Artigo - 2012 - Redes Sem Fio Em Automação Industrial

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REDES SEM FIO EM AUTOMAO INDUSTRIAL

Alexandre Baratella. Lugli [email protected]

Instituto Nacional de Telecomunicaes

Gabriel Dias Scarpioni [email protected]


Gustavo Vincius da Silva Martins [email protected]


Luis Felipe Cardillo e Castro [email protected]


Marcos Francisco Ferreira de Carvalho [email protected]


Abstract This article aims analysis of main features of Miwi Protocol which can be view through practical

experiment, collecting pre-defined measures on actual application of industrial settings and make a parallel with information by producer. During the study some industrial network protocols (Miwi Protocol, Zigbee, Bluetooth, SP-100 e WirelessHart) were introduced and was made a short parallel between the major aspects of which one to justify the choice of Miwi Protocol to practical study.

Resumo Esse artigo tem como objetivo, a anlise das principais caractersticas do Miwi Protocol,

demonstradas atravs de experimento prtico, coletando mtricas pr-definidas em aplicao real de ambientes industriais e comparando com as informaes fornecidas pelo fabricante. No desenvolvimento do trabalho alguns protocolos de redes industriais (Miwi Protocol, Zigbee, Bluetooth, SP-100 e WirelessHart) foram apresentados e foi realizada uma breve comparao entre os principais aspectos de cada um, a fim de justificar a escolha do Miwi Protocol para estudo prtico.

Palavras chaves: Automao industrial, Redes industriais sem fio, Taxa de transmisso.

1. INTRODUO

Com a evoluo da produo industrial houve a necessidade de aperfeioar os processos industriais para alcanar melhores resultados, como: economia de energia, aumento da qualidade do produto e economia de matria prima, gerando um aumento no nmero de informaes e no controle dos processos. [2] [14] Devido a esse aumento, tornou-se necessrio a interligao entre equipamentos distintos, formando, assim, uma rede de monitoramento e controle aplicada aos processos industriais. Porm, com o nmero elevado de fornecedores de tecnologias distintas e de informaes a serem trafegadas nos processos industriais, foi indispensvel padronizao das comunicaes industriais, assim, criando os protocolos de redes industriais. [17] [8]

Os primeiros protocolos foram utilizados em redes cabeadas, mas, com o aumento de dispositivos conectados nas redes industriais, grandes distncias entre os dispositivos, necessidade de mobilidade dos equipamentos, interconexo entre os pontos da rede, alm da facilidade de

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instalao, fez-se necessrio a utilizao de tecnologias sem fio no meio industrial. [2] [14] Existem vrios protocolos de redes sem fio, cada um deles utilizado para finalidades distintas, baseado em suas caractersticas especficas, como: taxa de transmisso, frequncia de operao, nmero de pontos na rede, distncia e segurana da informao. [22] Na comunicao sensorial e de equipamentos que no demandam alta taxa de transmisso, pode-se optar pela utilizao de protocolos mais simples. [22] Esses protocolos apresentam uma taxa de comunicao mais baixa, e, em muitos casos, possuem o hardware simplificado. [22]

O objetivo deste estudo analisar as caractersticas dos protocolos, Miwi Protocol, ZigBee, Bluetooth, SP-100 e WirelessHart, a fim de realizar um comparativo entre os protocolos e suas caractersticas. Alm disso, h uma aplicao real de operao, utilizando o protocolo Miwi Protocol, para visualizao, diagnstico e anlise dos parmetros comparados nos diversos protocolos.

2. TECNOLOGIAS

Neste captulo sero abordados as principais caractersticas e parmetros de algumas das

tecnologias utilizadas em sistemas de automao, utilizando redes sem fio.

2.1. BlueTooth O Bluetooth uma tecnologia de rede sem fio utilizada para conectar dispositivos mveis. [2] [3] O

protocolo aplicado para transferncia de informaes entre dispositivos em que a aplicao no necessita de baixos tempos de resposta. [2] [3] As especificaes desta tecnologia foram desenvolvidas e licenciadas em 1994 pelo Bluetooth Especial Interest Group, fundado pelas empresas: IBM, Nokia, Ericsson, Toshiba e Intel. Atualmente, o Especial Interest Group conta com mais de mil colaboradores das mais diversas reas tecnolgicas. [2] [3]

A tecnologia Bluetooth possui as seguintes caractersticas: baixo custo e consumo de energia, alm de um alto nvel de segurana. [1] Para realizar a transferncia de informaes entre os dispositivos no h necessidade de configurao de redes e permisses, o dispositivo emissor faz uma varredura para encontrar outros dispositivos disponveis para conexo e qualquer dispositivo pode ser configurado para responder a essa requisio. [2]

