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CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA DE MONITORAMENTO
AMBIENTAL UTILIZANDO UMA REDE DE SENSORES SEM
FIO ZIGBEE E SOFTWARE LIVRE COMO APOIO AO ENSINO
DE T.I
Filipe Araújo Molina – filipemolina@gmail.com
Ruy de Oliveria – ruy@cba.ifmt.edu.br
Valtemir Emerencio do Nascimento – valtemir.nascimento@cba.ifmt.edu.br
Ed’ Wilson Tavares Ferreira – edwilson.ferreira@ifmt.edu.br
Instituto Federal de Mato Grosso – IFMT campus Cuiabá, Departamento de Informática
Av. Zulmira Canavarros, 95
78005-200, Cuiabá – MT
Resumo: Este trabalho apresenta uma solução de infraestrutura para monitoramento
ambiental remoto. O sistema proposto inclui uma interface gráfica que torna o seu uso
intuitivo, e um banco de dados que armazena os dados monitorados. Priorizou-se o uso
de tecnologias abertas e equipamentos disponíveis no mercado. Os dados ambientais,
coletados no campo por meio de uma rede de sensores e também por estações
meteorológicas, são transmitidos por redes sem fio até o data center remoto onde fica o
banco de dados. O sistema serve como ferramenta de apoio ao ensino de T.I,
utilizando-se da solução de problemas práticos.
Palavras-chave: Educação de Engenharia, Software Livre, Rede de sensores sem fio,
Monitoramento Ambiental
1. INTRODUÇÃO
Há mais de 20 anos as redes de sensores vêm crescendo de forma considerável.
Essas redes são usadas em vários tipos de aplicações e utilizam processadores e
dispositivos de comunicação que estão se tornando menores e mais baratos a cada dia
(Loureiro, 2007).
O crescimento das redes de sensores despertou o interesse do uso dessa
tecnologia nas aplicações de monitoramento ambiental. Há diversas propostas na
literatura para monitoramento ambiental como a implementação de uma Rede de
Sensores Sem Fio –RSSF- para monitoramento remoto na região Amazônica por (Silva
& Fruett, 2010); um sistema de classificação de anuros - rãs e sapos - baseado no canto
desses animais, apoiado por uma RSSF, proposto por (Colonna et al, 2011); a criação
do ListenU, uma ferramenta de monitoramento ambiental baseada numa RSSF por
(Sousa et al, 2011). Cada qual com suas particularidades.
Muitas dessas propostas utilizam as RSSF devido sobretudo ao seu baixo custo,
além do fato de poderem ser implantadas em uma grande área, cobrindo mais pontos do
que as estações meteorológicas, com uma melhor relação custo/beneficio e maior
tolerância a falhas (Santos, 2010).
Geralmente, em monitoramento ambiental são usadas estações meteorológicas
para coleta de informações sobre o ambiente. Essas estações têm alto custo e coletam
dados de forma pontual dentro de uma grande área. Assim, os dados coletados
representam as condições meteorológicas daquele ponto e não necessariamente da área
como um todo.
Este trabalho propõe a construção de um sistema de monitoramento ambiental,
utilizando softwares livre como ferramenta para auxiliar a prática para estudantes de T.I
na solução de problemas aplicados. Este trabalho encontra-se em fase de conclusão, a
topologia foi montada e testada dentro de um ambiente controlado, restando à
implantação em campo da proposta.
Este artigo está organizado da seguinte forma: a Seção 2 descreve a disposição
dos elementos do sistema de monitoramento, a sua arquitetura e como ocorre a
comunicação. A Seção 3 descreve o desenvolvimento, as ferramentas utilizadas, o
funcionamento dos módulos e as telas do sistema. A Seção 4 apresenta as considerações
finais.
2. SISTEMA DE MONITORAMENTO
Foi desenvolvido um sistema de monitoramento ambiental utilizando uma RSSF
tanto para coleta de dados ambientais como para infraestrutura de transporte de dados
das estações meteorológicas. O sistema foi desenvolvido em linguagem Java (Oracle,
2012) por ser uma linguagem multiplataforma, permitindo independência com relação
ao fornecedor de Sistema Operacional, e foi utilizado o Banco de Dados PostgreSQL
(PostgreSQL, 2012).
O projeto de pesquisa se propôs a avaliar a bacia do rio do Sangue, localizada no
interior do estado de Mato Grosso, obtendo amostras representativas de toda a região.
Para a obtenção das amostras foi escolhida uma área perto da Pequena Central
Hidroelétrica – PCH - de Baruíto, localizada no município de Campo Novo do Parecis,
distante 384,5 km da capital Cuiabá.
