\chapter{INTRODUÇÃO GERAL} 
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  \section{Introdução}
                                                                		
 Desenvolvido por Robert Bosch, em 1991, a Rede de Controle de Área - \textit{Controller Area Network} (CAN) [1] é utilizada em automóveis modernos, instrumentação médica, em veículos táticos, na automação de processos, no transporte metropolitano e em sistemas de controle de fábricas. O \textit{DeviceNet}  é um exemplo de uma rede comercial SCADA (\textit{Supervisory Control and Data Aquisition} - Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados), que tem como base a especificação CAN. 

Este sistema é utilizado para realizar a conexão entre nós sensores com um baixo custo através de uma rede. A maioria, senão todas, as estruturas críticas de sistemas de controle fazem uso do CAN, em algum ponto na rede, para conectar sensores remotos e controlar atuadores de um sistema, ou para conectar vários controladores que utilizam uma interface em comum. Em uma rede CAN, cada dispositivo pode enviar e receber mensagens, somente se o barramento de comunicação estiver livre. O aspecto mais importante do protocolo CAN é que a transmissão (codificação) das mensagens é realizada por conteúdo da mensagem e não por endereço, como na maioria dos protocolos. Cada nó CAN determina se a mensagem é significativa, em seguida, um filtro pré-determinado combina com os dados no campo do identificador do pacote recebido e determina se a mensagem é ou não de prioridade para tomar posse do barramento. Este mecanismo permite a comunicação por \textit{broadcast} ou \textit{multicast} de mensagens, em que um nó pode enviar a mesma mensagem para muitos nós, um aspecto potencialmente útil na arquitetura de processamento distribuído "mestre-escravo" [2]. O sincronismo dos bits, a taxa de dados, e o comprimento da mensagem são variáveis que são programadas com base na capacidade física da conexão de rede. Na figura 1 apresenta-se um modelo de rede baseado no barramento CAN. 
                                                                		