Uma limitao do sistema a distncia que pode variar de acordo com a classe da tecnologia aplicada. [1] Devido comunicao utilizada ser um sistema sem fio, os dispositivos no necessitam estar em visada direta, podendo estar em ambientes diferentes, caso a potncia de transmisso esteja dentro do limite de proximidade. [2]

O Bluetooth pode ser classificado como segue a figura 1:

Fig. 1. Comparativo entre classes do sistema Bluetooth. [1]

O sistema de transmisso do Bluetooth opera na banda do espectro de 2,4GHz a 2,485 GHz, faixa

ISM (Industrial, Scientific and Medical) centrada em 2,45 GHz, padronizada e no licenciada. [1] Essa banda dividida em 79 portadoras com espao de 1 MHz entre elas.[1] Devido a tecnologia trabalhar em uma faixa do espectro padronizada, necessrio garantir que o sinal do Bluetooth no sofra e nem gere interferncias eletromagnticas. [2] A tecnologia utiliza o esquema de comunicao FH-CDMA (Frequency Hopping Code Division Multiple Access), dividindo a frequncia em vrios canais e permitindo a proteo aos rudos esprios ao sistema. A primeira verso do Bluetooth utilizava a modulao GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). [4] Outras verses do Bluetooth utilizam as modulaes pi/4 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) e D8PSK (Differentially encoded 8-Phase Shift Keying). A modulao GFSK trabalha com um bit por smbolo, a pi/4 QPSK, com 2 bits por smbolo e a 8 DPSK, com 3 bits por smbolo.[4]

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O Bluetooth utiliza o sistema de arquitetura de camadas de protocolo, sua especificao o divide em trs grupos lgicos: protocolos de transporte, protocolos de middleware e protocolos de aplicao. [1] [2] O grupo de protocolos de transporte permite que a tecnologia localize outros dispositivos e gerencie os links fsicos e virtuais. O grupo de protocolos de middleware so os responsveis por viabilizar a comunicao da tecnologia com padres j existentes e protocolos de terceiros. J o grupo dos protocolos de atuao, formado pelas aplicaes que j utilizam a tecnologia Bluetooth. [23]

Para realizar a comunicao a tecnologia trabalha com um grupo de rede chamado Piconet. [1] Esse sistema permite que um dispositivo mestre Bluetooth possa se comunicar com at mais sete outros dispositivos. [2] A todo o momento, informaes podem ser transferidas entre o dispositivo mestre e seus escravos. [2] A figura 2 ilustra o sistema Piconet.

Fig. 2. Sistema Piconet. [2]

2.2. Miwi Protocol um protocolo de rede padronizado pela Microchip e baseado no padro IEEE (Institute of

Electrical and Electronics Engineers) 802.15.4, tendo como objetivo gerar aplicaes mais simplificadas para a conexo de dispositivos em curtas distncias, com baixa taxa de informaes e que no demandem nmero elevado de ns. [5]

Os aspectos nos quais as diminuies de funcionalidades so mais visveis so nas quantidades de dispositivos da rede, nvel de segurana oferecida comunicao, processos de associao de dispositivos e sistemas de roteamento. Contudo, o protocolo Miwi demanda um menor tempo de processamento, podendo ser implementado com processadores mais simples, tais como microcontroladores de oito bits. [5]

O protocolo Miwi dividido em trs verses. A verso Miwi P2P abrange as comunicaes ponto-a-ponto e ponto-multiponto operando no padro IEEE 802.15.4. [7] J o protocolo mediano Miwi possibilita pequenas redes em formato smal cluster tree (pequenas redes estrela organizadas como rvore), assim podendo realizar saltos (at quatro) e roteamento de pacotes. [5] A verso Miwi Pro tem por finalidade a criao de redes extensas com diversos dispositivos, possuindo otimizaes de roteamento dos pacotes, diagnstico de conexes e associao de dispositivos. [6]

A figura 3 ilustra um comparativo entre as trs verses mencionadas e o ZigBee.

