PER/BER • Caracteristica do terreno: Regular • Referência : Terra • Montagem: 1 metro do solo • Orientação de antena: Vertical • Frequência de operação: 2.480 GHz • Canal de operação: 26 • Potência de transmissão: 20 dBm • Sensibilidade: - 95dBm • Antena: PCB (0dBi) Alcance medido: 160 metros
  58. 58. Planejamento de Cobertura em Redes 802.15.4 Ambiente: Indoor (Escritório) • Teste: Alcance/PER/BER • Caracteristica do terreno: Indoor • Referência : Terra • Montagem: 1 metro do solo • Orientação de antena: Vertical • Frequência de operação: 2.480 GHz • Canal de operação: 26 • Potência de transmissão: 20 dBm • Sensibilidade: - 95dBm • Antena: PCB (0dBi) Alcance medido: 140 metros
  59. 59. • Medição de Sensibilidade do Receptor Técnicas de RF – Medição
  60. 60. Técnicas de RF – Medição
  61. 61. Técnicas de RF – Medição
  62. 62. Técnicas de RF – RSSI
  63. 63. Objetivo do curso Após o final desta apresentação você estará apto a analisar os seguintes parâmetros sobre antenas: – Principais parâmetros de uma antena, como projetar e realizar as medições. – Qual tipo de antena será a melhor escolha para a minha aplicação. – Como se comportam as antenas em direntes ambientes de operação dos dispositivos.
  64. 64. Introdução rápida nas medições básicas em dispositivos de RF e Microondas Network Analyzer Spectrum Analyzer Smith Chart Tool Equipamentos
  65. 65. Introdução rápida nas medições básicas em dispositivos de RF e Microondas Custo estimado : R$ 45.000,00 ( 3 GHz – 2P) Equipamentos
  66. 66. Introdução rápida nas medições básicas em dispositivos de RF e Microondas networkS11 S22 S21 S12 Equipamentos
  67. 67. Introdução rápida nas medições básicas em dispositivos de RF e Microondas Este deverá ser o ponto onde devemos colocar nossa ponta de prova de testes – um cabo semi-rigido de 50 Ohms- deverá ser soldado para realizarmos a medição da impedância nominal da antena em teste.
  68. 68. Introdução rápida nas medições básicas em dispositivos de RF e Microondas Um cabo de 50 Ohms semi-rigido de boa qualidade deverá ser conectado a antena. Deve-se manter o cuidado de reservar um bom plano de terra para conectar o terra do circuito ao terra do cabo de testes, evitando erros de medição.
  69. 69. Introdução rápida nas medições básicas em dispositivos de RF e Microondas Parâmetro S11 Smith = Impedância da antena Exemplo de medição de impedância de antena
  70. 70. Medições em Antenas 1. Medição de diagramas de irradiação em espaço livre 2. Medição de diagramas de irradiação em Câmaras Anecóicas
  71. 71. Medições em Antenas 1. Medição de diagramas de irradiação em espaço livre Um local ideal para testes consiste em um local com plano terra condutor perfeito ou infinito, livre de qualquer obstáculo e também que não possua um ambiente eletromagnético ruidoso nas frequências que serão realizados os testes. Nota: As antenas devem estar ambas nas mesmas polarizações, antenas em polarizações inversas consistem em testes de XPD(Cross pol ).
  72. 72. Medições em Antenas Estrutura de testes em campo aberto
  73. 73. Medições em Antenas Uma amostra do sinal recebido na antena em testes
  74. 74. Medições em Antenas 2. Medição utilizando a Câmara Anecóica
  75. 75. Medições em Antenas Setup de montagem de testes em uma câmara anecóica
  76. 76. Visão interna da câmara Cortesia: ETS-Lindgren Antennas
  77. 77. Parâmetros das antenas • Parâmetros das antenas 1. Diagramas de irradiação 2. Largura de banda 3. Impedância 4. Diretividade 5. Efficiência 6. Ganho
  78. 78. Parâmetros das antenas 1.Diagramas de irradiação Temos os seguintes diagrama de irradiação a serem medidos e analisados: - Co-polar Horizontal - Co-polar Vertical - Cross – polar Horizontal - Cross- polar Vertical
  79. 79. Parâmetros das antenas Um diagrama de irradiação real sem distorções somente pode ser vizualizado se realizarmos os testes em uma câmara anecóica ou em uma área livre (espaço aberto). Entretanto, cuidadosas simulações eletromagnéticas permite aos desenvolvedores chegarem a diagramas de irradiações muito próximo da realidade.