Na referida área há uma estação meteorológica em funcionamento, que fornece
dados para pesquisadores do projeto de pesquisa. Para realizar a coleta dos dados
armazenados na estação, os pesquisadores devem deslocar-se até a estação no campo e
fazer a leitura conectando um computador à estação. A aquisição dos dados se dá por
meio do sistema proprietário disponibilizado pelo fabricante da estação, havendo
suporte somente na plataforma Microsoft Windows mediante interface USB.
Para eliminar o tempo e os custos decorrentes do deslocamento dos
pesquisadores até a área monitorada, e melhorar o modelo atual de coleta, que não
possibilita o monitoramento em tempo real e a distância, foi proposto um sistema de
monitoramento ambiental remoto que preservasse o investimento já realizado na
aquisição da estação meteorológica. O novo sistema apoia-se em uma RSSF ZigBee
(ZigBee Alliance,2013) tanto para coleta de dados ambientais por intermédio de
sensores acoplados aos módulos, quanto para servir de infraestrutura de comunicação
para a transmissão dos dados coletados pela estação meteorológica.
Para melhor entendimento da resolução do problema, a arquitetura foi dividida em
duas frentes. A arquitetura geral, que mostra a disposição dos dispositivos do sistema e
a arquitetura da aplicação que descreve como o software foi estruturado.
2.1. Arquitetura geral
A arquitetura do sistema pode ser vista na Figura 1, onde estão distribuídos
módulos para coleta de dados no ambiente monitorado. Tais módulos são compostos de
um dispositivo final ZigBee, módulo de alimentação e sensores. A estação central tem o
papel principal na rede ZigBee, pois concentra as funcionalidades de coleta da estação
meteorológica e da RSSF. A estação central é composta de um coordenador ZigBee e
um microcomputador, este ligado a estação meteorológica e a um dispositivo final
ZigBee.
Para que o sistema funcione é necessário que a RSSF se comunique com o
módulo principal do sistema localizado em Cuiabá. Para isso foram utilizados três
dispositivos WiFi - IEEE 802.11A de 5Ghz - utilizando a topologia Mesh para redução
do número de dispositivos necessários para estabelecer o link de comunicação. O
primeiro rádio Mesh está ligado na estação central, o segundo rádio está conectado na
infraestrutura de rede da PCH de Baruíto, que possui saída para a Internet. Devido o
relevo da região, os dois rádios não possuem visada direta entre si, necessitando de um
terceiro rádio entre eles para o estabelecimento da conexão.
O aplicativo está sendo executado em um servidor localizado no IFMT campus
Cuiabá, e se comunica com a RSSF e com a estação meteorológica por meio do link de
Internet com a PCH e pela rede Mesh.
Figura 1 Arquitetura do Sistema.
2.2. Arquitetura da Aplicação
A arquitetura adotada para o sistema é a Cliente-Servidor de duas camadas,
composta pelo módulo servidor que realiza a comunicação com a estação meteorológica
e com a RSSF, armazenando os dados coletados no Banco de Dados; e do módulo
cliente com o qual o pesquisador se comunica para recuperar e exportar as informações
armazenadas pelo módulo servidor, conforme mostrado na Figura 2.
Figura 2 Arquitetura da Aplicação.
Os dados coletados pela RSSF no projeto piloto são de temperatura do ambiente
e tensão das baterias dos módulos, e posteriormente na implantação em campo terá
também umidade do ambiente, temperatura e umidade do solo. As amostras são
arquivadas no banco de dados com a identificação do módulo de origem e o exato
momento da coleta. Todas as amostras de tensão também ficam guardadas no banco de
dados para posterior estudo do comportamento energético dos módulos e baterias em
campo. A última tensão coletada de cada módulo é mostrada em conjunto com as
informações pertinentes a ele, que serve de subsídio para o usuário tomar conhecimento
do estado da bateria, de modo a realizar a troca dela e assim evitar que módulos parem
de funcionar e acarretem perda nos dados coletados.
O módulo servidor importa os dados da estação meteorológica diariamente, e os
armazena no banco de dados. As amostras da RSSF serão coletadas com um intervalo
de 30 minutos.
2.3. Comunicação
Por ser um sistema de monitoramento remoto, a comunicação entre o módulo
servidor com a RSSF e com a estação meteorológica passa por diversos meios de
comunicação, de diferentes tecnologias. Para melhor entendimento da solução proposta,
ela foi dividida em duas abordagens: a comunicação do módulo servidor com a RSSF e
a comunicação do módulo servidor com a estação meteorológica.