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Fig. 3. Comparativo entre os protocolos Microchip e o ZigBee. [12]

As caractersticas do protocolo Miwi so: 1- Simplicidade de rede. [5] 2- Nmero limitado de saltos. [5] 3- Utilizao do padro IEE 802.15.4. [5] 4- Segurana utilizando o XTEA (eXtended Tiny Encryption Algorithm). [10] 5- Baixo consumo de energia, podendo ultrapassar 5 anos com pilhas comuns tipo AA. [9] 6- Possibilidade de utilizao em 2,4GHz, 915MHz, 868MHz e 443MHz. [10] A figura 4 ilustra o cenrio de atuao de cada protocolo em relao ao nmero de dispositivos,

destacando o nmero de aplicaes e a complexidade da implementao.

Fig. 4. Cenrio de atuao dos protocolos ZigBee, Miwi e P2P. [12]

2.3. ISA-SP100

O padro ISA-SP100 (International Society of Automation Standard Protocol 100) um padro que est sendo elaborado pela ISA para aplicaes industriais utilizando redes sem fio, visando a utilizao em ambientes hostis e suas aplicabilidades. [11]

O comit formado pela ISA vem trabalhando na norma ISA-SP100 desde 2005. Este comit est subdividido em alguns grupos reunindo mais de 400 profissionais da rea de automao e aproximadamente 250 empresas da indstria mundial. [11] Dois de seus objetivos principais consiste em estabelecer normas e relatrios tcnicos sobre estruturao de redes sem fio para aplicaes industriais. [11]

A norma consiste em padres relacionados a rede sem fio nas reas de automao, tanto predial como industrial, transmisso e distribuio de informaes e identificao por radiofrequncia. [11]

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Pelo fato dessas reas possurem diferentes aspectos fsicos e referentes aos diferentes tempos de operao de cada equipamento, o padro foi subdividido em seis classes numeradas de 0 a 5, de acordo com o nvel de restrio temporal. [11]

Estas classes so ainda subdivididas em trs categorias de acordo com sua aplicao, na Figura 5 estas categorias podem ser vistas. [11]

Fig. 5. Categoria, classes, aplicao e descrio ISA - SP100. [11]

Foram definidos alguns grupos comprometidos com o trabalho de desenvolvimento da norma ISA-

SP100. [13][27] Cada grupo atuar em uma rea de desenvolvimento, em diferentes ambientes industriais, implementando a tecnologia sem fio. Inicialmente 3 grupos foram criados, ISA-SP100.11, ISA-SP100.14 e o ISA-SP100.21 e posteriormente houve a juno dos grupos ISA-SP100.11 e ISA-SP100.14 resultando o grupo ISA-SP100.11a. [13][27] Este resultado da juno tem por finalidade estabelecer a comunicao sem fio, focando a rea de controle e medies de ambientes industriais. [13][27]

Os dispositivos controlados devem ser de baixa complexidade, fixos ou mveis, baixo consumo, baixo custo de forma que possibilite grande autonomia das baterias. [12][27] O padro tem por finalidade tambm tratar da coexistncia com outras tecnologias de comunicao sem fio, robustez interferncias e a interoperabilidade com a infraestrutura de rede j existente. [12][27]

2.4. ZigBee

O protocolo ZigBee foi idealizado com o objetivo de mostrar alto rendimento de energia e versatilidade de aplicaes. Seu desenvolvimento foi realizado atendendo os critrios do IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) 802.15.4, desta forma o hardware utilizado como plataforma pode ser fabricado por diversas indstrias de tecnologia. [15]

A conexo dos dispositivos da rede pode assumir as topologias: estrela, rvore e malha. [16] Assim, possvel conectar diversos dispositivos, tendo algumas funcionalidades como:

Reconhecimento de rede e diagnstico de comunicao. [16] Segurana de informaes utilizando o cdigo AES (Advanced Encryption Standard)-128. [16] Frequncia de operao padro e 2,4GHz dividido em 16 canais, mas tambm pode ser utilizado

a frequncia de 915MHz (Amrica) e 868MHz (Europa). [16] Taxa de transferncia pode assumir valores de 250Kbps, 40Kbps e 20Kbps. [18] O alcance de um enlace varia de 10 a 100 metros, dependendo das condies climticas e da

potncia do rdio utilizado. [19] O nmero mximo de ns, por rede, pode superar 64000. [19] Outra caracterstica a possibilidade de extenso de uma rede utilizando os hops (saltos), desta

forma um dispositivo pode rotear uma mensagem utilizando os seus vizinhos. Assim, mesmo com transmisses em baixa potncia possvel atingir grandes distncias. [20]

