desenvolvimento de sistema embarcado de radiofrequência de baixo custo

63 Pages·2014·1.95 MB·Portuguese

by  Rodrigo Godinho Silva

RODRIGO GODINHO SILVA

DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA EMBARCADO DE RADIOFREQUÊNCIA DE
BAIXO CUSTO

Monografia apresentada como requisito
parcial para conclusão do Curso de
Engenharia Elétrica, Departamento de
Engenharia Elétrica, Setor de Tecnologia,
da Universidade Federal do Paraná.

CURITIBA
2014

RODRIGO GODINHO SILVA

DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA EMBARCADO DE RADIOFREQUÊNCIA DE
BAIXO CUSTO

Monografia apresentada como requisito
parcial para conclusão do Curso de
Engenharia Elétrica, Departamento de
Engenharia Elétrica, Setor de Tecnologia,
da Universidade Federal do Paraná.

Orientador: Prof. Bernardo Rego Barros de
Almeida Leite
Coorientador: Prof. André Augusto
Mariano
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer à minha família, amigos e colegas que serviram de
suporte durante toda essa caminhada pela universidade e para a produção deste
trabalho, em especial à Karine Takizawa e Carlos Felipe Godinho Silva, vocês são
demais!
Agradeço também aos meus orientadores Prof. Bernardo Rego Barros de
Almeida Leite e Prof. André Augusto Mariano, pela orientação, inspiração, paciência
e por não terem desistido de mim mesmo nos momentos mais complicados.

iv
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ............................................................................................................................. VI
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................................. VII
LISTA DE ABREVIAÇÕES .................................................................................................................. VIII
RESUMO ................................................................................................................................................ IX
ABSTRACT ............................................................................................................................................. X
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................1
1.1. OBJETIVO GERAL .................................................................................................................1
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................................2
1.3. MOTIVAÇÃO ...........................................................................................................................4
1.4. ESTRUTURA ..........................................................................................................................4
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................................................................................................5
2.1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ....................................................................................................5
2.1.1. FRONT END ANALÓGICO ............................................................................................7
2.1.2. MODULAÇÃO ................................................................................................................9
2.1.3. FREQUÊNCIA DE OPERAÇÃO ................................................................................. 12
2.1.4. TIPO DE REDE ........................................................................................................... 12
2.2. DETERMINAÇÃO DA FREQUÊNCIA DE OPERAÇÃO....................................................... 15
2.3. ESCOLHA DA MODULAÇÃO .............................................................................................. 16
2.4. SELEÇÃO DO TIPO DE REDE ............................................................................................ 17
2.5. HARDWARE UTILIZADO .................................................................................................... 17
2.5.1. Microcontrolador .......................................................................................................... 17
2.5.2. Hardware RF ............................................................................................................... 18
3. MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................................................... 20
3.1. FUNCIONAMENTO DO SISTEMA ...................................................................................... 20
3.2. PROGRAMAÇÃO DO PROTÓTIPO .................................................................................... 26
3.2.1. Comunicação SPI ........................................................................................................ 26
3.2.2. Configuração do transceptor ....................................................................................... 28
3.2.3. Definição da interface com o usuário .......................................................................... 29
3.2.4. Definição da comunicação entre interrogador e receptor ........................................... 30
3.2.5. Programação do interrogador ..................................................................................... 31
3.2.6. Programação do receptor............................................................................................ 35
3.3. TESTES EM CAMPO ........................................................................................................... 37
3.3.1. Configuração do Sistema ............................................................................................ 37
3.3.2. Configuração dos receptores ...................................................................................... 37
3.3.3. Teste 1: Distâncias máximas ...................................................................................... 38
3.3.4. Teste 2: Alteração da potência de transmissão .......................................................... 39
3.4. DETERMINAÇÃO DO SISTEMA MÍNIMO ........................................................................... 39
3.4.1. Receptor ...................................................................................................................... 40
3.4.2. Interrogador ................................................................................................................. 44
4. ANÁLISE DE RESULTADOS ...................................................................................................... 45
4.1. PARÂMETROS RF .............................................................................................................. 45
4.2. DISTÂNCIA ALCANÇADA ................................................................................................... 45
4.3. PARÂMETROS DE TEMPO ................................................................................................ 46
4.4. SISTEMA MÍNIMO ESCOLHIDO ......................................................................................... 46
4.4.1. Receptor ...................................................................................................................... 46
4.4.2. Interrogador ................................................................................................................. 48
5. CONCLUSÃO ............................................................................................................................... 49
6. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................ 51
ANEXOS ............................................................................................................................................... 53
v
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Padrão IEEE de Nomenclatura da Banda de Rádio (IEEE, 2009) .......... 12
Tabela 2 – Bandas ISM no Brasil .............................................................................. 16
Tabela 3 – Informações da Bateria (Seiko Instruments, 2008).................................. 40
Tabela 4 – Cotação Sistema Mínimo 1 ..................................................................... 40
Tabela 5 – Cotação Sistema Mínimo 2 ..................................................................... 41
Tabela 6 – Cotação do Sistema Mínimo 3 ................................................................ 43
Tabela 7 – Parâmetros RF do Sistema ..................................................................... 45
Tabela 8 – Pinout do Módulo RF ............................................................................... 48

vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Diagrama de blocos de um transceptor (Instruments, 2011) ...................... 6
Figura 2 – Misturadores em um front-end (Razavi, 2012) ........................................... 8
Figura 3 – Modulação OOK (Andrews) ..................................................................... 10
Figura 4 – Modulação FSK (Khan, 2014) .................................................................. 11
Figura 5 – Modulação PSK (Khan, 2014) .................................................................. 11
Figura 6 – Rede em anel (BBC) ................................................................................ 13
Figura 7 – Rede em árvore (TutorialsPoint) .............................................................. 14
Figura 8 – Rede Mesh (BBC) .................................................................................... 14
Figura 9 – Rede Estrela (BBC) .................................................................................. 15
Figura 10 – MSP 430 (Energia, 2014) ....................................................................... 18
Figura 11 – Casamento de Impedâncias ................................................................... 19
Figura 12 – MSP430 e Booster Pack conectados ..................................................... 19
Figura 13 – Exemplo de Operação do Sistema ......................................................... 21
Figura 14 – Fluxograma da operação de Configuração do sistema .......................... 23
Figura 15 – Funcionamento da operação de diagnóstico/execução no tempo ......... 24
Figura 16 – Fluxograma de Funcionamento do Interrogador .................................... 25
Figura 17 – Fluxograma do Funcionamento dos Receptores .................................... 26
Figura 18 – Exemplos de leitura e escrita pela SPI ................................................... 27
Figura 19 – Tela do Software SmartRF Studio .......................................................... 29
Figura 20 – Tela do Software TeraTermPro .............................................................. 30
Figura 21 – Exemplo de Pacote ................................................................................ 31
Figura 22 – Fluxograma da operação de montagem do Byte 3................................. 33
Figura 23 – Diagrama de Teste ................................................................................. 38
Figura 24 – Booster Pack com o micro controlador acoplado ................................... 41
Figura 25 – Esquemático de circuito de casamento de Impedâncias e Balun .......... 43
Figura 26 – Módulo RF .............................................................................................. 47

vii
LISTA DE ABREVIAÇÕES
SPI - Serial Periphreal Interface
OOK - On off Keying
FSK - Frequency Shift Keying
GFSK - Gaussian Frequency Shift Keying
ASK - Amplitude Shift Keying
PSK - Phase SHift Keying
RF - Radiofrequencia
FCC - Federal Communications Comission
IEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
ISM - Industrial Scientific Medical
RFID - Radiofrequency Identification
LED - Light emitting diode
LNA - Low Noise Amplifier
PA - Power Amplifier
HF - High Frequency
VHF - Very High Frequency
viii
RESUMO
Resumo: A utilização de sistemas de radiofrequência (RF) embarcados em
aplicações industriais apresenta uma série de vantagens sobre sistemas filares. Para
que sua implementação seja viável, no entanto, estes sistemas devem ter uma grande
confiabilidade, baixo consumo de potência e baixo custo. Este projeto apresenta uma
rede em estrela com um componente principal (interrogador) e diversos receptores
responsáveis pela execução de acordo com o comando enviado. Foi desenvolvido um
protocolo de comunicação em que os receptores possuem a possibilidade de serem
programados pelo interrogador para executar 3 diferentes comandos e foi
implementado e testado o sistema com múltiplos receptores. São apresentados os
parâmetros RF utilizados, as distâncias de comunicação alcançadas, funcionamento
do sistema, sugestão de sistema mínimo para implementação, bem como
possibilidades de melhorias.
Palavras chaves: Sistema Embarcado, Rede Estrela, Comunicação RF
ix
ABSTRACT
Abstract: The use of embedded radio frequency (RF) systems in industrial
applications presents a number of advantages over wired systems. For its
implementation to be viable, however, these systems must have a high reliability, low
power consumption and low cost. This design features a star network with a main
component (interrogator) and various receivers responsible for operating according to
the commands sent by the interrogator. A communication protocol, in which multiple
receivers have the ability to be programmed by the interrogator to execute three
different commands, has been implemented and tested. This work presents the
adopted RF parameters, the achieved communication distances, system operation,
suggested minimal system for implementation and discusses room for improvements.
Keywords: Embedded Systems, Star Network, RF Communication

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