Redes Sem Fio Zigbee e Técnicas de RF

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Redes de Comunicação Sem Fio Zigbee
Palestrante: André Rasmínio
email: andre@fractumrf.com
PUC

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O que é Zigbee?
PUC

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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;

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ZigBee®
• ZigBee é o nome de um protocolo de
comunicação wireless desenvolvido pela ZigBee
Alliance baseado no padrão IEEE 802.15.4.

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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;

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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;

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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;

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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).

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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)

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Tipos de redes ZigBee®
Redes Ponto a Ponto e Estrela

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Redes Árvore

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Redes Malha

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Tipos de Mercados ZigBee®
Interoperabilidade entre diversos fabricantes;

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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.

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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:

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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, GPRS
WLAN Technologies
IEEE802.11ZigBee
IEEE 802.15.4™
Bluetooth
Data Rate (kbps)
Distância(metros)

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Padrão IEEE 802.15.4
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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.

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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 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

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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 2450 2460 2470
Frequency (MHz)
Channel:
5 MHz3 MHz
Channel SpacingBandwidth

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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
2400 24802410 2420 2430 2440 2450 2460 2470
Frequency (MHz)
Channel:
2412
Channel 1
2437
Channel 6
2462
Channel 11
22 MHz

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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

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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

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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 FFD
– ZigBee Router FFD
– ZigBee EndDevice RFD
Tipos de Dispositivos e Funções

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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
• Transceiver sempre
alimentado
• Requer grande capacidade de
processamento e memória

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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

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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

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Protocolos proprietário
IEEE802.15.4
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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

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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

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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

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Soluções Fractum
IEEE802.15.4
PUC

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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

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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.

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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

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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.

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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

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Soluções Fractum
• Desenvolvimento de sistema embarcados
• Desenvolvimento de antenas
• Desenvolvimento de projeto utilizando tecnologia IEEE802.15.4
• Treinamentos

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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;

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Obrigado!
Contato:
Eng. André Rasmínio
Tel.: 35-34710019
Email: andre@fractumrf.com
Skype: andre.rasminio

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Planejamento de Cobertura e Técnicas de RF
Palestrante: Luciano Camilo Alexandre
email: luciano@fractumrf.com
PUC

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

• 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

Equação Básica
Potência recebida (dBm)= Potência de Transmissão (dBm) + Ganhos (dB) – Perdas (dB)

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

Fatores que prejudicam o alcance
• Diferença na
Polarização das antenas

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

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

Ambiente: Espaço livre entre prédios

Ambiente: Espaço livre com 1 prédio entre os módulos

Ambiente: Indoor (Escritório)
• Caracteristica do terreno: Indoor

• Medição de Sensibilidade do Receptor
Técnicas de RF – Medição

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.

Introdução rápida nas medições básicas em
dispositivos de RF e Microondas
Network Analyzer
Spectrum Analyzer
Smith Chart Tool
Equipamentos

Custo estimado : R$ 45.000,00 ( 3 GHz – 2P)
Equipamentos

networkS11 S22
S21
S12
Equipamentos

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.

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.

Parâmetro S11 Smith = Impedância da antena
Exemplo de medição de impedância de antena

Medições em Antenas
1. Medição de diagramas de irradiação em
espaço livre
2. Medição de diagramas de irradiação em
Câmaras Anecóicas

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 ).

Estrutura de testes em campo aberto

Uma amostra do sinal recebido na antena em testes

2. Medição utilizando a Câmara Anecóica

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. Diretividade
5. Efficiência
6. Ganho

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

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.

2 exemplos de diagramas bidimensionais (Polares)
O primeiro de uma simulação e o segundo de uma medição real

• Parmetro das antenas
2. Largura de banda
3. Impedância
4. Directividade
5. Efficiência
6. Ganho

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.

Exemplo de largura de banda definida por S11

Exemplo de largura de banda definida pelo VSWR < 2

• Parâmetro das antenas
2. Largura de banda
3. Impedância
4. Diretividade
5. Eficiência
6. Ganho

A impedância

* 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.

Diretividade

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)

• Parametro das antenas
2. Largura de banda
3. Impedância
4. Diretividade
5. Eficiência
6. Ganho

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.

A ferramenta Smith Chart
Download gratuito em
http://www.fritz.dellsperger.net/downloads.htm

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.
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

Antenas Whip
Esta é a configuração de uma antena omni em 2.4 GHz

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.

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

Uma antena boa para sua correta frequência de operação pode
apresentar ganhos e diagramas de irradiação inadequados
dependendo da sua localização.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Exemplos de Antenas
Antena tipo F Invertido

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/

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

Eng. Luciano Camilo Alexandre
luciano@fractumrf.com
Skype: luciano-camilo
Contato
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