Apesar de já possuir mais de uma década de existência, a tecnologia
ZigBee ainda é relativamente pouco conhecida. Trata-se de um protocolo de
comunicação wireless destinado a aplicações com baixa taxa de dados, mais
especificamente na construção de redes de sensores e atuadores. Seu
desenvolvimento se deu com foco na automação predial, mas graças a sua robustez
e flexibilidade, tem encontrado espaço também em outros tipos de sistemas
automatizados. No artigo O que é ZigBee eu apresento mais detalhes sobre as
características técnicas e funcionamento desse padrão. Neste artigo irei me
concentrar na parte prática, discutindo algumas situações nas quais o uso de
ZigBee pode ser a solução mais econômica e eficiente.
1 – Quando
os equipamentos necessitam ter baixo consumo de energia
O baixo consumo de energia é uma das características básicas da
tecnologia Zigbee, o que o torna ideal para aplicações em que essa seja uma
variável crítica. Diversas estratégias são adotadas para a obtenção dessa
característica, tanto em nível de hardware quanto na lógica de operação do
protocolo. A principal delas tira proveito da baixa taxa de dados, permitindo
que os dispositivos permaneçam poucos milissegundos ativos e o restante do
tempo, que pode ser de alguns segundos até horas, conforme a aplicação, em modo
de baixo consumo de energia. Não são todos os dispositivos de uma rede ZigBee
que podem operar dessa forma, mas apenas aqueles com funções mais simples, os
chamados terminais. Equipamentos que possuam funções de roteamento (controlador
e roteadores) não podem entrar em modo de baixo consumo de energia pela
necessidade de manter sempre ativas as rotas de comunicação na rede. Ainda
assim seu consumo é muito mais baixo em comparação com outras tecnologias
wireless de curto alcance, como WiFi e Bluetooth.
Dispositivos ZigBee não precisam de circuitos elétricos especiais para a
sua instalação. Como seu consumo é pequeno, eles podem ser conectados a
praticamente qualquer ponto de energia próximo, sem preocupação com a
sobrecarga desses circuitos. No caso dos dispositivos terminais, também é
possível alimentar a maioria exclusivamente por meio de baterias. Conforme a
aplicação, é possível que o tempo de duração da carga das baterias chegue a
alguns anos. Alguns exemplos de aparelhos com essas características são
sensores de temperatura, presença ou incêndio. Fontes de energia locais, como
pequenos painéis fotovoltaicos, são outra opção bastante prática. É possível
inclusive aproveitar o próprio funcionamento do dispositivo para a sua
alimentação, como reciclando a energia mecânica resultante de uma botoeira ao
ser pressionada. O resultado final é uma grande flexibilidade no que se refere
ao fornecimento de energia para os dispositivos, simplificando sua instalação e
permitindo seu posicionamento em locais sem acesso à rede elétrica.
2 – Quando a
utilização de cabos é complicada ou dispendiosa
Equipamentos ZigBee são, na maioria dos casos, mais caros do que aqueles
que possuem as mesmas funções e que utilizam cabos para a sua comunicação. Mas
isso não significa que o custo total de um sistema cabeado seja necessariamente
menor. Sistemas de automação predial, por exemplo, possuem grande número de
dispositivos, frequentemente na casa de centenas ou mesmo milhares, espalhados
por áreas extensas. Os custos com cabeamento nesses casos são bastante
elevados, algumas vezes até superando as despesas com a compra dos
equipamentos. E é necessário considerar ainda os gastos com eletrodutos,
eletrocalhas, fixação e a mão de obra para a montagem de todo o conjunto.
Sendo ZigBee uma tecnologia wireless, boa parte das despesas com
aquisição e instalação de cabos pode ser eliminada. A possibilidade de manter
os dispositivos mais simples alimentados apenas por meio de baterias aumenta o
potencial de economia, ainda mais que geralmente são esses os que aparecem em
maior número em um sistema. É necessário considerar também as dificuldades
práticas na instalação dos cabos. Problemas em encontrar passagem entre vigas,
paredes e encanamentos são frequentes. Se o sistema for instalado em uma
edificação mais antiga (em uma expansão ou retrofit), é provável que não exista
espaço suficiente para novos cabos nas tubulações já existentes, ou espaço para
novos eletrodutos. Mesmo em novas construções é comum encontrar espaços
subdimensionados, sem suporte para instalação de novos equipamentos, ou que
simplesmente não foram projetados para receber um sistema automatizado.
Qualquer que seja o caso, o ZigBee é uma boa alternativa para simplificar o
processo de instalação, reduzindo a interferência na estrutura da edificação e evitando
a necessidade de deixar dutos ou cabos expostos.
3 – Quando
os equipamentos precisam estar em movimento
Alguns sistemas necessitam que seus dispositivos possam se movimentar
dentro de uma determinada área. Um exemplo interessante de aplicação que
necessita de sensores móveis é no monitoramento de pacientes em clínicas ou
hospitais. Em uma versão bastante simples, esse monitoramento pode ser feito
por um “botão de pânico”, um dispositivo com uma tecla que acompanha ao
paciente e, ao ser pressionado, envia um sinal para solicitar socorro.