O protocolo ZigBee foi desenvolvido por um grupo de empresas interessadas em prover uma maior conectividade entre seus produtos. [21] Como os objetivos de cada empresa eram distintos, houve a necessidade de um projeto mais amplo, que contemplasse todas as necessidades de seus colaboradores. [21] Assim, estas empresas formaram a ZigBee Alliance. [21] Esta aliana define quais as funcionalidades e como as mesmas sero implementadas, a fim de manter a padronizao e a interoperabilidade entre os diversos equipamentos. [21]

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2.5. WirelessHART O WirelessHART um protocolo de comunicao para redes de automao industrial baseado no

protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer), adicionando novas funcionalidades e recursos, das quais a de maior destaque foi a possibilidade de realizar comunicao sem fio (wireless) entre os elementos integrantes da rede. Apesar das mudanas, o WirelessHART manteve a compatibilidade com os dispositivos e ferramentas j existentes, sendo, portanto, compatvel com o protocolo HART. [22]

O protocolo HART foi criado em 1989 pela Rosemount Inc. [22] Nos anos 90, a marca foi registrada e todos os direitos sobre o protocolo foram transferidos para a HCF (HART Communication Foundation), tornando-se um protocolo industrial padronizado e utilizado a nvel mundial. [22] Utiliza o padro Bell 202 de chaveamento por deslocamento de frequncia (FSK Frequency Shift Keying) para adicionar as informaes digitais no sinal analgico enviado pelo instrumento de medida. [22] A taxa de comunicao entre os dispositivos de 1200 bits por segundo, onde, o bit 1 representado pela frequncia de 1200 Hz e o bit 0 pela frequncia de 2200 Hz, como ilustra a figura 6. [22]

Fig. 6. Sinal HART. [22]

O sinal digital, por ser um sinal FSK e com fase constante, no gera nvel DC, sendo, portanto, possvel sobrepor o sinal digital ao sinal analgico sem que exista qualquer interferncia entre os dois. [22] Desta maneira, o protocolo HART possibilita a transmisso e a recepo de informaes adicionais, como calibrao do equipamento, diagnsticos de defeito e configuraes, alm do sinal analgico de corrente de 4-20mA que representa a grandeza medida pelo dispositivo. [22]

O WirelessHART uma rede de comunicao sem fio em malha, podendo ser composta por vrios ns que podem operar como ponto de acesso ou roteador, possibilitando que o sistema de controle acesse um ponto da rede por vrios caminhos diferentes. [22][24] Assim, h uma maior mobilidade de equipamentos para aplicaes industriais crticas. [22][24] Na figura 7 apresentado um diagrama mnimo de uma rede WirelessHART. Os trs principais elementos da rede so:

Dispositivos de campo: So os pontos de acesso, so eles que recebem os comandos do sistema de controle e executam os processos sobre os dispositivos de medida. Podem operar tambm como roteador, aumentando o alcance da rede e possibilitando uma maior estabilidade do sistema. [22][24]

Gateway: Responsvel pela comunicao entre o sistema de controle e o ponto de acesso. [22][24] Gerenciador de rede: Administra a rede de comunicao, configura novos dispositivos e

determina rotas redundantes. [22][24]

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Fig. 7. Elementos bsicos da rede. [25]

A rede baseada no padro IEEE 802.15.4-2006, operando na frequncia de 2.4GHz e com

modulao O-QPSK (Offset Quadrature Phase-shift keying). Utiliza a tcnica de Acesso Mltiplo por Diviso de Tempo (TDMA Time Division Multiple Acess). [25][26] Para realizar a comunicao entre dois pontos da rede, cada janela de tempo tem durao de 10 milissegundos. [25][26]

Cada elemento da rede tem a capacidade de reconhecer e analisar os dispositivos vizinhos, baseado nas informaes da rede analisada, tais como: latncia, potncia do sinal e eficincia da rede. [22][26] Com isso, consegue-se estabelecer uma rota de trfego para as informaes a serem trafegadas na rede. Cada ponto da rede se torna um roteador, princpio da rede em malha, criando rotas de redundncia, administradas pelo gerenciador de rede, facilitando o acesso de cada dispositivo. [22][26] A distncia entre dois pontos da rede de at 250 metros em visada direta e o numero mximo de dispositivos na rede e de 264. [22][26]

O protocolo tambm adiciona ao pacote, dois artifcios utilizados para garantir segurana e a robustez da comunicao. A combinao entre o CRC (Cyclic Redundancy Check) e a criptografia AES-128 (Advanced Encryption Standard) garante a integridade da mensagem recebida e que a mesma seja entregue ao destino correto e, ainda, que outros dispositivos no interceptem a mensagem. [22]

O WirelessHART pode operar em topologia de malha, em estrela ou em rede de malha estrela, como ilustra a figura 8. [24]

Fig. 8. Topologias do WirelessHART. [24]

3. COMPARATIVO Na figura 9, est exposto o comparativo entre as tecnologias ZigBee, Miwi, Bluetooth e

WirelessHart, com exceo da tecnologia ISA-SP100, cuja qual est em fase de definio e normatizao. As caractersticas comparadas foram, distancia mxima, taxa de transmisso, segurana, frequncia de operao, topologia de rede, modulao e nmero de ns.