  80. 80. Parâmetros das antenas 2 exemplos de diagramas bidimensionais (Polares) O primeiro de uma simulação e o segundo de uma medição real
  81. 81. Parâmetros das antenas • Parmetro das antenas 1. Diagramas de irradiação 2. Largura de banda 3. Impedância 4. Directividade 5. Efficiência 6. Ganho
  82. 82. Parâmetros das antenas 2.Largura de banda • A largura de banda são as frequências os quais a performance da antena cumpre com as especificações de manual. • A largura de faixa pode ser determinada pela impedância em termos de perda por retorno (S11) ou em VSWR sobre as faixas de frequencias de operação.
  83. 83. Parâmetros das antenas Exemplo de largura de banda definida por S11
  84. 84. Parâmetros das antenas Exemplo de largura de banda definida pelo VSWR < 2
  85. 85. Parâmetros das antenas • Parâmetro das antenas 1. Diagramas de irradiação 2. Largura de banda 3. Impedância 4. Diretividade 5. Eficiência 6. Ganho
  86. 86. Parâmetros das antenas A impedância
  87. 87. Parâmetros das antenas * Ao lado um exemplo de como uma antena deve ser considerada, como uma rede de componentes resistivos e reativos que conjutamente formam uma estrutura ressonante na frequencia de operação.
  88. 88. Parâmetros das antenas • Parâmetro das antenas 1. Diagramas de irradiação 2. Largura de banda 3. Impedância 4. Diretividade 5. Eficiência 6. Ganho
  89. 89. Parâmetros das antenas Diretividade
  90. 90. Parâmetros das antenas • Parâmetro das antenas 1. Diagramas de irradiação 2. Largura de banda 3. Impedância 4. Diretividade 5. Eficiência 6. Ganho
  91. 91. Antenna Parameters 5.Eficiência Eff = inPower radPower . . lossRradR radR __ _ Eff = A eficiência é dada pelas perda ohmicas e em particular pelas perdas em um dielétrico não incluindo perdas causadas por descasamentos. Este é um bom parâmetro para se determinar qual laminado deve ser utilizado em meu projeto. FR4, PTFE, Teflon e qual condutor é mais adequado (Cobre, Prata, Ouro)
  92. 92. Parâmetros das antenas • Parametro das antenas 1. Diagramas de irradiação 2. Largura de banda 3. Impedância 4. Diretividade 5. Eficiência 6. Ganho
  93. 93. Parâmetros das antenas 6.Ganho O ganho de uma antena é dado em dBi, é uma medida que estabelece quanto uma antena irradia em dBs mais que uma antena isotrópica ideal que irradia 360 graus com um ganho nominal de 1.
  94. 94. A ferramenta Smith Chart Download gratuito em http://www.fritz.dellsperger.net/downloads.htm
  95. 95. Smith Chart Tool
  96. 96. Redes de casamento e técnicas para aumentar a largura de banda em antenas Trilha em Microstrip
  97. 97. Redes de casamento e técnicas para aumentar a largura de banda em antenas 3. O ponto de alimentação de uma antena tipo F
  98. 98. Guia de seleção de Antenas Antenas Whip A figura 1 apresenta os diversos tipos de monopolo que temos no mercado. Principais características: Frequência central: 2450MHz Largura de banda: > 120MHz VSWR: 2.5:1 ou menos Impedância: 50 ohms Ganhos médios: de 1dBi a 8dBi Eficiencia: >80% Diagrama de irradiação: formato rosquinha ou donut(Figuras 2 e 3) Figure 1 Figure 2 Figure 3
  99. 99. Guia de seleção de Antenas Antenas Whip Esta é a configuração de uma antena omni em 2.4 GHz
  100. 100. Guia de seleção de Antenas Antenas Planares • Frequência central: 2450 MHz • Largura de banda: 120 MHz • VSWR: 2.5:1 ou menos • Ganhos: de 0.5dBi ate 2dBi • Impedância: 50 ohms or resistive • Eficiência: >80% • Diagramas de irradiação: variados de acordo com a estrutura escolhida.
