Instrumentação InteligenteInstrumentação Inteligente

Prof. Dr. Carlos Eduardo CugnascaProf. Dr. Carlos Eduardo Cugnasca

carlos.cugnasca@poli.usp.brcarlos.cugnasca@poli.usp.br

Escola Politécnica da USPEscola Politécnica da USP

Depto. de Engenharia de Computação e Depto. de Engenharia de Computação e

Sistemas Digitais Sistemas Digitais

Laboratório de Automação AgrícolaLaboratório de Automação Agrícola

04/07/200504/07/2005

Linha de Pesquisa em Tecnologia de Informação no Agronegócio e Ambiente

Pesquisas envolvendo Instrumentação Inteligente

Laboratório de Automação Laboratório de Automação

AgrícolaAgrícola

04/07/2004 - CEC *** 2

AgendaParte I – Instrumentos Inteligentes

– Computação Pervasiva e Computação Ubiqua– Conceituação de Instrumentos Inteligentes

Parte II – Redes de Controle– Embarcadas em Veículos– Embutidas em Ambientes– De Sensores Sem Fio

Parte III – Padronização

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Parte I – Instrumentos Inteligentes

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Instrumentos Inteligentes

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MotivaçãoMudanças de paradigmas nos últimos anos:

Centralizado x DistribuídoSistemas Hierárquicos x Sistemas em RedeOff line x On lineSistemas Proprietários x Sistemas AbertosSistemas Dedicados x Sistemas FlexíveisComputação “Estática” x Computação MóvelControle Convencional x Controle InteligenteInterfaces Passivas x Perceptuais/Reativas

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Instrumentos Inteligentes

Convergência de tecnologias

Redução de tamanho: dispositivos portáteis

Dispositivos e sistemas computacionais: redução de custo e consumo

Uso intensivo de Internet e redes de alta velocidade

Crescimento da comunicação sem fio

Maior conectividade e transparência

Maior simplicidade de uso

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MotivaçãoAs mudanças continuam – tendências:

Instrumentos InteligentesComputação Pervasiva

O computador está embarcado no ambiente de forma invisível para o usuário

Os computadores agem de modo inteligente no ambiente onde se encontram embutidos:– capacidade de obter informação sobre o ambiente e utilizá-la para construir dinamicamente modelos computacionais– controlam, configuram e ajustam a aplicação para melhor atender as necessidades do dispositivo ou usuário

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Instrumentos InteligentesComputação UbíquaReúne:

o alto grau de incorporação de dispositivos embarcados no ambiente da computação pervasiva

o alto grau de mobilidade da computação móvel

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Instrumentos Inteligentes

Computadores de pequeno porte e baixo consumoSensores (incluindo de posição) e Atuadores Dispositivos de interfaces com o usuário (displays, teclados, voz, ...) simples (computadores imperceptíveis)Comunicação sem fio e redes para conectar computadores e sistemas dos mais diferentes portesSistemas distribuídos e tolerantes a falhas

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Computação Pervasiva e UbíquaPressupõem o uso das seguintes tecnologias:

Instrumentos InteligentesNecessidade de Novos InstrumentosSensores e Atuadores:

Além da suas funções básicas (obtenção de informações e intervenções do/no ambiente):Capacidade de processamento localAtitude reativa e colaborativa

Conectividade: redes de controle

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Instrumentos InteligentesSensores Inteligentes - algumas características:

Confluência entre transdutor, computação e comunicação:– Reduzir o custo de integrar e manter sistemas distribuídos

Levar inteligência mais perto do ponto de medida ou controle

Precisão na coleta de dados

Capacidade de comunicação

Diminuição dos custos de produção e manutenção

Aumento da confiabilidade do sistema

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SensorInteligente

Auto-calibraçãoAuto-compensaçãoAuto-validação

Funçõesintegradas

Variável medida

Dados medidos, dadosprocessados, estado do

sensor (diagnóstico),supervisão de falhas.

Saídas

Entradas

Requerimentos para a mediçãoe o processamento dasvariáveis, condições doambiente.

FieldbusInfra-estrutura para sensores inteligentes:

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Fonte: Dante Tantaleon

Rede de Controle

Instrumentos Inteligentes

Data Sheet Eletrônica

Instrumentos InteligentesInstrumentos Inteligentes - algumas vantagens:

Flexibilidade para ampliações e modificações

Maiores distâncias em relação os sistemas centralizadas

Redução do cabeamento, instalações mais simples

Ampliação do domínio de aplicações

Redução do custo total do projeto de automação

Ferramentas para instalação, teste e gerenciamento

Interoperabilidade

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Parte II – Redes de Controle

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Redes de ControleViabilizam os dispositivos interagiremSensores e Atuadores Inteligentes (nós)

+ => Controle Inteligente

Rede de Controle

Sensores: – pequenos, confiáveis, coletam informação das suas vizinhanças

Atuadores Inteligentes: – recebem ordens via rede de controle e atuam no ambiente

Vários dispositivos podem constituir um único sub-sistema autônomo

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Redes de ControleDificuldades:

Diversidade de problemas e necessidades: muitos tipos de redes e padrões => dependência da categoria de aplicação:

– Embarcadas em Veículos: • Veículos: carros, ônibus, caminhões, navios, aviões, trens, ...

