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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
COMPARAÇÃO ENTRE SISTEMASDE MEDIÇÃO E ATUAÇÃO COM E SEM FIOS: ESTUDO DE CASO EM CONTROLE DE CONFORTO TÉRMICO
LUCIANO FERNANDO ROSA MAURICIO DADA FONSECA DE FREITAS
CURITIBA
2011
LUCIANO FERNANDO ROSA
MAURICIO DADA FONSECA DE FREITAS
COMPARAÇÃO ENTRE SISTEMAS MEDIÇÃO E ATUAÇÃO COM E SEM FIOS: ESTUDO DE CASO EMCONTROLE DE CONFORTO TÉRMICO
Trabalho de conclusão de curso
apresentado à disciplina Trabalho
Final de Curso como requisito
parcial à conclusão do Curso de
Engenharia Elétrica, Setor de
Tecnologia, Exatas, Universidade
Federal do Paraná.
Orientação: Prof. Dr. Gustavo
Henrique da Costa Oliveira.
CURITIBA
2011
TERMO DE APROVAÇÃO
LUCIANO FERNANDO ROSA
MAURICIO DADA FONSECA DE FREITAS
COMPARAÇÃO ENTRE SISTEMAS MEDIÇÃO E ATUAÇÃO COM E SEM FIOS: ESTUDO DE CASO EM CONTROLE DE CONFORTO TÉRMICO
Trabalho de graduação apresentado à disciplina de Projeto de Graduação como requisitoparcial à conclusão do curso de Graduação de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Paraná.
Prof. Gustavo Henrique da Costa Oliveira, Dr.
Prof. Eduardo Parente Ribeiro, Dr.
Prof. Gideon Villar Leandro, Dr.
Prof. João da Silva Dias, Dr.
CURITIBA
2011
AGRADECIMENTOS Agradecemos aos nossos familiares por todo o apoio e suporte, não só
ao longo destre tabalho ou curso, como também durante toda nossas vidas.
Ao Professor Gustavo Henrique da Costa Oliveira, por toda a
disposição em acompanhar e orientar a execução do projeto.
Aos nossos colegas, pelo companheirismo e assistência mútua durante
as várias etapas do curso.
Seremos eternamente gratos também aos professores do
departamento por todo o conhecimento transmitido ao longo do curso, que
serão fundamentais par nossas carreiras profissionais.
RESUMO
Este trabalho aborda a comparação de um sistema de medição e
atuação com e sem fios. Como estudo de caso foi desenvolvido um sistema de
controle de conforto térmico com sensores de temperatura e umidade, sendo o
sinal a ser controlado o índice PMV (Predictive Mean Vote) de um ambiente.
A base do sistema de controle utilizado é a alocação de pólos,
controlador RST, no qual é possível especificar o comportamento do sistema
do ponto de vista de tempo de subida e overshoot.
A comunicação sem fios é baseada no padrão IEEE 802.15.4 e
realizada com os módulos MRF24J40MA, soluções voltadas para dispositivos
de baixo consumo, baixa taxa de transferência e baixo custo.
O foco dos resultados está na comparação entre os controladores com
e sem fios, e não somente a performance do controlador prático com o teórico.
Outros resultados incluem estatísticas de perdas de dados, retransmissões e
outros cuidados a serem tomados em sistemas utilizando links sem fio para
aquisição de dados de sensores.
Palavras chave: Controle de conforto térmico, PMV, controlador RST,
redes sem fio.
ABSTRACT The following work addressesthe comparison between wired and
wireless systems of measurements and actuation. As a case of study, a control
system of thermal comfort, with temperature and humidity sensors, will be
developed, the signal to be controlled is the PMV (Predictive Mean Vote) of a
closedenvironment.
The control system method to be used is bypole allocation, RST
controller, in which the behavior of the system is determined by means of rise
time and overshoot.
The wireless communication is based on the IEEE 802.15.4 Standard
and realized with the MRF24J40MA modules. Those solutions are centered for
low power, low transfer-rate and low cost applications.
The focus of the results is the comparison between the wired and
wireless controllers, not only on the system performance compared to the
theoretical synthesis. Other results include the statistics of data loss,
retransmissions and other cautions on using wireless data links for sensor data.
Key-words: Thermal Comfort Control Systems, PMV, RST controller,
wireless networks.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................ 1
1.1 Contexto ................................................................................... 1
1.2 Conforto Térmico e Controle Térmico ...................................... 1
1.3 Sistema sem fios ...................................................................... 1
1.4 Objetivos Gerais e Específicos ................................................ 4
1.5 Organização do Trabalho ......................................................... 5
2 Aparato experimental Parte 1: zona termica e sistema de controle 6
2.1 Zona térmica e conexões ......................................................... 6
2.1.1 PIC16F1824 ...................................................................... 12
2.1.2 Mikro C .............................................................................. 13
2.1.3 Aquisição do sinal dos sensores e conversor ad ............... 13
2.1.4 Interface SPI ...................................................................... 14
2.1.5 Geração do sinal de PWM ................................................ 15
2.1.6 Interface com o computador .............................................. 16
2.2 Modelagem do ambiente térmico identificação de sistemas,
modelo, e resultados. ................................................................................... 17
2.3 Sistema de controle ............................................................... 18
2.3.1 Estrutura: hardware e software (RST) ............................... 18
2.3.2 Projeto do controlador: alocação de polos ........................ 20
3 Aparato experimental parte 2: sistema Sem fios .......................... 22
3.1 IEEE 802.15.4 ........................................................................ 22
3.1.1 Controle de acesso ao canal ............................................. 24
3.1.2 Topologias de rede ............................................................ 24
3.1.3 Configuração da Rede e alocação de endereços .............. 25
3.2 MRF24J40 .............................................................................. 26
3.3 Protocolo de comunicação ..................................................... 27
3.3.1 Enquadramento de pacotes .............................................. 28
3.3.2 Fluxo de Dados ................................................................. 29
4 Resultados .................................................................................... 31
5 Conclusões ................................................................................... 38
6 Trabalhos Futuros ......................................................................... 40
7 Bibliografia .................................................................................... 41
LISTA DE FIGURAS Figura 2.1-1 Miniatura de sala - vista por fora com tampa ........................................................... 6
Figura 2.1-2 Miniatura de sala usada como sistema de controle sem a tampa ........................... 7
Figura 2.1-3 Espaço utilizado ........................................................................................................ 8
Figura 2.1-4 Ilustração da distribuição dos componentes na planta ............................................. 8
Figura 2.1-5 Dois resistores utilizados para o aquecimento ......................................................... 9
Figura 2.1-6 – Diagrama simplificado da planta para a análise do sistema com fios. ................ 10
Figura 2.1-7 – Diagrama simplificado da planta para a análise do sistema sem fios. ................ 10
Figura 2.1-8 Placa de comunicação com o computador, com microcontrolador (em baixo não é
visível na foto), MAX 232, e módulo wireless. Funciona tanto com sistema com fio
(sensores ligados diretamente nele) e sem fio (através do sistema wireless) ................... 11
Figura 2.1-9 Placa do atuador da resistência de aquecimento. MOSFET, microcontrolador,
optoacoplador. Usado no sistema com e sem fio. ............................................................. 12
Figura 2.1-10- Formato de onda de um sinal PWM .................................................................... 15
Figura 2.1-11 – Esquemático do circuito para ajuste da tensão entre o PIC (3.3V) e o MAX232
(5V). .................................................................................................................................... 17
Figura 2.2-1 Gráfico PMVxTempo(s) do modelo matemático sobreposto à medição real. ........ 18
Figura 2.3-1 – Diagrama de blocos de um sistema com controlador RST. ................................ 21
Figura 2.3-2 ................................................................................................................................. 22
Figura 3.1-1 – Topologias Estrela e Ponto-a-ponto .................................................................... 25
Figura 3.3-1 – Esquema de camadas para a comunicação sem fios. ........................................ 28
Figura 3.3-2 – Fluxo de dados entre os elementos do sistema durante uma iteração do
controlador. ......................................................................................................................... 30
Figura 3.3-1 – Curva de resposta ao degrau do modelo teórico do controlador. ....................... 31
Figura 3.3-2 – Curva da resposta real do controlador, quando atuando com fios. ..................... 32