  101. 101. Guia de seleção de Antenas Antenas CHIP • Frequência Central: 2450MHz • Largura de Banda: 100MHz – 250MHz • VSWR: menor que 2.5:1 • Ganho : de -2.0dBi a 3dBi • Impedância: 50 ohms (o layout da PCB é muito importante) • Eficiência: de 20% a 70% • Diagrama de irradiação: varia de acordo com a antena e layout realizado
  102. 102. Uma antena boa para sua correta frequência de operação pode apresentar ganhos e diagramas de irradiação inadequados dependendo da sua localização.
  103. 103. Comportamento das Antenas Aqui um módulo 2.4GHz ZigBee® montando em cima de uma caixa metálica. A antena esta fora da caixa metálica e vemos que o ganho se mantem parecido com a medição do modulo separado da caixa.
  104. 104. Comportamento das Antenas Agora o usuário montou seu dispositivo final perto de um metal condutor. A antena se tornou bem direcional e o seu ganho caiu para 0.58 dB na maxima direção vista no slide anterior.
  105. 105. Comportamento das Antenas Vejamos agora o que acontece se o usuário cometer o erro de colocar a antena dentro da caixa metálica. Neste caso a caixa metálica é o elemento irradiante e temos um ganho de -53 dB na direção de maxima irradiação.
  106. 106. Comportamento das Antenas Aqui a mesma antena em uma caixa de poliestireno. Não há praticamente nenhuma perda por inserção e a antena se mantem com o mesmo comportamento do espaço livre. O poliestireno tem uma permissividade de 2.1.
  107. 107. Comportamento das Antenas Neste caso a demo board não esta na melhor posição para irradiação do sinal, mas é muito importante analisar o comportamento do lóbulo nesta situação, se torna uma antena bem diretiva com um lóbulo agudo.
  108. 108. Comportamento das Antenas Para o caso da placa PICDEM Z, a bateria de 9V traz influências para o diagrama de irradiação da antena. Bem como nos outros casos a antena se torna bem direcional.
  109. 109. Comportamento das Antenas Para o mesmo caso da placa PICDEM Z, colocando a bateria na horizontal temos uma menor influência do diagrama de irradiação, o diagrama tende a ser bem direcional com menos lóbulos secundários.
  110. 110. Exemplos de Antenas
  111. 111. Exemplos de Antenas
  112. 112. Exemplos de Antenas F Antena
  113. 113. Exemplos de Antenas Antena tipo F Invertido
  114. 114. Simulações Eletromagnéticas Podemos utilizar diversos softwares de simulação de antenas , as simulações aqui apresentadas foram realizadas no HFSS. Você pode conferir mais exemplos acessando http://www.ansoft.com/products/hf/hfss/ Existem outros softwares de simulação no mercado como: http://www.sonnetusa.com/ http://www.zeland.com/ http://eesof.tm.agilent.com/ http://www.cst.com/
  115. 115. Referências • Referencia 1: Broadband Planar Antennas by Zhi Ning Chen and M.W.Chia • Referencia 2: Planar Antennas for Wireless Communications by Kin-Lu Wong • Referencia 3: Designing Dual-Band Internal Antennas by Leslie J. Reading, Galtronics Corporation (article published in EDN). • Referencia 4: Antenna Theory by Constantine A. Balanis • Referencia 5: Electromagnetic Anechoic Chambers by Leland H. Hemming
  116. 116. Eng. Luciano Camilo Alexandre luciano@fractumrf.com Skype: luciano-camilo Contato www.fractum.com.br

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