– Embutidas em Ambientes• Ambientes: casas, prédios, escolas, armazéns, granjas, ...

– Redes de Sensores Sem Fio

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Redes de Controle

Redes Embarcadas em Veículos

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Redes de ControleEmbarcadas em Veículos:

Últimos anos: demanda para novos sistemas em automóveis (veículos inteligentes)

Evolução da Eletrônica Embarcada => Computador de Bordo

Objetivo: maior segurança, melhor dirigibilidade, maior conforto, maior economia, melhor desempenho, diagnóstico mais fácil, atendimento à legislação (controle de emissão)

Usam sensores, atuadores (controles inteligentes) e redes:

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Redes de ControleEmbarcadas em Veículos:

Pesquisas envolvendo veículos agrícolas:

– estimuladas pela Agricultura de Precisão

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Redes de Controle

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Fonte: Adaptado de CASE IH

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Redes de ControleEmbarcadas em Veículos Agrícolas:

Padrão utilizado: – Baseado no CAN - Controller Area Network – Origem: necessidades da indústria automotiva, inicialmente caminhões e ônibus (Bosch)– Norma ISO 11783 e ISOBUS

• Permitir interconectividade entre produtos de diversos fabricantes:– Tratores e implementos– Computadores de bordo, sensores, atuadores, ...– Grandes esforços nos EUA, Europa (e Brasil) para implantação do padrão

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Redes de Controle

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GPS

Fonte: Baseado em Alexandre de A. Guimarães

Computador de Gerenciamento

da Fazenda

Redes de Controle

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Redes de Controle

Redes Embutidas em Ambientes

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Redes de ControleEmbutidas em Ambientes:

Cada vez mais freqüentes

04/07/2004 - CEC *** Fonte: A.A.F. Loureiro et all. 25

Redes de ControleEmbutidas em Ambientes:

Pesquisas envolvendo LonWorks– LonWork (Local Operating Network):

• Desenvolvido por Echelon Corporation, esta baseado no modelo ISO/OSI de 7 camadas

• É um barramento para aplicações de controle, muito usado em automação predial

• Outras aplicações: – automação industrial, trens, aviões, automação residencial

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Objetivos Principais do padrão LonWorks:Rede de Controle distribuída, independente de microcomputador

Sensores, Atuadores e Controladores

Interfaces e Painéis, Indicadores e Displays

Sistemas interoperáveis, beneficiando Fabricantes

Integradores de Sistemas

Usuários Finais

Ser uma solução para qualquer tipo de controlePredial, Residencial, Industrial, Agrícola

Transporte (embarcados): trens, aviões, …

Redes de Controle

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Redes de ControleEmbutidas em Ambientes:

Algumas características do LonWorks– Múltiplos meios de comunicação:

• Par trançado, fibra óptica, cabo coaxial, RF, rede elétrica• Padrão aberto• Construção e programação de nós: simples (ferramentas de software + Neuron Chip)• Número ilimitado de nós em uma rede• Diversas topologias e interconexões: gateways, bridges,...• Orientada a eventos

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Redes de Controle

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Dispositivo Interruptor

NeuronChip

NV Estado Interruptor

Exemplo – Interruptor e Lâmpada

Dispositivo Lâmpada

NeuronChip

NV Estado Lâmpada

Redes de Controle

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Dispositivo Interruptor

NeuronChip

NV Estado Interruptor

Instalação

Binding

Dispositivo Lâmpada

NeuronChip

NV Estado Lâmpada

Redes de Controle

Parcerias em LonWorksConceito Tecnologia

TAC Américas/Schineider

Loytec

PureChoice

P2S Tecnologia

Redes de Controle

Redes de Controle

Redes de Sensores Sem Fio

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Redes de ControleRedes de Sensores Sem Fio (RSSF):

Objetivo:– Produzir informações com significado global a partir de dados brutos gerados por sensores individuais

Requer:– Consumo mínimo de energia e dimensões reduzidas – Protocolo de comunicação simples e eficiente– Alta tecnologia– Mobilidade:

• Nós estáticos (rede planejada) ou redes ad-hoc • Nós com mobilidade vegetativa (baterias)• Nós que se movem com o fenômeno (animais, ...)• Nós com mobilidade autônoma

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Aplicações:Militares:– Num campo contaminado biológica ou quimicamente

– Num campo de batalha, entre as linhas inimigas

Saúde e auxílio a deficientes físicos

Segurança

Na estrutura de prédios e pontes

Em veículos, aeroplanos ou espaçonaves

Em máquinas (industriais, residenciais)

Teclado virtual

Monitoração de Ambiente e Habitat – Dentro de vulcões e tornados, rios e mares (dreno de esgoto), fundo do

oceano, animais, florestas, ...