Figura 3.3-3 – Curva da resposta real do controaldor, quando atuando sem fios. ..................... 33
Figura 3.3-4 – Curvas sobrepostas para comparação. ............................................................... 34
Figura 3.3-5 – Resposta do controlador, ao simular uma possível indisponibilidade do sensor de
umidade. ............................................................................................................................. 35
Figura 3.3-6 - Resposta do controlador, ao simular uma possível indisponibilidade do sensor de
temperatura. ....................................................................................................................... 35
Figura 3.3-7 – Distribuição do intervalo de tempo de aquisição, quando os módulos estão
separados em 50cm. .......................................................................................................... 37
Figura 3.3-8 - Distribuição do intervalo de tempo de aquisição, quando os módulos estão
separados em 3m. .............................................................................................................. 37
Figura 3.3-9 - Distribuição do intervalo de tempo de aquisição, quando os módulos estão
separados em 8m. .............................................................................................................. 38
LISTA DE TABELAS Tabela 1-1 – Valores típicos para representar Metabolismo. ....................................................... 2
Tabela 1-2 – Valores de Resistência Térmica conforme a vestimenta. ........................................ 2
Tabela 1-3 – Sensação térmica experimentada conforme PMV. ................................................. 3
Tabela 3-1 ................................................................................................................................... 25
Tabela 3-2 ................................................................................................................................... 26
Tabela 3-3 – Formato de pacote enviado MRF24J40 de forma a preencher a FIFO de
transmissão. [12] ................................................................................................................ 28
Tabela 3-4 – Cabeçalho segundo o padrão IEEE 802.15.4 [11] ................................................ 29
Tabela 4-1 – Taxas de retransmissão do sistema ...................................................................... 36
Tabela 5-1 - Tabela resumo dos resultados avaliados ............................................................... 38
Tabela 5-2 – Tabela com erro percentual entre o sistema com fio e o teórico e o sistema com
fio e o sem fio ..................................................................................................................... 39
ABREVIAÇÕES
ADC – Analog-Digital Converter;
AVAC - Aquecimento Ventilação e Ar Condicionado;
CSMA-CA – Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance;
CSMA-CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection;
DAC – Digital-Analog Converter;
ED – Energy Detection;
EUSART - Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver
Transmitter;
FCS - Frame Check Sequence;
FIFO – First In, First Out;
FFD – Full Function Device;
FVR – Fixed Voltage Reference;
GTSs – Guaranteed Time Slots;
IEEE -Institute of Electrical and Electronic Engineers;
LQI – Link Quality Indication;
MAC –Media Access Control;
MOSFET - Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;
OSI – Open Systems Interconnection;
PAN – Personal Area Network;
PCB – Printed Circuit Board;
PHY – Physical Layer;
PMV - Predictive Mean Vote;
PWM – Pulse Width Modulation;
RF – Radiofrequência;
RFD – Reduced Function Device;
SISO - Single Output Single Input;
SPI – Serial Peripheral Interface;
UART - Universal Asynchronous Receiver Transmitter;
ZOH - Zero Order Holder;
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 CONTEXTO
A grande variação climática levou ao desenvolvimento de toda uma
tecnologia de Aquecimento Ventilação e Ar condicionado denominadas
genericamente de AVAC. A motivação é obter um maior conforto térmico
dentro de edificações, por exemplo, residências, escritórios, shoppings entre
outros.
Entretanto, considerando ambientes muito grandes, como mercados ou
shoppings, existe a necessidade de vários sensores espalhados pelo ambiente
de forma a garantir que todo o ambiente está termicamente confortável. Caso
estes sensores se comuniquem com o controlador com fios isso gerará uma
grande quantidade de cabos e fios.
Uma solução seria a utilização de sensores sem fios, assim diminuindo
a quantidade de cabos vindos e tendo assim maior flexibilidade de
posicionamento dos sensores.
Por esse motivo nesse projeto será comparar a diferença entre a
utilização de sensores com e sem fios, num sistema de conforto térmico.
Provando assim que um sistema de conforto térmico sem fio tem um
comportamento semelhante a um sistema com fios.
1.2 CONFORTO TÉRMICO
A seguir, apresenta-se uma breve revisão bibliográfica sobre: o
conforto térmico, os índices de medidas e variáveis a serem consideradas.
Assim essa parte apresenta um embasamento teórico necessário para
compreensão e construção de um sistema que torne um ambiente
termicamente confortável.
Para o conforto apresenta-se uma seguinte definição [1]:
“(...)As exigências humanas de conforto térmico estão relacionadas com
o funcionamento do organismo, cujo mecanismo complexo pode ser, grosso
modo comparado a uma máquina térmica que produz calor segundo sua
atividade . O homem precisa liberar calor em quantidade suficiente para que
sua interna se mantenha na ordem de 35º(...)”
2
Portanto, segundo essa definição de conforto térmico,tem-se que o
conforto térmico está relacionado às condições ambientais que de alguma
forma mantenham a temperatura do organismo na ordem de temperatura ideal
sem grandes esforços por parte do organismo.
Considerando o objetivo de controle de conforto térmico, faz-se
necessário uma referência do que existe e de índices mensuráveis de graus de
conforto térmico. O PMV (Predictive Mean Vote)[2], é um índice muito utilizado
para sistemas de controle de conforto térmico. Ele utiliza os seguintes
parâmetros: temperatura do ar, umidade relativa, temperatura média radiante,
velocidade do vento, taxa de metabolismo, e vestimenta.
A temperatura do ar e umidade já são bastante conhecidos, não
precisando de grande explicação. A taxa de metabolismo depende de cada
indivíduo, mas depende principalmente da atividade física realizada por este.
Pode ser medida tanto pela quantidade de calor liberada pelo organismo como
pelos níveis de gás carbônico e oxigênio expelidos. A vestimenta depende da
resistência térmica da vestimenta do indivíduo. Para ambos, as tabelas abaixo
relacionam os valores de taxa metabólica e atividade física e a outra relaciona
vestimenta e resistência térmica.
Tipo de Atividade Metabolismo Deitada 0,8
Sentado Descansando 1 Sentado com Atividade leve 1,2 Em pé com atividade leve 1,6
Em pé com atividade média 2 Atividade Intensa 3
Tabela 1-1 – Valores típicos para representar Metabolismo.
Vestimenta Resistência Térmica (clo)
Somente calção 0,1 Vestuario tropical 0,3
Vestuário de verão 0,5 Vestuário de trabalho 0,7
Agasalho Leve 1 Traje completo 1,5
Tabela 1-2 – Valores de Resistência Térmica conforme a vestimenta.
3
Existe também uma tabela indicativa de aproximadamente qual a
sensação térmica experimentada
PMV Sensação Térmica +3 Muito Quente +2 Quente +1 Levemente Quente 0 Neutra -1 Levemente Frio -2 Frio
Tabela 1-3 – Sensação térmica experimentada conforme PMV.
1.3 SISTEMA SEM FIOS
Para permitir a comparação, além do sistema de medições e
acionamento do atuador por fios, foi implementado, paralelamente, um sistema
de atuação sem fios, ou wireless.
Ao analisar o problema da comunicação sem fios, foram determinados
alguns requisitos desejáveis de forma a atender as necessidades do projeto:
• Comunicação em dois sentidos (Transceptor);
• Controle de acesso ao meio;
• Suporte para diversos elementos na rede;
• Alcance suficiente para atender as dimensões de uma sala
comum;
• Interface simples para comunicação com o modulo.
A ideia adotada para o fluxo de dados prevê que deve haver aquisição
do sinal dos sensores apenas quando estes forem requisitados pelo
controlador. Para isto, o circuito de aquisição deve atuar como um Receptor até
receber o comando de aquisição e após a leitura dos sensores, atuar como um
Transmissor de forma a retornar a informação ao controlador. Por isto é
importante que os módulos de Radiofrequência sejam transceptores, inclusive
como uma forma de reduzir a quantidade de componentes no sistema.
O controle de acesso ao meio (Media Access Control ou MAC) serve
primeiramente como uma maneira de endereçar os vários elementos que
compõem a rede. Outra função importante do MAC é a de controle de acesso
ao canal. Como os módulos RF operam na mesma frequência, é importante
4
existir um mecanismo para proteção contra colisões de pacotes, de forma a
evitar interferência.
São previstos pelo menos 4 elementos na rede sem fios: o controlador,
o atuador e dois sensores. Além destes, também é interessante deixar em
aberto a possibilidade de aumento de numero de elementos, permitindo a
adição de mais sensores ao sistema, no caso de uma sala grande, por
exemplo.