Comunicação Sistema-RSSF
A comunicação com a RSSF é realizada de duas maneiras diferentes, na coleta
das amostras dos sensores e na coleta da tensão do módulo. Para conservação de energia
dos dispositivos finais, eles ficam em estado de dormência e acordam a cada 30 minutos
para realizar a coleta. Ao sair do estado de dormência o dispositivo final lê os dados de
suas entradas e as envia para o endereço do coordenador ZigBee. Esse processo é
repetido a cada segundo enquanto o dispositivo estiver acordado, que neste caso é de 3
segundos. Na transferência desses quadros de amostras, como pode ser observado na
Figura 3, a comunicação ocorre no sentido do dispositivo final ZigBee para o
servidor/aplicativo, não havendo resposta por parte do aplicativo para o dispositivo
final.
O coordenador –gateway- possui uma porta ethernet por onde encaminha essa
informação, usando o protocolo RealPort da Digi (Digi International Inc., 2009),
fabricante dos dispositivos ZigBee. Essa informação transita pela rede Mesh até chegar
a PCH onde é roteada para a Internet. Dentro da Internet, os dados trafegam até o
servidor, onde está localizado o aplicativo que trata os dados e os armazena no Banco de
Dados.
O protocolo RealPort funciona sobre o TCP e possui a funcionalidade de
tunelamento dos dados da RSSF ZigBee até o servidor que está localizada a aplicação.
Figura 3 – Comunicação Sistema-RSSF
Como os dispositivos finais só recebem quadros quando estão acordados e o
coordenador só pode guardar esses quadros no buffer por no máximo 30 segundos,
limitação imposta pelo padrão IEEE 802.15.4 (Caprile, 2009), o quadro que chegar ao
dispositivo final quando ele estiver dormindo e permanecer no buffer por mais 30
segundos, sem que o dispositivo final acorde, será descartado.
Devido a esse comportamento, o aplicativo faz a requisição da tensão logo após
receber um quadro de amostras, assim encontrando o dispositivo final acordado. Como
pode ser visto na Figura 3, essa comunicação se inicia no servidor/aplicativo, que envia
um quadro de requisição de amostra pelo RealPort até o Gateway ZigBee que o repassa
ao dispositivo final. O dispositivo final de posse desse quadro, coleta a sua tensão e
monta um quadro de resposta, envia-o ao Gateway ZigBee que por sua vez transmite-o
de volta. No servidor essa informação é guardada, de modo adequado, para posterior
recuperação.
Comunicação Sistema-Estação
A comunicação com a estação meteorológica é feita por outro módulo do
sistema, e começa quando o microcomputador localizado na estação central é ligado e
executa sua rotina de coleta de dados da estação meteorológica. O aplicativo coleta os
dados e depois os exporta para um arquivo no formato abertamente conhecido, o CSV -
Comma-Separated Values -.
De posse desse arquivo, o aplicativo o compacta e o envia para o dispositivo
final ZigBee acoplado ao microcomputador, que por sua vez o encaminha ao Gateway
ZigBee. A partir do gateway o dado segue, controlado pelo protocolo Realport, até o
servidor, conforme pode ser visto na Figura 4. No servidor o arquivo é descompactado e
importado para a base de dados.
Figura 4 - Comunicação Sistema-Estação.
3. DESENVOLVIMENTO
O sistema foi desenvolvido com ferramentas de código aberto. Utilizou-se a IDE
NetBeans(Oracle, 2013) em sua versão 7.1 em conjunto com a linguagem Java versão 7.
O Banco de Dados adotado foi o PostgreSQL(PostgreSQL, 2013), banco de dados
relacional em sua versão 9.1. Além deles foi utilizada a ferramenta Teraterm (Teraterm,
2012) para a transmissão de dados na porta serial, utilizada na comunicação da estação
central com o servidor.
Para a comunicação com a estação meteorológica, comprada anteriormente pelo
projeto de pesquisa como uma solução fechada de hardware e software, não houve a
possibilidade de comunicação direta, pois o software para aquisição dos dados é
proprietário, não possuindo código-fonte aberto para adaptações e também por não
possuir uma API para integrar-se a aplicações externas. Diante desse fato, optou-se por
aproveitar o software distribuído juntamente com a estação meteorológica em conjunto
com um software para automatizar as rotinas. As rotinas são: importação das amostras
da estação para o microcomputador; e exportação dos dados do software para um
formato de arquivo aberto que possibilite a importação para o banco de dados.