Num campo agrícola: agricultura de precisão, estufas, ...

Redes de Controle

Campo de aplicaçãode uma RSSF

Redes de Controle

Algumas aplicações no Agronegócio:Agricultura de Precisão:

Construção de mapas para:– Captura do aspecto temporal das variáveis de solo-planta-clima

• acompanhamento da saúde da planta e sua relação com a disponibilidade de nutrientes

• efeitos ambientais: impacto das gotas de chuva ou irrigação no solo, quebras de agregados de solos, exposição de raízes.

– Aplicações em taxa variável– Controle de pestes/pragas

Monitoramento Ambiental em Silos Agrícolas:– Controle da temperatura e umidade relativa do ar:

• 20% da produção nacional de grãos é perdida por falta de controle das variáveis

Redes de Controle

http://www.cnpdia.embrapa.br

Redes de Controle

Formas convencionais:

http://www.cnpdia.embrapa.br

Microprocessador Atmel – Transceiver

• 916MHz, alcançe ~20m, 4800 bps– Vida util:

• 1 semana totalmente ativo, 2 anos @1%

N

S

EW 2 Axis Magnetic Sensor

2 Axis Accelerometer

Light Intensity Sensor

Humidity Sensor

Pressure Sensor

Temperature Sensor

Berkeley COTS Dust - RF Motes

Forma possível:

Redes de Controle

Agricultura de Precisão com RSSF: ciclo de monitoração contínuo

Redes de Controle

Sucesso da Agricultura de Precisão: depende da qualidade dos mapas

Mapas variam no tempo de forma desconhecida

Redes de Controle

RSSF para Agricultura de Precisão

Fonte Dados

Sorvedouro(Observador)Fonte

Dados

Campo de sensores

Redes de Controle

RSSF em operações de campo:Permite melhorar e complementar outros dados de campo, com vantagens:

– Privilegia o aspecto temporal do dado– Infraestrutura pervasiva – Eliminação de pontos de falha únicos – Baixo custo operacional– Infra-estrutura escalável e de múltiplos usos

Existem coisas que somente uma RSSF podem proporcionar para a AP ...

Redes de Controle

RSSF em AP - Pesquisas persistentes:Retornar repetidamente valores anormais medidos pelos sensores em determinada região– Ex: Alarme de infestação por pragas

Retornar a cada 12 horas os valores medidos pelos sensores em determinada região do campo– Ex: Condição ideal do solo para plantio

Notificar sempre que 2 sensores, distantes em menos do que 5 m, medirem simultaneamente um valor anormal– Ex: Nível de infestação por praga Source: Bonnet, 2000

Redes de Controle

Construção de mapas com RSSFAtravés de pesquisa na rede, obter o valor estimado de um parâmetro de qualquer

ponto do campo, a partir das informações dos dados sensoriados• Investigar e propor soluções aos problemas de rede relacionados a essa operação

Redes de Controle

Parte III – Padronização

Padronização

Desafio aos Fabricantes de Sensores e Atuadores:

• Interfacear dispositivos com várias redes:– questão de sobrevivência

– mas é caro, exigindo muito esforço de software e hardware

• Mercado:– diversificado, muitos tipos de redes e protocolos: maiores custos

– alternativas que reduzam custos = simplificação do desenvolvimento

• Padrões universais para interligação em redes de controle:– menor tempo para a implementação dos sistemas

– menores custos

Padronização

IEEE 1451:

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IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators (STIM) Network Capable Application Processor (NCAP)

Família de normas com o objetivo de tornar mais fácil a tarefa de criar soluções baseadas nas tecnologias de rede existentes, conexões padronizadas com os dispositivos inteligentes e arquitetura de software comum.

Padronização

IEEE 1451 – Alguns objetivos:

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•Sensores e atuadores plug and play, com interface de comunicação comum, independente da rede e do fabricante

•Simplificar a criação de redes de transdutores inteligentes

•Facilitar o suporte a múltiplas redes (inclusive sem fio)

•Permitir a substituição e movimentação fácil dos transdutores

•Eliminar os erros típicos nas fases de configuração manual

•Especificação técnica eletrônica: permanece junto ao transdutor

•Modelos gerais de dados de transdutores, controle, configuração, tempo e

calibração

IEEE 1451

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Padronização

Exemplo de STIM

Exemplo de STIM

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Padronização

Transdutores ligados em rede

Prof. Carlos Eduardo Cugnasca

Telefone: 11 3091 5366

carlos.cugnasca@poli.usp.br

www.pcs.usp.br/~laa

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