Quando tratando de um modelo em escala, como a maquete que será
utilizada para testes neste trabalho, o alcance não é um fator determinante já
que as distâncias em questão não ultrapassam 1,5m. Porém, o alcance dos
módulos RF é um requisito importante quando o sistema for uma sala. Também
é desejável a possibilidade de expansão da rede por repetidores de sinal, em
uma situação em que se pretenda controlar sistemas em mais de uma sala.
Como os módulos não farão todo o trabalho de processamento do
sistema de medições e controle, é importante que estes possuam uma
interface de comunicação simples. Neste quesito, é desejável que a
comunicação seja serial, de forma a reduzir a quantidade de fios entre os
módulos e seus controladores.
1.4 OBJETIVOS GERAIS E ESPECÍFICOS
O objetivo deste estudo é a comparação entre um sistema de
controle de conforto térmico com comunicação, entre as partes, com fios e
outra sem fios. Dessa forma, verificar se há diferenças entre os dois sistemas
Assim será montada a planta numa miniatura de uma sala. Nela
haverá um sistema de aquecimento com resistências como atuador, sensores
de umidade e temperatura e fora dela haverá um computador e um
microcontrolador para controle da planta. Será um sistema do tipo SISO (Single
Input Single Output) que usará um como sinal de controle o índice de conforto
térmico PMV (Predictive Mean Vote) que é calculado a partir de umidade e
temperartura obtidos dos sensores. A estrutura do sistema dométodo de
controle a ser utilizado é o RTS. O método de projeto do controlador é por
alocação de pólos.
Primeiramente o sistema de controle utilizado a comunicação
entre os sensores, controle e atuador será com fios, assim como o
5
levantamento do modelo matemático da planta do sistema. Em seguida o
sistema com fios será substituído por um sistema sem fios e será verificado a
diferença de performance entre os dois sistemas.
1.5 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Este trabalho está organizado da seguinte forma: no capítulo 2 será
apresentada a montagem do sistema com e sem fios, do ponto de vista de
hardware,bem como o projeto do sistema de controle, desde o cálculo o
modelo matemático da planta até o cálculo dos parâmetros docontrolador .No
capítulo 3,serão tratados os detalhes dos padrões e modulos utilizados para a
comunicação sem fio. No capitulo 4 será apresentado os resultados do sistema
com e sem fios e no capítulo 5 são levantadas as conclusões do trabalho. O
capitulo 6apresenta uma breve descrição do que poderia ser melhorado em um
trabalho futuro, em relação aos sensores, e no capítulo 7é listada a bibliografia
utilizada.
6
2 APARATOEXPERIMENTAL PARTE 1: ZONA TERMICA E SISTEMA DE CONTROLE
2.1 ZONA TÉRMICA E CONEXÕES
A planta utilizada foi uma miniatura de sala feita em madeira, as
paredes, chão e teto, e vidro, as duas janelas, nas mesmas proporções de uma
sala real nos EUA. O teto dessa miniatura é removível, como uma tampa, de
forma a facilitar a inserção dos materiais como os sensores e atuadores. Os
dados gerais dela podem ser resumidos:
• Altura:26cm • Largura:56cm • Comprimento: 77cm • Janelas:
o Altura do piso:1,5cm o Distância da Parede:4cm o Altura:29,5cm o Largura:20,55cm
• Espessura da parede:1,5cm • Espessura da Tampa:1,5cm • Espessura do Piso:4cm
As figuras 2.1-1 e 2.1-2 mostram fotosda planta.
Figura 2.1-1 Miniatura de sala - vista por fora com tampa
7
Figura 2.1-2 Miniatura de sala usada como sistema de controle sem a tampa
Uma subdivisão foi acrescida para diminuir o tamanho da caixa e assim
diminuir o tempo para aquecimento. As dimensões totais da sala realmente
utilizada foram:
• Altura:26cm • Largura:39cm • Comprimento: 56cm
A figura 2.1-3 mostram a área realmente utilizada
8
Figura 2.1-3 Espaço utilizado
Figura 2.1-4 Ilustração da distribuição dos componentes na planta
O atuador utilizado foi dois resistores do tipo normalmente
utilizado para chuveiro, conforme lista de materiais, entretanto usando uma
tensão inferior, máximo de 28V à 5,75A totalizando 161W de potência, para
não danificá-lo. Uma ventoinha também foi acrescentada para melhor
dissipação do calor gerado peloresistor. O controle da resistência foi feita por
intermédio de um MOSFET, Metal Oxide Silicio Field Efect Transistor,
9
chaveando um PWM sobre o resistor, assim foi possível controlar a potência
dissipada.
Figura 2.1-5 Dois resistores utilizados para o aquecimento
Os sensores utilizados foram um sensor de temperatura e outro de
umidade, conforme descrito na lista de materiais, entretanto apesar de duas
entradas o sistema é um sistema do tipo SISO, Single Input Single Output, pois
o que realmente foi utilizado como entrada para o controlador foi o PMV, que é
um valor calculado a partir da temperatura e umidade, sendo este a entrada
real do sistema.
A modelagem matemática do sistema e o controlador foram feitos
utilizando o sistema com fios, porém utilizando os mesmos sensores do
sistema sem fios. O principal motivo disso é que a utilização de sistemas com
fios é o mais comum em sistema de controle e assim já é mais do que
comprovada a sua confiabilidade.
O sistema com fios seguiu a montagem utilizando os seguintes
componentes:
• Microcontrolador;
• Circuito Integrado: MAX232;
• Microcontrolador: PIC16F1824;
10
• Sensor de Temperatura: LM35;
• Sensos de Umidade:;
• Opto-acoplador: 4n28;
• MOSFET: IRFZ44n;
• Resistência: Lorenzetti 220V 5400W;
• Cabo Serial;
• Fonte 30V; 5,7A;
• Fonte 12V.
O diagrama simplificado do sistema com e sem fios estão na Figura
2.1-6 e Figura 2.1-7:
Figura 2.1-6 – Diagrama simplificado da planta para a análise do sistema com fios.
Figura 2.1-7 – Diagrama simplificado da planta para a análise do sistema sem fios.
11
Entretanto, apenas o Hardware do sistema não é o suficiente para o
funcionamento do sistema. É necessário ainda um Software tanto no
microcontrolador como no computador.
No microcontrolador foi escrito um programa para apenas enviar o
valor de leitura dos sensores quando pedido pelo computador e do computador
receber o valor de porcentagem de PWM (Pulse Width Modulation, Modulação
por Largura de Pulso) ele gera o esse sinal para acionar o opto-acoplador, que
aciona o MOSFET que, por sua vez, aciona a resistência. Deve-se observar
então que o microcontrolador age apenas como uma interface com o
computador, tornando o computador responsável por todo o processamento e
assim por todo o controle da planta.
Figura 2.1-8 Placa de comunicação com o computador, com microcontrolador (em baixo não é visível na foto), MAX 232, e módulo wireless. Funciona tanto com sistema com fio (sensores ligados diretamente nele) e sem fio (através do sistema wireless)
12
Figura 2.1-9 Placa do atuador da resistência de aquecimento. MOSFET, microcontrolador, optoacoplador. Usado no sistema com e sem fio.
Outro software necessário é para o computador. O programa usado,
nesse caso, foi o MATLAB.O motivo é seu grande uso no meio acadêmico e a
facilidade de implementação do código. O código usado no MATLAB foi escrito
para enviar pela porta UART o comando de leitura dos sensores, receber esses
valores pela mesma porta o valor da leitura, calcular o sinal de controle e em
seguida enviá-lo para o microcontrolador novamente pela porta UART e depois
aguardar pelo período de amostragem para repetir o processo. Junto no
mesmo código foi escrito um outro sistema para leitura e gravação dos valores
dos sensores fixando um valor no atuador, sendo isso utilizado para obter a
resposta da planta para um sinal de entrada igual um degrau.
2.1.1 PIC16F1824
Para fazer a comunicação com o computador, comunicação com os
módulos RF, gerar o sinal de controle da carga e fazer a aquisição e conversão
dos sinais dos sensores, é necessário um microcontrolador. Optou-se por
13
utilizar um único dispositivo que realiza todas estas funções em um único
encapsulamento, de forma a reduzir a quantidade de componentes externos.