Para essa automatização foi utilizado o software Sikuli Script (MIT,2012),
também de código-aberto. O Sikuli tem a função de automatizar rotinas através de
scripts que podem interagir com o sistema por meio de entradas do mouse e do teclado e
saídas no monitor. Essa rotina foi a abertura do software HoboWarePRO (Onset, 2012)
para coleta de dados da estação meteorológica e exportação para um arquivo CSV.
A abordagem adotada é a mesma usada na comunicação, uma frente aborda a
comunicação com a RSSF e outra frente com a estação meteorológica.
O sistema foi modelado seguindo o paradigma de análise orientada a objetos,
utilizando-se das ferramentas da Unified Modeling Language – UML - (BLAHA &
RUMBAUGH, 2006). O armazenamento das amostras coletadas pela RSSF e dos dados
da estação meteorológica e sua posterior recuperação é feita mediante o Sistema de
Gerenciamento de Banco de Dados Relacional –SGBDR- PostgreSQL.
Comunicando com a RSSF
O módulo servidor do sistema foi desenvolvido em Java. Para realizar a
comunicação com a RSSF ZigBee foi utilizada a API Java para equipamentos xbee da
Digi denominada xbee-api. Os dados que chegam através da rede ZigBee vêm de forma
bruta, como um fluxo de bits, e precisam ser interpretados para a utilização no sistema,
a API xbee-api facilita essa tarefa de interpretação. A interação do sistema com a rede
ZigBee pode ser vista de forma simplificada na Figura 5. O software recebe o quadro da
RSSF e o interpreta. Se o quadro recebido é um quadro de amostras, verifica-se se a
aplicação já tem as informações do módulo que enviou a amostra. Se for de um módulo
ainda não cadastrado, a informação do módulo e a amostra são armazenadas. Se for um
módulo já cadastrado, a amostra é guardada imediatamente. Essa diferença no
tratamento das amostras ocorre devido à autoconfiguração da aplicação, resultado de
novos módulos entrantes na RSSF. Depois de guardada a amostra é feita uma requisição
de um quadro com a informação da tensão da bateria. Ao receber o quadro de tensão da
bateria, o mesmo é guardado no banco de dados.
Figura 5 - Fluxograma da interação Sistema/RSSF.
Esse processo é automatizado por inteiro. Nota-se que as amostras são montadas e
enviadas automaticamente pelos nós da RSSF com intervalos de 30 min, dispensando
prévio cadastro dos módulos ZigBee entrantes na RSSF.
3.1. Comunicação com a Estação Meteorológica
Para realizar a tarefa de coleta dos dados da estação meteorológica foi utilizado o
software fornecido pelo próprio fabricante da estação, HOBOwarePro(ONSET, 2012),
que foi concebido para funcionar apenas localmente. Por isso, foi necessário
automatizar o processo que se deu através do uso do Sikuli Script.
O esquema da comunicação da estação central que está em campo em Campo
Novo do Parecis, com o sistema que está localizado em Cuiabá, pode ser visto na
Figura 6.
Figura 6 - Fluxograma da interação do Sistema-Estação Meteorológica
O microcomputador é configurado para ligar diariamente de forma automática,
utilizando a funcionalidade “Real-Time Clock Alarm” da especificação ACPI (ACPI,
2011) habilitada no SETUP do microcomputador utilizado. Depois de carregado o
sistema operacional é executada a rotina do Sikuli Script, que abre o HoboWarePRO e
manda importar os dados da estação para o microcomputador. Depois dos dados
importados, a rotina realiza a exportação para um arquivo com o formato CSV.
Posteriormente a essa etapa, realizada pelo HoboWarePRO em conjunto com o Sikuli
Script, o arquivo é compactado e enviado para a RSSF pela porta serial do
microcomputador. A transmissão serial do arquivo pela RSSF é feita pelo protocolo
Kermit (Columbia University, 2011) escolhido por ser um protocolo confiável e livre de
erros, sobre o protocolo RealPort que faz o tunelamento do servidor até o gateway da
RSSF. Ao final da transmissão o microcomputador é desligado e somente sendo
religado no dia seguinte, isso é realizado visando à economia de energia por ser um
sistema autônomo. No lado do servidor/aplicativo ele recebe o arquivo pela RSSF, o
descompacta e importa para o banco de dados, ficando a espera de novos arquivos.
