Sistema de sensorização e controlo baseado em ZigBee para aplicação em bicicletas elétricas

Abstract

Esta dissertação descreve uma solução para implementar a comunicação sem fios entre sensores indicadores de esforço físico, um smartphone e um sistema de controlo de uma bicicleta elétrica. Um dos objetivos deste trabalho consiste na especificação de alguns cenários para o controlo de esforço físico dos utilizadores, tirando partido do sistema de controlo dessa bicicleta, com a finalidade de proporcioná-los com a possibilidade de melhorar a sua aptidão física. Nesta dissertação é implementada uma infraestrutura de rede, baseada em ZigBee, para dar suporte à comunicação entre as diversas partes do sistema. Os testes efetuados visam aferir se a qualidade de serviço oferecida, mais especificamente no atraso fim a fim, é adequada para suportar os diversos cenários de controlo de esforço. O consumo de energia e o alcance também são considerados uma vez que são características fundamentais no contexto deste trabalho. A comunicação entre as diversas partes do sistema é assegurada através do módulo SDZ-539 da Spectec que desempenha o papel de gateway entre o smartphone e a rede ZigBee. A escolha deste módulo baseou-se no facto de permitir a comunicação entre sensores baseados em ZigBee/IEEE 802.15.4 com um smartphone Android. Durante a fase de implementação e testes verificou-se que este módulo tem algumas limitações, nomeadamente a necessidade de fazer polling, ao nível aplicacional, para receber os dados provenientes da rede ZigBee, e também pelo facto de ter um consumo de energia considerável mesmo em situações de baixa utilização. Com os resultados obtidos nos testes foi possível determinar o melhor compromisso entre o intervalo de polling, o atraso e o consumo energético de modo a responder às necessidades do sistema. Além disso foram obtidos resultados que mostram que o alcance das comunicações sem fios é aceitável tendo em conta o propósito para o qual o sistema foi projetado.

This dissertation describes a solution for implementing the wireless communication between sensors that measure physical effort, a smartphone and an electric bicycle control system. One of the objectives of this work was to specify some scenarios to control users’ physical effort, by taking advantage of the bicycles control system, in order to provide them with the possibility of improving their fitness level. In this dissertation a network infrastructure, based on the ZigBee protocol, was implemented to support the communication between the different parts of the system. The tests performed aim to assess whether or not the quality of service, more specifically, the end to end delay, is adequate to support the different scenarios that were initially specified. The power consumption and range are also considered since they are key features in the context of this work. The communication between the different parts of the system is ensured by Spectec’s SDZ-539 module, which acts as a gateway between the smartphone and the ZigBee network. The choice of this module was due to the fact that it enabled the communication between ZigBee/IEEE 802.15.4 based sensors and an Android smartphone. During the implementation and testing phase it was verified that the module has some limitations, namely the need for polling at the Android application level to receive data from the ZigBee network, and also the fact that power consumption was considerably high even with low utilization. With the results obtained from the tests it was possible to determine a trade-off between the polling interval, the end to end delay and the power consumption in order to meet the systems requirements. Furthermore, the obtained results show that the wireless communication range is acceptable regarding the purpose for which the system was designed.