Figura 1 - Típica configuração do barramento CAN
                                                                		
                                                                		
                                                                		A especificação CAN, publicada pela Bosch, normalmente realiza os serviços associados à camada de ligação de dados do modelo OSI . Várias pilhas de protocolos comerciais disponíveis fornecem serviços de nível superior, mas esses produtos normalmente requerem um investimento substancial do hardware proprietário. A rede CAN opera com baixas taxas de dados, geralmente, ao longo de um simples par trançado, mas muitos mecanismos de conexão são válidos de acordo com o padrão da camada física, que é especificado na norma ISO 11898. 
                                                                		Ao contrário dos diferentes esquemas de endereços (origem/destino) encontrados em protocolos como o IP (\textit{Internet Protocol}), uma característica única no protocolo CAN é a utilização de identificadores de filtros de mensagem. Embora este mecanismo esteja bem adaptado para transmitir mensagens, pode trazer uma substancial complexidade no projeto e também pode representar sérios problemas de segurança nos filtros de recebimento que não são devidamente inicializados. 
                                                                		A maior área de utilização do protocolo CAN continua sendo nos modernos sistemas eletrônicos, sendo que, vários automóveis utilizam os modelos do CAN que estão atualmente disponíveis. Nos automóveis, o sistema CAN é aplicado em redes IntraVeiculares (IVN -  \textit{IntraVehicle Network}) e, também, em outras áreas, como no controle de motores e distribuição de áudio estéreo. Outras aplicações automotivas incluem aquecimento, controle de iluminação e sistemas de informação e entretenimento. Além do padrão para automóveis, a rede CAN é utilizada em caminhões, comunicação de caminhões reboque; em trens, para controle de portas, controle de freio e validação de dispositivos através de cartões; na eletrônica marítima, controle de bombas e válvulas, nos aviões, para sensores de vôo e sistemas de navegação; em equipamentos médicos, para gestão de equipamentos em salas de operação, em sistemas de automação de fábricas, além de processos de controle e aquisição de dados remotos. 
                                                                		Importantes implementações da rede CAN tem sido em produtos com tecnologia sem fio (\textit{wireless}). Esses dispositivos são desejáveis nas situações em que uma conexão física pode ser de alto custo, perigosa ou para controle de veículos autônomos [3]. Uma recente pesquisa localizada na Internet através de sites confiáveis, somente duas empresas fornecem produtos comerciais que favorecem a comunicação sem fio aos dispositivos CAN. Algumas investigações para os produtos foram identificadas, onde nenhuma considera as questões de segurança, exceto para propor redundância [4, 5]. 
                                                                		Assim, o sistema pode ser vulnerável a ataques ou invasões. O bloqueio de um sinal sem fio da rede CAN pode impedir a transmissão de dados em tempo real, proporcionando resultados catastróficos. Além disso, se o CAN RF é acessível, \textit{hackers} podem causar uma falha do sistema enviando "vermes" [6] na rede quando o estado do barramento estiver recessivo. Na presente pesquisa, a rede não oferecerá nenhum mecanismo para impedir ouvintes desautorizados, possivelmente concorrentes de adquirir dados da rede em questão. 
                                                                		O padrão sem fio, IEEE 802.15.4, foi finalizado no final de 2003. Comercialmente conhecido como "ZigBee", este sistema é projetado para operar em baixas taxas de dados, com segurança e baixo custo de configurações de rede. Esta rede é comumente conhecida LR-WPAN (\textit{Low-Rate Wireless Personal Area Network}). LR-WPANs são utilizados em redes domésticas, instrumentação médica e outras aplicações que exigem sensores remotos de baixa potência, a fim de aumentar o tempo de vida da bateria e minimizar a manutenção do sensor. Dois elementos chaves do padrão IEEE 802.15.4 LR-WPAN podem ser destacados: operação com baixa potência e à implementação inerente da segurança. 
                                                                		O padrão IEEE 802.15.4 especifica as pilhas de protocolo de Camada de Acesso ao Meio (\textit{Medium Access Control} - MAC) e a Camada Física (PHY). Simplesmente, o RF na camada física é análogo entre dois nós na comunicação. A camada física do LR-WPAN usa o espectro de propagação da sequência direta (\textit{Direct Sequence Spread Spectrum} - DSSS), que oferece resistência inerente de bloqueio. A subcamada MAC define a estrutura do empacotamento da mensagem e o estabelecimento de uma conexão. No padrão IEEE 802.15.4 o mecanismo utilizado para controle do barramento é o CSMA-CA  (\textit{Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance}). Os recursos de segurança também são executados e incluem a capacidade de manter uma lista de Controle de Acesso (\textit{Access Control List} - ACL) e a capacidade de executar criptografia simétrica [7]. 
                                                                		Uma conexão sem fio para o acesso CAN é utilizada em redes IVN e SCADA, principalmente para o acesso às partes rotativas (sensor de pressão e incêndio), aplicações de sensoriamento remoto e Veículos Autônomos Guiados (\textit{Autonomous Guided Vehicles} - AGV). Poucas soluções de interfaces comerciais sem fio CAN estão disponíveis e há pouca congruência entre estes projetos proprietários. As implementações atuais são baseadas no padrão IEEE 802.11 ou \textit{Bluetooth}, ambas são aceitáveis, mas, a partir da perspectiva CAN, são ineficientes em termos de consumo de energia e taxa de dados. 
                                                                		Este trabalho propõe uma arquitetura única (microcontrolador) para acoplar o protocolo CAN com o padrão IEEE 802.15.4 LR-WPAN, proporcionando assim, um baixo custo, baixa potência, eficiência, segurança e a capacidade desta rede sem fio compatível com muitas outras interfaces de redes e infraestruturas existentes, além de inúmeras outras instalações que incorporem o CAN. 
                                                                		Os problemas envolvidos na criação deste módulo exigem um grande esforço por parte do projetista, pois estas redes são heterogêneas em vários aspectos [8], como ilustrado na Tabela 1. 
                                                                		