Dentre os dispositivos PIC, da Microchip, o que melhor atendeu as
especificações foi o PIC16F1824. Estas características, pertinentes ao projeto,
são[3]:
• Modulo ADC – 8 canais, 10 bits de resolução;
• Módulo de tensão de referência (FVR);
• Master Synchronous Serial Port (MSSP);
• Até 4 canais Capture/Compare/PWM (CCP);
• Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver
Transmitter (EUSART);
2.1.2 MIKRO C
Tendo em vista a grande quantidade de funções delegadas ao
microcontrolador, e a extensa rotina de inicialização e configuração dos
módulos de RF,a linguagem Cfoi utilizada para a programação.
Como compilador e plataforma de desenvolvimento, utilizou-se o Mikro
C, desenvolvido pela Mikroelektronika[4]. Este possui diversas bibliotecas
prontas para lidar com as funções mais comuns do microcontrolador e possui
documentação extensa, auxiliando no processo de escrita do código. Também
vale a pena destacar a grande esforço do compilador em otimizar o código no
momento da compilação, poupando recursos de memória e processamento do
microcontrolador.
2.1.3 AQUISIÇÃO DO SINAL DOS SENSORES E CONVERSOR AD
O módulo ADC é importante para fazer a aquisição do sinal dos
sensores, já que estes são analógicos e o controlador será digital.
O PIC16F1824 utiliza entradas analógicas que são multiplexadas para
um único circuito de sample-and-hold, na entrada do conversor. O conversor
gera um resultado binário de 10 bits a partir de aproximações sucessivas e o
armazena em registradores internos [3].
O tempo necessário para a conversão de um bit é definido como 𝑇𝐴𝐷.
Para uma conversão completa de 10 bits, são necessários 11.5 𝑇𝐴𝐷. A fonte de
clock para o conversor AD é selecionada em software. Este clock pode ser uma
14
divisão do clock do microcontrolador ou pode-se utilizar um oscilador RC
interno dedicado ao conversor [3]. As funções de conversão do MikroC
configuram o módulo para atuar com o oscilador RC interno. [4] No caso do
oscilador RC, o 𝑇𝐴𝐷 varia de 1 a 6us (valor típico na ordem de 1.6us),
resultando em um tempo de amostragem máximo de 69us e típico de 18.4us.
[3] Como os períodos de amostragem do controlador estãona ordem de
segundos, o tempo de conversão AD pouco interfere na lei de controle.
O módulo de tensão de referência é um periférico que gera um valor de
tensão constate de referência, independente da tensão de alimentação, com
níveis 1,024V, 2,048V e 4,096V selecionáveis. A saída deste módulo pode
servir como entrada do conversor AD, tensão de referência positiva do
conversor AD, tensão positiva do módulo comparador e como conversor
Digital-Analógico [3]. Neste trabalho, foi utilizada a tensão de 2,048V como
tensão de referência positiva do conversor AD. Isto visa distribuir melhor os 10
bits de resolução do conversor na faixa de tensão dos sensores. Seria ainda
melhor utilizar a tensão de 1,024V, porém este valor não pode ser a referência
positiva do conversor.[3]
Como o conversor oferece 10bits (1024 pontos) de resolução e a
tensão de referência positiva está em 2,048V, obtem-se uma resolução de
2mV/ponto. Para a medição da temperatura, utilizou-se o sensor LM35 que
gera um sinal de tensão continuo na escala de 10mV/˚C[5], portanto obtém-se
uma resolução de 0,2 ˚C / ponto. Este valor de resolução, apesar de não
aproveitar toda a capacidade do conversor AD, já é suficiente pois o limite de
exatidão garantido para o sensor é de ±1˚C, para +25 ˚C, sendo que a exatidão
típica gira em torno de ±0.4˚C, para +25 ˚C [5].
2.1.4 INTERFACE SPI
O MSSP é o módulo que lida com a comunicação serial com outros
dispositivos. Este pode operar no modo SPI ou I2C (Inter-Integrated Circuit). A
interface SPI suporta o modo Master, modo Slave, paridade de clock, entre
outros. [3] Este módulo é utilizado no modo SPI Master, de forma a se
comunicar com o módulo RF.
15
2.1.5 GERAÇÃO DO SINAL DE PWM
Do módulo de Capture/Compare/PWM é utilizado apenas o PWM, para
controlar a potência entregue à carga. A técnica de PWM consiste em variar a
tensão eficaz de um sinal, alterando a relação entre os estados ligado e
desligado de uma onda retangular, mantendo a frequência constante. [6] O
gráfico na Figura 2.1-10 mostra mais claramente o formato de onda utilizado:
Figura 2.1-10- Formato de onda de um sinal PWM
O ciclo de trabalho da onda (k) é determinado por:
𝑘 =𝑡1𝑇
(2-1)
No PIC16F1824, dependendo da frequência de utilização, o PWM pode
atuar com resolução do ciclo de trabalho de até 10 bits[3]. Por questão de
simplicidade foram utilizadas funções prontas do MikroC que utilizam apenas 8
bits de resolução[4].
A partir da referência bibliográfica[6], determina-se que a potência
entregue a uma carga resistiva, pelo PWM, pode ser descrita pela equação
(2-2), onde k é o ciclo de trabalho:
𝑃𝑖 =1𝑇� 𝑣0 ∙ 𝑖 𝑑𝑡𝑘𝑇
0=
1𝑇�
𝑣02
𝑅𝑑𝑡 = 𝑘
𝑉𝑠2
𝑅
𝑘𝑇
0 (2-2)
A equação mostra que a potência entregue varia proporcionalmente em
relação ao ciclo de trabalho. Isto nos permite um controle linear da potência
16
entregue à carga apenas variando o ciclo de trabalho do PWM. Como a
resolução utilizada é de 8 bits, podemos acionar o atuador com 256 níveis de
potência. Como calculado anteriormente, a potência máxima da fonte é de
161W, permitindo a resolução de aproximadamente 0,63W/ponto.
2.1.6 INTERFACE COM O COMPUTADOR
Para a comunicação com o computador, foi utilizado o protocolo RS-
232. Para realizar esta comunicação, utilizou o módulo EUSART do
microcontrolador. Este módulo contém todos os geradores de clock,
registradores de deslocamento e buffers de dados necessários para a entrada
e saída de dados serial, independentemente da execução do programa[3]. Por
ser um valor comum, foi utilizado um Baud-Rate de 9600 para a comunicação
com o computador.
Apesar de o microcontrolador gerar o sinal UART, este precisa ser
adaptado, a partir dos níveis TTL, para os níveis de tensão do padrão RS-232.
Para se atingir estes níveis de tensão, foi utilizado o componente
MAX232. Esta escolha gera um problema adicional pois o microcontrolador é
alimentado em 3,3V e o MAX232 opera em 5V[7]. Como a fonte de tensão do
circuito que faz interface com o computador é alimentada em 5V, antes de ser
regulada para 3,3V, o problema foi solucionado utilizando um arranjo de
transistores, como indicado na Figura 2.1-11:
17
Figura 2.1-11 – Esquemático do circuito para ajuste da tensão entre o PIC (3.3V) e o MAX232
(5V).
2.2 MODELAGEM DO AMBIENTE TÉRMICO IDENTIFICAÇÃO DE
SISTEMAS, MODELO, E RESULTADOS.
Para a realização do projeto do controlador é necessário obter um
modelo matemático do sistema. Para isso, será utilizado um modelo do tipo
caixa-preta. O método de identificação de sistemas é o dos Método dos
Mínimos Quadrados com modelo na estrutura Output Error.O modelo
matemáticoOutput Errorassumeum sistema em que há a planta a ser analisada
é uma função de transferência determinística acrescido de um ruído branco na
saída[1]. Para estimativa dos parâmetros pode ser utilizado regressão
conhecido como método dos mínimos quadrados. Partindo de um sinal de
controle enviado a planta, da resposta da planta ao sinal, e conhecendo a
ordem da planta é possível estimar os parâmetros do modelo pelo método dos
mínimos quadrados.
18
Na amostragem, utilizada para o cálculo do modelo matemático, foi
aplicado uma entrada do sistema um degrau PWM igual a 10% (dez porcento),
equivalente a 16,1W de potência sendo dissipada pelo resistor. Sendo
executadas medidas a cada dois segundos do valor PMV encontrado no
interior da caixa. A partir desta amostragem foi aplicado a identificação do
sistema, descrito anteriormente, com isso obteve-se a função transferência da
equação 2-3.
