Universidade de Brasília Faculdade de Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica Redes de...

Universidade de BrasíliaFaculdade de Tecnologia

Departamento de Engenharia Elétrica

Redes de Sensores e Atuadores Wirelesspara

Automação Predial

Daniel Bermudez Souto de OliveiraMárcio Piragibe de Bakker Faria Zanatta

Rodrigo Almeida Santos

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Sumário

• Objetivos do Projeto• Comunicação Wireless• Padrão ZigBee• USB• Maquete de Processo Térmico• Resultados • Conclusões

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Objetivos do Projeto

• Estudo de automação predial wireless

• Controle de temperatura de uma maquete de salas de escritório

• Estudo do padrão ZigBee

• Implementação de Interface USB

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Módulos Implementados

1. Módulo de Sensores-XBee

2. Módulo de Atuadores-XBee

3. Placa USB-XBee

4. Programa Supervisório via Simulink

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Comunicação WirelessMarcos das Comunicações Wireless

1839 - Primeira mensagem telegráfica via código morse,

1864 - Equações de Maxwell,

1867 - Fundação da industria telefônica Bell Laboratories

1888 - Comprovação da existência das ondas eletromagnéticas por Heinrich Rudolf Hertz;

1900 - Primeira transmissão wireless

1972 - Primeira demonstração da telefonia celular,

1999 - Criação da Wi-Fi Alliance

1999 - Formalizado o BlueTooth Special Interest Group

2002 - Surgimento do CableModem, xDSL , VoIP

2004 - Primeira versão do padrão ZigBee

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Comunicação Wireless

Tipos de redes sem fio

• WPAN (Wireless Personal Area Network) - são redes wireless de pequeno alcance (entre 10 e 100 metros). Exemplo: dispositivos portáteis ou móveis tais como PCs, PDAs, periféricos e celulares;

• WLAN (Wireless Local Area Network) - São redes wireless destinadas à interligação de redes locais com alcance entre 100 e 300 metros. Exemplo: extensão ou alternativa para as redes com cabeamento convencional (par trançado ou fibra óptica);

• WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) – são redes wireless destinadas a acessos de banda larga de grande alcance para áreas metropolitanas, com alcance em torno de 6km;

• WWAN (Wireless Wide Area Network) - são redes wireless destinadas a redes de telecomunicações em longa distância, serviços de voz e dados.

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Padrão WI-FI

• Padrão IEEE 802.11• Alcance Máximo: 100

metros• Computador portátil e

tabletPC• Muito utilizada para

acesso a internet

Padrão Velocidade

Máxima

Faixa de

Frequência

802.11b

11Mbps

2,4GHz

802.11a

54Mbps

5GHz

802.11g

54Mbps

2,4GHz

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Padrão Bluetooth

• O nome Bluetooth é uma homenagem ao rei da Dinamarca e Noruega Harald Blåtand;

• Padrão IEEE 802.15.1

• Faixa de frequência: ISM (2,4 a 2,5GHz);

• Computador portátil, celulares, pequenos dispositivos de uso pessoal.

Classe Potência

Alcance

1 100mW

100m

2 2,5mW 10m

3 1mW 1m

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Padrão ZigBee

• Padrão IEEE 802.15.4;

• WPAN;

• Faixa de Frequência: ISM (2,4 a 2,5GHz);

• Taxa de transmissão: 250kbps (baixo);

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Padrão ZigBee

Estruturas de Rede Possíveis

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Comparação entre os Padrões

Padrão Wi-Fi Bluetooth ZigBee (XBee)

IEEE 802.11 802.15.1 802.15.4

Taxa de Transmissão

54Mbps 1Mbps 250kbps

Consumo •400mA TX•20mA standby

•40mA TX•0,2mA standby

•45mA TX•10uA standby

Recursos(KB) 1000 250 32

Nº máximo de nós 256 7 65535

Alcance 100 100 100

Pontos Fortes Alta taxa de transmissão

de dados

Substituição de cabos

Consumo, n º de nós, preço

Aplicações Internet, redes,

transferência de dados

Aparelhos de mão

Controle Remoto,

sensores e dispositivos com baterias

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Implementação da Rede

• Rede estrela:– Dois nós End Device e um

nó Coordenador

• Nó Coordenador

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Nó End Device

• Módulo

Sensor-XBee

• Módulo

Atuador-XBee

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Maquete

• Os nós End Device ficam localizados na maquete.

• Alimentação.

USB

•Em 1995, surge o padrão USB com o conceito Plug and Play

•Atualmente, verifica-se um forte tendência de substituição das portas seriais do tipo RS232 para portas USB

•Motivação para a implementação da USB: seguir a tendência tecnológica

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USB

•Pinagem da USB:

•Transferência de dados nos pinos D+ e D- com codificação NRZI, com sinais bi-direcionais e lógica invertida.

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USB

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USB

•O protocolo é a base da comunicação

•Velocidade de transmissão de dados:

-USB 1.0: 1,5Mbps (Low Speed)

-USB 1.1: 1,5 Mbps à 12 Mbps (Full Speed)

-USB 2.0: até 480 Mbps (High Speed)

•Reconhecimento da velocidade pela impedância da linha

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USB

•Reconhecimento da USB 1.0 (Low Speed):

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Implementação da USB

Teve com base a nota de aplicação AVR309 da Atmel.

Vantagens:1. Baixo custo

2. Possibilidade de transformar um microcontrolador “RS232” em microcontrolador USB

3. Aproveitamento dos ATmega8 disponíveis

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Implementação da USB•Esquemático da ligação:

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Hardware

• Para a implementação da rede foi necessária a criação de 3 placas de circuito impresso:

– Módulo supervisório;

– Módulo dos sensores;

– Módulo dos atuadores.

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Endereçamento

• O XBee permite a configuração de parâmetros de comunicação, bem como o tipo dessa comunicação (ponto a ponto ou broadcast).

• A comunicação foi feita de modo que os módulos se comuniquem ponto a ponto.

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• Para a comunicação entre os módulos foi adotada a seguinte configuração:

– ATMY: endereço do nó– ATDL: endereço de envio– ATDH: tipo de endereçamento (16bits)

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Software

• Para o controle do processo térmico utilizamos o Simulink do MatLab, pois facilita o ajuste de parâmetros do controlador.

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VSP (Virtual Serial Port)

• Para a manipulação dos dados utilizamos o Simulink do MatLab, para isso foi necessária a utilização de uma VSP.

• Objetivo: emular os valores Tx e Rx.

• Neste projeto foi utilizado um software próprio para em associação com o dispositivo USB (AVR309).

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Controlador

• Para a determinação dos parâmetros do controlador PID utilizamos o método de Ziegler-Nichols.

• O controlador ficou da seguinte forma:

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Parâmetros do Controlador

• Sala 1– Kd = 18.220 – Kp = 3.623 – Ki = 0.180

• Sala 2– Kd = 24.312– Kp = 5.081– Ki = 0.132

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Resultados

– Porta aberta

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– Porta fechada

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Conclusões

• O objetivo do projeto que era a implementação básica do controle térmico da maquete utilizando o padrão ZigBee foi realizado com sucesso.

• Diante desse fato surge sugestões para o aproveitamento das idéias aqui iniciadas para o futuro:– Aumento da complexidade da rede com um maior número de

nós e de sensores– Implementação de um protocolo de comunicação (Bacnet)– Aumento da memória do microcontrolador– Preocupação com o desenvolvimento de códigos de

segurança da rede (CRC)– Métodos visando a economia de energia nos nós end device e

router

Obrigado

à todos !