                                                                		Tabela 1 -  Comparação da rede CAN com o IEEE 802.15.4
                                                                		Rede de Controle de Área  CAN	IEEE 802.15.4
                                                                		Camada Física	Barramento com terminadores	Spread spectrum RF
                                                                		Camada MAC/LLC	Filtros de mensagens	Endereço de origem e destino
                                                                		Camada MAC	Detecção de Colisão	Anticolisão
                                                                		Camada de Rede/Topologia	Nós em paralelo, patrão-trabalhador	Ad-hoc, dispositivos de função completa, dispositivos de função reduzida
                                                                		Segurança	Nenhuma	Listas de Controle de Acesso, Criptografia Simétrica.
                                                                		
                                                                		
                                                                		Nas próximas seções deste trabalho, as limitações envolvidas na implementação e programação do módulo microcontrolador serão analisadas. A implantação deste sistema é mais provável de ocorrer em sistemas de controle e automação e, também, investigar sistemas críticos que necessitam de respostas em tempo real. Por isso, várias características essenciais, que afetam as respostas em tempo real, são investigadas. Estes incluem atraso de mensagem, tempo de antena e máximo caudal. 
                                                                		
 \section{Objetivo da Tese}
                                                                		
                                                                		O objetivo deste trabalho é desenvolver um módulo microcontrolador que dê suporte na concatenação dos protocolos CAN (Controller Area Network) e o padrão 802.15.4 ?Zigbee? para comunicação de redes de sensores sem fio (RSSF).
                                                                		Este módulo controlador terá a capacidade de agregar vários sensores em uma área pré-determinada utilizando para controle dos nós o protocolo CAN e a comunicação entre nós sensores localizados e ambientes distantes através do padrão sem fio 802.15.4.
                                                                		Para o desenvolvimento do trabalho, utilizar-se-ão os seguintes módulos de desenvolvimento da ATMEL:

\begin{itemize}
\item Módulo STK 500.
\item	Módulo de expansão STK 501.
\item	Rádio de comunicação da ATMEL RZ502.
\item	Microcontrolador da família ATMEGA1281.
\end{itemize}                                                                	

Para a implementação dos algoritmos para gravação do microcontrolador, será utilizada a linguagem de programação \textit{ANSI C}. Além da IDE de desenvolvimento da ATMEL (\textit{AVR Studio 4.0}), outras ferramentas de testes e depuração serão oferecidas pela mesma empresa.   
                                                                		
 \section{Justificativa}
                                                                		
                                                                		A ausência de um padrão internacional de interfaceamento entre protocolos heterogêneos para comunicação sem fio fez com que engenheiros utilizassem diferentes tipos de interfaces e protocolos em diferentes ambientes de acordo com a sua necessidade, dificultando, assim, a interoperabilidade e futuras manutenções e comunicação do sistema. Muitos desses sistemas utilizam um nó de rede centralizado realizando a conversão dos protocolos e modificando a interface de comunicação. 
                                                                		
                                                                		\section{Organização do Texto}
                                                                		
                                                                		Incluída a introdução geral no Capítulo 1, que contém a contextualização do projeto, um breve histórico do protocolo CAN, do padrão IEEE 802.15.4 e os trabalhos mais relevantes na área, o texto foi organizado em 7 Capítulos.
                                                                		No Capítulo 2, são introduzidos os principais conceitos do protocolo das Redes Controle de Área e a descrição dos protocolos, métodos de transferência de mensagens no barramento, as tecnologias de transmissão de dados utilizadas e as diretrizes para o desenvolvimento dos módulos para redes de sensores sem fio (RSSF).
                                                                		No Capítulo 3, são apresentadas as características do padrão IEEE 802.15.4, como formato de pacotes, abrangência de comunicação, tipos de erros, paradigmas da sua utilização na comunicação sem fio, contextos que se adéquam à elaboração do projeto.
                                                                		No Capítulo 4, são apresentadas as ferramentas que serão utilizadas para os testes e implementação do módulo, suas características, análise de desempenho e onde se enquadram dentro do contexto do projeto.
                                                                		No Capítulo 5, é apresentado o modelo proposto a ser confeccionado. Além disso, apresenta alguns testes que foram realizados para comunicação serial que validam a funcionalidade do sistema.
                                                                		No Capítulo 6, são apresentadas as considerações finais deste trabalho. Além disso, os trabalhos futuros a serem desenvolvidos e, no Capítulo 7, as referências utilizadas.         
                                                                		
                                                                		