𝐻 =0,0026 ∙ 𝑍 − 0,0026
𝑍2 − 1,977 ∙ 𝑍 + 0,9774 (2-3)
Na figura 2.2-1 pode se ver a resposta do modelo matemático
sobreposto à amostragem, descrita anteriormente.
Figura 2.2-1 Gráfico Tempo(s)xPMV do modelo matemático sobreposto à medição real.
2.3 SISTEMA DE CONTROLE
A seguir será descrito o funcionamento do hardware e software de
controle e o projeto do controlador
2.3.1 ESTRUTURA: HARDWARE E SOFTWARE (RST)
Para o projeto do controlador será utilizado a mesma estrutura de
hardware descrita para modelagem matemática do sistema, ou seja com fios.
19
No microcontrolador também não foram feitas modificações no programa. O
software no computador novamente será utilizado o Matlab entretanto nesse há
algumas modificações no código.
As mudanças no código para o Matlab foram necessárias pois
precisava-se não apenas fazer-se uma leitura mas também enviar comandos
para o atuador continuamente. O software do Matlab foi dividido em três partes.
2.3.1.1 INICIALIZAÇÃO DO CONTROLADOR
A primeira parte é a inicialização do controlador ela faz a configuração:
da comunicação serial, das variáveis de leitura dos sensores, das variáveis de
armazenamento para posterior plotagem, variáveis do controlador, assim ela
inicializa a comunicação serial e orienta o Matlab a chamar a segunda parte do
código periódicamente em intervalos predeterminados.
A inicialização de variáveis em geral não é necessária no Matlab
podendo apenas atribuir o valor diretamente a variável, entretanto é útil definir
todas as variáveis antes, para evitar atrasos durante o processamento do
controlador. A inicialização da comunicação serial é feita pela classe “serial”
que faz o gerenciamento da comunicação UART (Universal Assynchronous
Receiver Transmiter) do computador. Para isso precisa configurar qual porta
RS-232 deverá ser ligado o microcontrolador (“COM1”,”COM2”,”COM3”,etc).
Este mesmo objeto funciona também como função de temporização
permitindo chamar outra função ou código em intervalos predeterminados de
tempo. Assim pelos métodos “TimerPeriod” e “TimerFcn” define-se o tempo de
amostragem, nesse caso era dois segundos, e a função ou código que será
acionado a cada tempo de amostragem, nesse caso o código “RW.mat”.
2.3.1.2 LEITURA E ESCRITA
A segunda parte, “RW.mat”, é chamada pelo objeto serial a cada
instante de tempo definido. Ela envia o comando de leitura dos sensores,
calcula o valor de temperatura e umidade, guarda os índices de erro, chama a
terceira parte, esta responsável pelo controlador, e por fim envia o sinal de
controle ao atuador.
A leitura é feita por um comando enviado pela porta serial enviando o
caracter “s” ao microcontrolador, este faz a leitura de todos os sensores ou
20
pede a leitura dos sensores no caso sem fios, que será vista mais para frente.
O microcontrolador responde enviando na ordem o valor da leitura de
temperatura seguido de umidade. No caso de sensores sem fios ele ainda faz
uma contagem e proteção contra o não envio dos valores dos sensores.
Recebido os valores ele grava numa variável do Matlab e em seguida
chama o código do controlador, que efetuara o processamento do sinal de
controle devolvendo o valor do sinal de controle para este código, “RW.mat”.
Por fim o código envia o pela porta serial o valor do sinal de controle,
finalizando em seguida, concluindo assim o passo de leitura, processamento e
escrita do sistema de controle
2.3.1.3 CONTROLADOR DO SISTEMA
A terceira e última parte é uma das mais importantes pois nela está
escrito a rotina de controle que apartir dos valores de temperatura e umidade
calcula o valor do sinal ao atuador.
Primeiramente ele calcula o valor do PMV a partir dos valores de
temperatura e umidade utilizando uma função obtida em [8] para este
propósito. Em seguida com o valor do PMV ele usa para calcular o sinal de
controle que é limitado entre 0 e 255 e arredondado para o inteiro mais
próximo, limitação do atuador. Por fim ele guarda os valores para a próxima
ação de controle.
2.3.2 PROJETO DO CONTROLADOR:ALOCAÇÃO DE POLOS
O projeto do controlador foi seguindo o modelo de controle conhecido
como RST[9]sendo este base para o código da terceira parte o controle do
sistema, seção 2.3.1.3, descrito anteriormente. O diagrama de blocos de um
sistema com um controlador RST é ilustrado na Figura 2.3-1.Sendo R, S, T,
filtros a serem calculados, “ZOH” um segurador de ordem zero (Zero Order
Holder)[9], e o “H” o modelo da planta.
21
Figura 2.3-1 – Diagrama de blocos de um sistema com controlador RST.
A grande vantagem desse modelo é a possibilidade da alocação dos
pólos de malha fechada, assim o overshoot máximo e tempo de resposta
podem ser especificados pelo projetista. O cálculo dos parâmetros R, S, T,
também requer, além dos pólos desejados, o modelo matemático da planta, já
descrito na seção 2.2.
O método de cálculo RST não será descrito aqui, podendo ser
encontrado na bibliografia[9], aqui apenas será descrito os elementos
necessários para o cálculo, sendo estes o modelo matemático e os pólos na
posição desejada. Considerando que o modelo matemático já foi obtido na
seção 2.2, falta projetar os pólos desejados de malha fechada.
O projeto dos pólos de malha fechada será feito utilizando um tempo
de resposta e um overshoot desejado. Considerando o controlador RST ele
permite que se calculem os pólos de malha fechada de um sistema de segunda
ordem, que tenha um overshoot e tempo de resposta desejados, e com isso
projeta-se um controlador que fará com o que sistema se comporte como
conforme designado.
Fazendo os cálculos de controladores para alguns casos de pólos de
malha fechada observou-se, em simulação que houve um overshoot muito
acima do esperado. De acordo com a biliografia[10], deve-se observar que em
um sistema de segunda ordem um zero mais dominante do que os pólos pode
causar oveshoots acima do esperado. Considerando que em malha fechada o
sistema apresenta a estrutura de um sistema de segunda ordem isso que foi
proposto também serve para este caso, pois o controlador RST preserva os
zeros de malha aberta original do sistema. O sistema original possui um zero
muito lento o que torna obrigado a colocar-se pólos mais lentos, porém
22
dominantes em relação ao zero. Assim foram escolhidos dois pólos mais
dominantes que os zero do modelo da planta.
𝑍𝑃1 = 0,997 (2-4)
𝑍𝑃2 = 0,997 (2-5)
Assim foram considerados pólos mais rápidos possível e os mais
dominantes possíveis em relação à zero. Deve-se observar que ambas
condições são contraditória, pois mais dominante significa mais lento e mais
rápido significa mais perto do zero do sistema. Também considerou-se que os
pólos de malha fechada fosse um sistema de segunda ordem sem sobre-
elevações, com apenas parte real[10], pois já estava-se considerando que o
zero próximo aos pólos iria causar sobre-elevações mesmo não se desejando
isso.
Com os valores dos pólos e o modelo matemático do sistema calcula-
se os valores de RST necessários para a malha de controle.
𝑅 = 𝑍2 − 0,0771 ∙ 𝑍 − 0,9229 (2-6)
𝑆 = (−0,5861 ∙ 𝑍2 + 1,1727 ∙ 𝑍 − 0,5866) × 103 (2-7)
𝑇 = 1,9857 ∙ 𝑍2 − 3,1771 ∙ 𝑍 + 1,2708 (2-8)
Assim para finalizar o projeto, ainda é necessário trazer os parâmetros
para o domínio do tempo discreto, de forma a poder ser implementado no
código no matlab, considerando que “u” é o sinal enviado ao atuador, “w” é o
sinal do SetPoint, e y é o valor do PMV:
𝑑𝑢 = 0,8953 ∙ 𝑑𝑢(𝑘−1) + 2 ∙ 𝑤(𝑘) − 3,6 ∙ 𝑤(𝑘−1) + 1,62 ∙ 𝑤(𝑘−2)
− 31,7229 ∙ 𝑦(𝑘−1) − 28,22404 ∙ 𝑦(𝑘−2) (2-9)
𝑢(𝑘) = 𝑢(𝑘−1) + 𝑑𝑢(𝑘) (2-10)
Figura 2.3-2
3 APARATO EXPERIMENTAL PARTE 2: SISTEMA SEM FIOS
3.1 IEEE 802.15.4
23
Ao pesquisar soluções que atendessem os requisitos propostos para a
realização do sistema sem fios, descobriu-se o padrão 802.15.4, do IEEE. Um
estudo mais detalhado de suas características indicou que este padrão é uma
excelente solução para implementação do sistema de medidas sem fios.