3.2. Telas do Sistema
A tela principal do sistema é dividida em duas partes. A parte superior mostra
informações dos módulos como: o nome, a última tensão coletada dele, a coordenada ou
descrição de onde ele está localizado e os endereços do mesmo. Na parte inferior é
possível fazer a busca pelas amostras com base no módulo que a coletou, no intervalo
de tempo que foi coletada, representada pela data e hora de início e data e hora de fim,
que pode ser observado na Figura 7.
Figura 7 Tela Principal do Sistema
Há a possibilidade de exportar os dados em sua totalidade ou somente as
amostras selecionadas. Embaixo da tabela, onde são listadas as amostras, é informado se
há amostra selecionada e se tiver quantas são. É possível limpar a seleção clicando no
botão “Limpar Seleção”; há também a informação do horário da última amostra
recebida, mesmo que ela não esteja nas amostras listadas.
Ao clicar no botão ”Exportar” - tecla de atalho “Ctrl+E” - aparecerá outra tela,
onde é possível selecionar os campos a serem exportados. A ordem dos campos
exportados segue a ordem dos dados apresentados na tabela, sendo possível mudar a
ordem das colunas arrastando-as para a ordem desejada.
Depois de escolhidos os campos a serem exportados, é definido o local de
destino. O arquivo é então exportado no formato CSV, o que possibilita o seu uso em
uma gama de softwares de planilhas eletrônicas e editores de texto, e assim os dados
podem ser manipulados por scripts e afins.
Ao clicar na opção “Tensão dos Módulos” no menu “Arquivo” - tecla de atalho
“Ctrl+T” - aparecerá a tela da Figura 8, onde é possível pesquisar todas as tensões
coletadas pelos módulo com os mesmos parâmetros da pesquisa por amostra. Há
também a possibilidade de exportação dos dados para CSV.
Figura 8 Tela do histórico de amostras das tensões dos módulos.
Clicando na função “Exportar” do menu “Estação” aparecerá uma tela da Figura
9, onde é possível fazer a busca por amostras coletadas pela estação meteorológica e
exportá-las para CSV. É possível se exportar somente as amostras e os campos
selecionados ou todas as amostras e campos de uma só vez.
Figura 9 Tela de dados da estação meteorológica.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho apresentou o desenvolvimento de um protótipo de uma ferramenta
de monitoramento ambiental remoto apoiado sobre uma RSSF e softwares livre.
Servindo como ferramenta de auxílio no ensino de estudantes de TI, na solução de
problemas aplicados. Notou-se também que o software Sikuli Script, que possibilitou a
automação da tarefa de coleta da estação meteorológica, pode ser utilizado para a
disciplina de teste de software da engenharia de software, para testes de interface de
aplicações Desktop, área carente de ferramentas livres.
A próxima etapa do projeto é a implantação em campo do sistema, tarefa que
não deve ocorrer com sobressaltos, pois o protótipo foi construído e testado utilizando a
arquitetura proposta. Com a possibilidade de transmissão de arquivos sobre a RSSF,
fato ocorrido com sucesso na transmissão de dados da estação meteorológica para o
aplicativo central simultaneamente com os quadros de amostras da RSSF abriu-se a
possibilidade para a disponibilização de outros serviços aos pesquisadores em campo
como acesso à Internet e o transporte de outros tipos de dados sobre a RSSF. Além
dessa possibilidade outras tarefas serão realizadas futuramente como a criação de
versões Web e Mobile, facilitando o acesso às informações coletadas e possibilitando o
contato dos estudantes com as novas tecnologias e competências demandadas pelo
mercado de trabalho; a adição de novos recursos de análise de dados e; a integração
com o Google Maps para facilitar a visualização e localização dos nós dentro do espaço
monitorado como também para propiciar o contado dos estudantes com tecnologias
emergentes da Web 2.0 como Mashups.
Agradecimentos
Os autores agradecem à FAPEMAT pelo apoio financeiro.
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DEVELOPMENT AN ENVIRONMENT MONITORING SYSTEM
USING ZIGBEE WIRELESS SENSORS NETWORK AND A FREE
SOFTWARE AS A SUPPORT FOR I.T TEATCHING.
Abstract: This paper presents an infrastructure solution to remote environmental
monitoring. The proposed approach uses a graphical user interface, to render it more
user friendly, and also a database to store the monitored data. The idea here was to use,
whenever possible, open and free technologies. The environmental data collected in the
field by both a sensor networks and a meteorological station, are transmitted wirelessly
to the remote data center where the database is. This system may work as an assistance
tool in IT classes, as the practical problems here described are surely insightful.
Key-words: Engineering education, free software, wireless sensor network,
environmental monitoring
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