Equipamentos mais sofisticados possuem acelerômetros que permitem a detecção de
quedas, ou são capazes de monitorar variáveis como pressão sanguínea ou
batimentos cardíacos. Qualquer que seja o caso, o dispositivo não interfere nos
movimentos da pessoa, permitindo que ela se desloque livremente pelo ambiente,
mas ao mesmo tempo possa ser imediatamente socorrida caso ocorra alguma
emergência.
A principal característica do ZigBee que permite esse tipo de aplicação
é a capacidade de autoajuste e autocorreção da rede. Isso significa que, caso
um dispositivo perca sua conexão com a rede por um determinado percurso,
automaticamente irá procurar por outro dispositivo próximo para retomar a
conexão. Ao mesmo tempo, a própria rede irá se encarregar de atualizar suas
tabelas de rota para comportar essa mudança de posição. O protocolo também
fornece ferramentas que permitem identificar a localização física do
equipamento ZigBee, inclusive permitindo a triangulação do sinal através dos
níveis de potência recebidos. No entanto, não são todas as aplicações móveis
que irão funcionar bem com o uso de ZigBee. Como a taxa de dados é baixa, a
reconfiguração da rede não é instantânea, levando alguns segundos para ser
concluída (o tempo depende muito do funcionamento de cada dispositivo). Sendo
assim, é necessário garantir que a velocidade com que os sensores se movimentem
seja compatível. A quantidade de informação transmitida também é importante, já
que a rede não possui bom desempenho com grandes volumes de dados ou caso os
períodos de atualização das variáveis sejam menores que 1 segundo.
4 – Quando
os equipamentos ficam ao ar livre
Aplicações ao ar livre, como sistemas de irrigação ou monitoramento de
lavouras, apresentam diversos empecilhos ao uso de cabos. Em primeiro lugar
existe a questão das distâncias entre os equipamentos, que normalmente são
grandes. Além disso, ambientes externos são menos controlados, deixando o
cabeamento exposto a riscos de rompimento acidental com ferramentas de jardim,
transito de veículos ou ataques de animais. Mesmo a vegetação pode se tornar um
problema, rompendo cabos aéreos com os galhos ou fios subterrâneos com o
crescimento de suas raízes. Os custos de um cabo destinado ao uso em um ambiente
desse tipo também são mais elevados, devido à necessidade de resistir a
variações mais intensas de temperatura, ressecamento pela luz solar ou
infiltração de água.
O ZigBee é uma boa opção para reduzir essas despesas e incômodos em um
ambiente externo. A alimentação exclusivamente por baterias, ou com alguma
fonte local de energia, também é atraente, pois permite posicionar os
equipamentos diretamente nos locais de interesse, sem preocupação com o
percurso ou obstáculos. Outro característica de aplicações ZigBee em espaços ao
ar livre é o considerável aumento do alcance do sinal em comparação com
aplicações no interior de edificações. Isso se deve a menor concentração de
paredes de alvenaria, estruturas metálicas e outros obstáculos a propagações na
faixa de micro-ondas (na qual o ZigBee se enquadra). Esse fato acaba
compensando o incremento das distâncias entre os pontos de instalação dos
dispositivos, eliminando a necessidade de um grande número de repetidores.
5 – Quando a
rede precisa ser flexível
A rede ZigBee é bastante flexível. No item anterior foi comentado sobre
a sua capacidade de modificar rotas e corrigir falhas na comunicação. Outra
característica é a facilidade com que novos dispositivos podem ser adicionados
à rede. O processo de conexão com a rede, chamado comissionamento, geralmente
se inicia automaticamente ao ligar o aparelho, ou através de algum outro
procedimento simples, como o pressionar de um botão. O dispositivo executa uma
varredura nos canais, mapeando todas as redes ativas na mesma área. Após isso
começa a enviar solicitações de conexão para cada uma das redes encontradas.
Caso a solicitação seja recebida por uma rede que esteja liberada para adição
de novos dispositivos, o coordenador dessa rede irá responder autorizando a
conexão. A partir da recepção da autorização o novo dispositivo passará a ser
parte da rede ZigBee. Existem vários parâmetros e configurações envolvidas
nesse processo, que podem ser modificados para atender requisitos específicos,
mas, na maior parte das vezes, o procedimento não exige maiores intervenções ou
supervisão.
A flexibilidade também se manifesta no fato de que uma mesma rede pode
ser composta por diferentes tipos de dispositivos ou aplicações, sem
limitações. Pode, por exemplo, haver um sistema de alarme de incêndio operando
em uma mesma rede com controle de iluminação e temperatura. A rede será a
mesma, aumentando o alcance da comunicação e as possibilidades de rota, ainda
que cada grupo execute suas próprias funções de forma independente dos demais.
De maneira semelhante, o fato de ser um protocolo aberto permite a comunicação
entre diferentes fabricantes, sem problemas de compatibilidade. Como resultado,
sistemas ZigBee funcionam muito bem em ambientes que necessitem de mudanças
frequentes. Pode ser o caso de uma instalação temporária, como na automação de
feiras e eventos. Outro caso é quando existe a necessidade de expandir a rede,
adicionando novos sistemas ou dispositivos ao longo da vida útil da edificação.
Mesmo a manutenção é simplificada, podendo um equipamento danificado ser
substituído livremente por outro com a mesma função, sem preocupação com
fabricante ou modelo.
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