Este define o protocolo e a interconexão a distâncias relativamente
pequenas, entre dispositivos de baixa potência e baixa complexidade,
utilizando baixas taxas de transferência, em redes determinadas Low Rate
Wireless Personal Area Networks (LR-WPAN). [11]
O principal objetivo deste tipo de rede é a facilidade de instalação,
confiabilidade de transferência de informação, baixo custo e razoável vida útil
de bateria.[11]
Características específicas do padrão são[11]:
• Taxas de transferência de 250kb/s, 40kb/s e 20kb/s;
• Topologias em Estrela ou ponto a ponto;
• Alocação para endereços curtos (16 bits) ou estendidos (64
bits);
• Alocação para GTSs;
• Controle de acesso ao canal por CSMA-CA;
• Mensagens de confirmação (ACK);
• Baixo consumo de energia;
• Detecção de Energia (ED);
• Indicação de Qualidade de Link (LQI);
• 16 canais na banda de 2450 MHz, 10 canais na banda de 915
MHz e um canal na banda de 868 MHz;
Existem dois tipos de dispositivos que podem participar de uma LR-
WPAM: Full Function Devices (FFD) e Reduced Function Devices (RFD).
Dispositivos do tipo FFD, podem assumir três papeis dentro da rede, o de PAN
Coordinator(Coordenador da PAN),Coordinator(Coordenador) ou Device
(Dispositivo). Um dispositivo FFD pode se comunicar com outros FFDs ou com
RFDs, já que possuem suporte a todos os tipos de mensagens do protocolo. Já
um RFD, só pode assumir a posição de dispositivo e se comunicar com outro
FFD. Isto permite que os RFDs possam ser implementados utilizando requisitos
de processamento e memoria mínimos. [11]
24
3.1.1 CONTROLE DE ACESSO AO CANAL
Para realizar o controle de acesso ao canal, o padrão IEEE 802.15.4
indica a utilização do protocolo CSMA-CA.[11]
Inicialmente, uma estação que está para transmitir um sinal, faz um
sensoriamento de portadora de forma a determinar se o canal está disponível.
Caso este esteja disponível, é enviado um sinal de Jam, ou congestionamento,
indicando para os demais elementos que este está prestes a iniciar uma
transmissão. Há uma espera para que todas as outras estações recebam este
sinal e finalmente acontece a transmissão. [12]
O CSMA-CA difere do CSMA-CD principalmente em relação ao sinal
de congestionamento. No caso do CSMA-CD, este sinal só é enviado caso
ocorra a colisão, enquanto que no CSMA-CA este é enviado antes de toda
transmissão.[12] O segundo é utilizado em comunicações sem fio já que não
há como transmitir e receber do canal simultaneamente, ficando mais fácil
evitar colisões do que detectá-las.
3.1.2 TOPOLOGIAS DE REDE
Dependendo da aplicação, uma LR-WPAN pode atuar em topologias
de estrela ou ponto-a-ponto, ilustradas na Figura 3.1-1. Na topologia do tipo
estrela, as comunicações são estabelecidas entre os dispositivos e um único
controlador central, o coordenador da PAN. Em geral, os dispositivos são
pontos de iniciação ou terminação da comunicação na rede. O coordenador da
PAN pode iniciar, terminar ou rotear a comunicação ao longo da rede. Todo
dispositivo na rede, em qualquer das topologias pode ter um endereço
estendido (extended) de 64 bits. Este endereço pode ser utilizado para
comunicação direta dentro da PAN ou este pode ser trocado pelo endereço
curto (short), de 16 bits, alocado pelo coordenador de PAN, quando este se
associa a ele. O coordenador da PAN pode ser alimentado pela rede, enquanto
os dispositivos geralmente serão alimentador por pilhas ou baterias. As
aplicações que se beneficiam da simplicidade deste tipo de topologia incluem
home automation, periféricos de computadores, brinquedos, etc. [11]
Em uma topologia do tipo ponto-a-ponto, há também um coordenador
de PAN; porém, este difere da topologia em estrela, já que qualquer dispositivo
25
pode se comunicar diretamente com outro dispositivo enquanto um estiver no
alcance do outro. Este tipo de topologia permite que redes mais complexas
sejam formadas, com redes do tipo malha. Possíveis aplicações incluem
controle e monitoramento industrial, controle de inventário, agricultura
inteligente e segurança. [11]
Estrela Ponto-a-ponto
Figura 3.1-1 – Topologias Estrela e Ponto-a-ponto
3.1.3 CONFIGURAÇÃO DA REDE E ALOCAÇÃO DE ENDEREÇOS
Tendo em vista as possíveis topologias e suas principais aplicações,
observou-se que uma topologia ponto-a-ponto seria interessante, no caso de
expansão da rede e no controle de diversas salas, porém a topologia em
estrela é perfeitamente adequada para a aplicação neste trabalho.
Conhecendo as características deste tipo de topologia e do sistema a
ser controlado, é fácil de estabelecer papeis aos elementos de controle. A
Tabela 3-1 relaciona a distribuição proposta.
Elemento de Controle Papel na Rede
Controlador ( Interface com
Computador)
Coordenador da PAN
Sensores Dispositivos
Atuador Dispositivo Tabela 3-1 – Elementos de controle e seus respectivos papeis na rede.
O módulo RF conectado ao computador (controlador) atua como
Coordenador da PAN por ser um ponto central do sistema e por ser quem gera
26
e recebe a maior quantidade de tráfego. Já os sensores e o atuador podem ser
configurados como Dispositivos já que são os elementos mais de ponta do
sistema.
A alocação de endereços configurados nos dispositivos segue a Tabela
3-2:
Elemento Endereço Estendido1 Endereço Curto1
Controlador 01:01:01:01:01:01:01:01 01:01
Atuador 02:02:02:02:02:02:02:02 02:02
Sensor 1 (Temperatura) 03:03:03:03:03:03:03:03 03:03
Sensor 2 (Umidade) 04:04:04:04:04:04:04:04 04:04 Tabela 3-2 – Endereços nada rede, de cada elemento
3.2 MRF24J40
Tendo optado pela utilização do padrão IEEE 802.15.4, procurou-se
por um módulo barato, fácil de encontrar e que atendesse o padrão.
O MRF24J40, fabricado pela Microchip Technology Inc., se apresentou
como uma excelente opção para a aplicação neste trabalho.
As principais características do módulo são[13]:
• Modulo Transceptor RF 2.4 GHz;
• Atende o padrão IEEE 802.15.4;
• Suporte para ZigBee, MiWi, MiWi P2P e Protocolos
proprietários;
• Interface SPI de 4 fios;
• Baixo consumo de corrente:
o RX: 19mA;
o TX: 23mA;
o Sleep: 2uA;
Além do MRF24J40, como um circuito integrado, a Microchip também
fornece o módulos completos utilizando estes chiops. É o caso do
MRF24J40MA, que é uma placa de circuito impresso contendo o cristal para os
circuitos osciladores para geração de clock, regulador de tensão interno,
1 Em hexadecimal.
27
circuito de casamento de impedâncias e antena PCB. O alcance destes
módulos pode chegar até 120m (400 ft);[14]
3.3 PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO
Apesar de haverem pilhas de código fornecidas pela Microchip para a
utilização dos padrões ZigBee ou MiWi[13], estas estão disponíveis apenas
para dispositivos de famílias mais avançadas, como 18F, 24F, dsPIC e 32F.[15]
Optou-se, então, por realizar toda a comunicação diretamente em cima
do padrão IEEE 802.15.4, desenvolvendo um protocolo próprio, bem
simplificado e específico pra aplicação. Fazendo uma analogia às camádas
propostas pelo modelo OSI, o padrão IEEE 802.15.4 é responsável pela
camáda física (PHY) e pela camáda de enlace (MAC), enquanto o protocolo
desenvolvido é a camada de aplicação.[13][16]
28
Protocolo específico
implementado em
software.
Tratadas pelo
MRF24J40, seguindo o
pradrão IEEE 802.15.4
[13]
Figura 3.3-1 – Esquema de camadas para a comunicação sem fios.
A rede utilizada no projeto é simples, no sentido de que todos os
dispositivos estão no alcance dos demais elementos da rede e toda a
comunicação é realizada entre os dispositivos e o Coordenador da PAN. Isto
permite que este esquema funcione mesmo sem outras camadas como a de
Rede ou de Transporte.
3.3.1 ENQUADRAMENTO DE PACOTES
Para transmitir um pacote, é necessário preencher a FIFO de
transmissão do MRF24J40.[13] Para fazer isto, o microcontrolador deve gerar
um quadro no formato estabelecido pela Tabela 3-3. Octetos: 1 1 Variável (M+N)
Comprimento do Cabeçalho (M) Comprimento do Quadro (M+N)
Quadro MAC (Cabeçalho e Payload)
Tabela 3-3 – Formato de pacote enviado MRF24J40 de forma a preencher a FIFO de transmissão.[13]
Os dois primeiros octetos servem para indicar para o MRF24J40 o
tamanho dos campos de cabeçalho e de payload. O quadro MAC, estabelecido
pelo padrão IEEE 802.15.4, é demonstrado na Tabela 3-4:
29
Octetos: 2 1 0/2 0/2/82 0/2 0/2/82 Variável
(N) 2
Controle de
Quadro
Número de
Sequência
Identificação da PAN de
Destino
Endereço de
Destino
Identificação da PAN de
Origem
Endereço de
Origem Payload FCS
Tabela 3-4 – Cabeçalho segundo o padrão IEEE 802.15.4 [11]
Nos dois bytes de Controle de Pacote (Frame Control) são especificados
as caracteristicas do pacote a ser enviado. O valor configurado neste campo foi
fixado pelo programa em 0x0188, indicando que o tipo de quadro é de
informação (Data) e que os endereços de Destino e Origem são endereços
curtos (16 bits). O número de sequência não foi utilizado e foi mantido fixo
como 0. Os endereços são alterados conforme a situação. O campo FCS serve
para verificar a integridade do pacote e é calculado automaticamente pelo
MRF24J40.[13][11]
O campo de Payload é onde vão os bytes do protocolo desenvolvido
para a aplicação. Este campo foi fixo em 3 bytes, já que é suficiente para cobrir
todos os possíveis casos de transmissão neste trabalho.
3.3.2 FLUXO DE DADOS
A Figura 3.3-2 representa o fluxo de dados entre os elementos do
sistema.
2 Podem ser endereços do tipo curto, estendido ou o campo pode ser suprimido,
dependendo da configuração do campo de controle de quadro.
30
Figura 3.3-2 – Fluxo de dados entre os elementos do sistema durante uma iteração do
controlador.
Inicialmente o computador se comunica com o coordenador da PAN
requisitando a aquisição dos valores dos sensores, enviando um byte com o
caractere ‘s’. O coordenador passa sequencialmente por uma lista de
dispositivos reconhecidos como sensores e encaminha a requisição dos
valores convertidos a partir dos sensores. A resposta dos dispositivos de
sensor contem um byte representando seu identificador na rede, seguido de
outros 2 bytes condendo o valor gerado pelo conversor AD. Ao receber estes
valores, o coordenador apenas os concatena e envia tudo ao controlador.
Para alterar o valor do sinal PWM no atuador, o computador envia um
byte com o caractere ‘t’, indicando que quer alterar o valor do atuador e um
outro byte indicando o valor da intensidade do atuador. Estes valores são
repassados ao dispositivo atuador, pelo coordenador da PAN. Não há
respostas pelo lado do atuador.
31
Apesar de o padrão IEEE 802.15.4 suportar um mecanismo de garantia
de transmição através de mensagens de confirmação (ACK), este é opcional e
não foi utilizado. [13][11]
Esta funcionalidade foi realizada por software, com o objetivo de se
gerarem estatísticas de perdas de pacotes. Após enviado o pacote com o
comando para realizar a aquisição dos sensores o coordenador da PAN
aguarda por resposta do dispositivo. Caso não haja retorno, o coordenador
retransmite o comando para aquisição (‘s’,0,0). Este procedimento se repete
por 5 vezes, e se após as retransmições, ainda não houver resposta, o
coordenador indica ao controlador que o sensor está indisponível.
4 RESULTADOS
Os resultados do sistema foram avaliados para o controlador, com e
sem fios, e o desempenho do sistema sem fio, individualmente
desconsiderando o controlador.
Começando pela resposta teórica, a simulação em MATLAB do
sistema com o controlador RST e o modelo da planta pode ser visto na Figura
3.3-1. Deve se considerar que o setpoint foi de zero PMV e considerando um
valor inicial de 1,6 PMV, de forma a resposta teórica ficar semelhante ao que
será encontrado na prática.
Figura 3.3-1 – Curva de resposta ao degrau do modelo teórico do controlador.
32
Pode-se observar que o controlador teve um tempo de resposta de
aproximadamente 658 segundos, o valor subir de 10% a 90% do seu valor
final. O valor da porcentagem de overshoot foi de 7,037%. Considerando que
mesmo que o PMV seja zero ainda pode haver um erro 0,5 PMV[2] por conta
do não conhecimento da temperatura média radiante.
Os resultados práticos obtidos do ponto de vista do controlador foram
utilizando o sistema configurado nos seguintes padrões fixos:
• Temperatura média radiante: 24ºC;
• Velocidade do Ar: 0,1m/s;
• Vestimenta: 0,1 clo (alguém somente de calção);
• Atividade: 1,6 (Alguém de pé com atividade leve);
• Offset na Temperatura: -10ºC.
A o valor medido da temperatura foi considerado um offset de -10ºC,
pois o dia em que foram feitas as medidas a temperatura do ar estava em torno
de 24ºC o que já daria um PMV muito próximo do zero. A umidade foi
considerado o valor realmente lido nos sensores. Como a maior confiabilidade
está no sistema de controle com fio, portanto primeiramente os resultados
obtidos no sistema com fio pode ser visto naFigura 3.3-2:
Figura 3.3-2 – Curva da resposta real do controlador, quando atuando com fios.
O tempo de resposta do sistema realmente observado foi de
aproximadamente 630 segundos, e a porcentagem de overshootfoi de 7,25%.
33
Repetindo os testes para o sistema sem fios obteve-se o gráfico da
Figura 3.3-3:
Figura 3.3-3 – Curva da resposta real do controaldor, quando atuando sem fios.
No caso sem fio houve um tempo de resposta 634 segundos e
porcentagem overshoot de 6,87%.
Por fim para facilitar a comparação visual os três gráficos foram
desenhados juntos para melhorar a comparação, também foi aplicada uma
função de suavização para eliminar ruído presente nos gráficos anteriores.
Assim na Figura 3.3-4 é possível ver o resultado da teoria, do sistema com fio e
do sistema sem fio.
34
Figura 3.3-4 – Curvas sobrepostas para comparação.
Por se tratar de uma comunicação sem fio, é de se esperar que
possam ocorrer indisponibilidades dos sensores devido a degradações do
meio, como interferências ou obstáculos, ou caso acabe a energia nas baterias.
Tendo isto em mente, é preciso determinar como fica a resposta do controlador
nesta situação.
Inicialmente, simulou-se a indisponibilidade do sensor de humidade,
apenas retirando as baterias que alimentavam o circuito. O comportamento
inicial do controlador é de manter o ultimo valor válido lido e apenas indicar que
houve falha do sensor. A Figura 3.3-5 indica como ficou o valor calculado do
PMV enquanto o sensor estava indisponível.
35
Figura 3.3-5 – Resposta do controlador, ao simular uma possível indisponibilidade do sensor de
umidade.
Pela curva, observou-se que, a ausência do sensor de humidade
ocasionou em um erro na medida do PMV e, mesmo com a retomada do
sensor, o controlador não se recuperou rapidamente.
Em seguida, o teste foi repetido, porém com o sensor de temperatura.
O resultado é demonstrado nas curvas da Figura 3.3-6:
Figura 3.3-6 - Resposta do controlador, ao simular uma possível indisponibilidade do sensor de
temperatura.
36
Desta vez, o problema se pronunciou de maneira bem mais acentuada.
Durante a ausência do sensor, o valor calculado do PMV se mantêve quase
constante, já que o valor de temperatura utilizado no cálculo foi fixado no ultimo
valor válido lido pelos sensores. Isto fez com que o controlador aumentasse
muito a intensidade do atuador. Com o retorno da comunicação com o sensor,
o sistema fez um novo cálculo válido do PMV e conseguiu se recuperar.
Mesmo com a recuperação do sistema, este não é um comportamento
aceitável e deve ser evitado. Para isto, implementou-se um sistema simples
que pára o controlador, caso um certo número de aquisições seja perdido
consecutivamente, e avisa o operador da falha.
Ao longo dos diversos testes do controlador utilizando o sistema sem
fios, observou-se que houveram perdas eventuais de aquisições. Isto motivou
um breve estudo do desempenho da rede sem fio em condições normais. Fez-
se uma alteração no código no microcontrolador do coordenador da pan de
forma a contar o número de retransmissões que ocorreram até a recepção
efetiva do valor dos sensores. Após, desenvolveu-se um pequeno script para
Matlab que realiza uma grande quantidade de aquisições dos sensores e
calcula o tempo entre o envio da requisiçao e a recepção da resposta. De
forma a ver se estas perdas de aquisição eram influenciadas pela distância,
foram realizados três testes com os sensores situados a 50cm, 3m e 8m.As
taxas de retransmissões obtidas estão na Tabela 4-1:
Distância Total de Requisições Retransmições Taxa
50 cm 6462 298 4.6116 %
3 m 7968 452 5.6727 %
8m 2577 487 18.8979 % Tabela 4-1 – Taxas de retransmissão do sistema
Apesar das retransmições, todas as aquisições foram bem sucedidas.
Também foram elaborados histogramas com os tempos obtidos, de forma a ter
uma noção de como é a distribuição destes tempos.
37
Figura 3.3-7 – Distribuição do intervalo de tempo de aquisição, quando os módulos estão
separados em 50cm.
Nota-se que houve uma grande concentração de aquisições que
ocorreram com intervalosem torno de 45ms e em torno de 60ms. Há também
uma certa quantidade de aquisições entre 70 e 80 ms. Uma suposição é a de,
a partir de 70ms, as aquisições já apresentaram retransmições.
Figura 3.3-8 - Distribuição do intervalo de tempo de aquisição, quando os módulos estão
separados em 3m.
Novamente, a grande maioria das aquisições ficaram em torno de 60
ms, desta vez com um pico bem acentuado ao redor de 62,6 ms, indicando que
este deve ser o valor típico para uma aquisição. Considerando que o tempo de
38
amostragem do sistema é de 2 segundos, verifica-se que o tempo de aquisição
só ocupa 3% de uma iteração do controlador, não afetando seu desempenho.
Aumentando a distância, nota-se um aumento no número de
aquisições que se enquadraram no intervalo entre 70 e 80ms, reforçando a
suposição de que estas eram aquisições que tiveram retransmições. Aparecem
também aquisiçoes ao redor de 90ms.
Figura 3.3-9 - Distribuição do intervalo de tempo de aquisição, quando os módulos estão
separados em 8m.
Este ultimo gráfico possui menos amostras, porém acompanha a
tendência dos demais, apresentando também um aumento na quantidade de
aquisições com retransmições.
5 CONCLUSÕES
A conclusão do controlador numa comparação entre a teoria e a
prática, com e sem fio pode se dizer que foi satisfatória pois nos valores
avaliados de tempo de resposta e porcentagem de overshoot foram bastante
semelhantes.
Teórico Com fios Sem fios
Tempo de resposta (s) 658 630 634
Overshoot (%) 7,037 7,25 6,87 Tabela 5-1 - Tabela resumo dos resultados avaliados
39
Pode-se fazer uma comparação percentual de forma a validar o que foi
projetado na teoria. Neste caso comparando o tempo de resposta do sistema
com fio comparando a realidade com a teoria foi de -4,25%. Já a porcentagem
de overshoot teve um erro percentual em relação à teoria de 0,2%. Assim tanto
a o tempo de resposta como a porcentagem de overshoot estão dentro um
limite aceitável de 5%, apesar do tempo de resposta ter ficado muito próximo
desse limite. Isso valida o funcionamento do modelo da planta e projeto do
controlador conforme a teoria.
Também é possível e desejável uma comparação percentual entre o
sistema com e sem fio. Nessa comparação pode se perceber que o erro
percentual do tempo de resposta e porcentagem de overshoot entre o sistema
com e sem fio são semelhantes. O erro do tempo de resposta foi 0,63% em
relação ao sistema com fio, mais confiável, e o erro da porcentagem de
overshoot foi -0,35%, erros estes muito pequenos. Portanto pode-se dizer que
o sistema com fio e sem fio se comportaram de maneira praticamente igual
validando o funcionamento do sistema sem fio.
Sistema com fio e Teórico
Sistema sem fio e sistema com fio
Tempo de resposta -4,25% 0,63%
Overshoot 0,2% -0,35% Tabela 5-2– Tabela com erro percentual entre o sistema com fio e o teórico e o sistema com fio
e o sem fio
Com o levantamentodos números de retransmições, notou-se que
estes se mantiveramem um nível aceitável para pequenas distâncias, porém
já pareceram exagerados para 8m. Para o propósito do trabalho, isto não foi
problema, porém, como esta é uma distância que é fácilmente atingida ou até
ultrapassada dependendo do ambiente, isto pode se tornar um problema em
uma aplicação real. Acredita-se que esta não é uma limitação dos módulos RF,
já que o datasheet apresenta um alcance muito maior, porém seria necessário
um estudo mais minucioso de forma a determinar corretamente a causa e
apresentar uma melhoria.
Finalmente, com os histogramas com os tempos de aquisição,
determina-se que o intervalo típico de aquisição fica em torno de 60ms, sendo
que este valor ocupa apenas 3% do tempo total de amostragem, que é de 2s.
40
Observou-se também um comportamento nos histogramas de
representar os atrasos ocasionados pelas retransmissões, com o aumento da
concentração de aquisições ao redor de 75 e 90 ms.
Apesar de passarem uma ideia geral e até possibilitarem a formulação
de algumas suposições, este também é um ponto do trabalho que necessitaria
de um estudo individual mais minucioso para ser plenamente conclusivo.
De maneira geral, pode-se dizer que é sim possível a utilização da
comunicação sem fios entre os elementos do sistema de controle. O
desempenho do controlador é praticamente o mesmo, em condições normais
de operação, como ausência de obstáculos entre os módulos, bateria
carregada e baixa interferências externas no sinal. Porém, a comunicação sem
fios traz diversos problemas e dificuldades a serem solucionados, como a
integridade dos dados transmitidos, retransmissões de pacotes e
indisponibilidade de um elemento. Estas dificuldades puderam ser quase
desprezadas na maquete, porém elas são amplificadas conforme o aumento da
distância e da complexidade do local onde o sistema é implementado.
6 TRABALHOS FUTUROS
Num trabalho futuro poderia ser utilizado um sensor de temperatura e
umidade num mesmo encapsulamento. Até onde foi pesquisado a utilização de
um componente só que faria ambas as medições, possui a vantagem de
facilitar o trabalho de aquisição, software e hardware, e economia espaço na
placa, sendo esses motivos suficiente para investigar sua utilização.
Para citar exemplo será utilizado o componente SHT11 fabricado pela
SENSIRION, podendo ele ser facilmente encontrado na internet para comprar.
O trabalho de aquisição nele é menor comparado aos sensores utilizados, pois
possui saída digital, protocolo I2C (Inter Integrated Circuit), facilitando do ponto
de vista do hardware eliminando filtros analógicos e conversor analógico digital
assim como ajustes nos níveis de tensão para o conversor. Haverá também um
ganho de espaço devendo-se as dimensões dele que são consideravelmente
menores que o sensor de umidade além do espaço usado para os circuitos
complementares de filtragem. Outra vantagem é a tensão ser a mesma dos
módulos RF, 3V, facilitando a implementação em hardware. O custo é
semelhante a sensores de umidade discreto com saída de tensão analógica
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encontrados. Outro ponto a se considerar é a questão de precisão, no caso o
SHT11 ele é menos preciso que o LM35, utilizado, porém em regiões mais
distantes de 25ºC, o que não interessa para o projeto, porém próximo a 25ºC a
precisão é a mesma, +-0,5ºC, o que o tornaria viável.
Assim sendo uma possível expansão para o projeto seria sim a
utilização de sensores de temperatura e umidade conjugados, pois até onde foi
pesquisado atende as especificações necessárias. Entretanto deve se salientar
seria bom investigar com mais calma e mais detalhadamente sobre as
necessidades e se realmente essa solução é viável.
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