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Fig. 9. Comparativo entre as tecnologias pesquisadas.

4. RESULTADOS

Nesta etapa do estudo, foram realizados ensaios para anlise do comportamento do protocolo Miwi. No total ocorreram trs experimentos distintos, onde os dois primeiros tiveram como foco, proporcionar mtricas pr-definidas, como a latncia e a potncia de recepo para realizar uma comparao entre as informaes obtidas, com os fornecidos pelo fabricante da tecnologia. O ltimo experimento consistiu em realizar uma aplicao real para ambientes industriais, utilizando o protocolo Miwi para a comunicao.

4.1. Anlise da latncia.

O protocolo Miwi pode ser configurado em trs modos de operao distintos, modo ponto a ponto, modo Miwi e modo MiwiPro. O objetivo deste teste foi analisar a latncia oferecida por cada modo de operao.

Para executar o teste foi utilizado um enlace contendo um mdulo de transmisso e um de recepo, configurado em um modo de trabalho. Em seguida, foram realizadas diversas transmisses de um pacote de informao, e os dois mdulos do enlace foram programados para gerar um pulso de sinalizao em instantes especficos, o de transmisso, no momento em que o protocolo inicia a codificao do pacote, e o de recepo, no instante em que as informaes so decodificadas pelo protocolo e esto prontas para anlise. Desta forma, com o auxlio de um osciloscpio de dois canais, foi possvel encontrar a janela de tempo existente entre estes dois instantes, analisando a latncia do protocolo. A figura 10 apresenta os resultados das formas de onda dos mdulos de transmisso e recepo, respectivamente, durante os testes do protocolo no modo ponto a ponto, contendo um total de trinta amostras analisadas.

Fig. 10. Teste de latncia.

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A figura 11 apresenta os valores encontrados aps o teste.

Fig. 11. Resultado do teste de latncia.

A figura 11 ilustra que o modo que apresenta a menor latncia o modo ponto a ponto. Como este modo no apresenta tcnicas de roteamento, o processamento necessrio para a codificao e decodificao do pacote mais simples, resultando em uma menor latncia. Por outro lado, o modo Miwi apresentou o maior tempo de latncia, pois como agrega tcnicas de roteamento e de saltos entre os pontos da rede, necessita trafegar uma quantidade maior de informaes e tambm de um processamento mais complexo que o ponto a ponto, resultando em uma latncia maior. O modo MiwiPro obteve uma latncia intermediaria em relao aos outros modos, devido a tambm apresentar tcnicas de roteamento, porm tcnicas melhoradas resultando em melhor desempenho se comparado com o Miwi. 4.2. Analise da potncia recebida em relao distncia.

Para essa anlise, o enlace foi configurado no modo ponto a ponto, sendo que a transmisso foi programada para enviar um pacote conhecido repetidas vezes. A recepo analisa o pacote recebido, calcula a mdia da potncia do sinal recebido a cada cem amostras e apresenta o valor calculado em uma interface serial. A figura 12 demonstra a interface criada para auxiliar nos testes de potncia.

Fig. 12. Interface serial de teste.

Aps as configuraes dos mdulos foram realizadas diversas medidas em visada direta, antena

transmissora apontada diretamente para a receptora, em distncias diferentes, permitindo elaborar o grfico apresentado na figura 13.

Fig. 13. Grfico potncia x distncia.

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Pelo grfico, conclui-se que com aumento da distncia entre os rdios a potncia recebida diminui consideravelmente, consequentemente a taxa recebida ser reduzida devido ao grande numero de pacotes perdidos durante a transmisso. Nota-se, tambm, que foi possvel receber um nvel de sinal maior ou igual a 1% at 140 metros. Acima desta distncia, devido baixa intensidade do sinal, o valor resultante foi arredondado para 0%, inviabilizando a comunicao entre os dois rdios.

4.3. Aplicao real A aplicao real consiste em um ambiente industrial, utilizando o protocolo Miwi para a realizao

da comunicao entre os pontos da rede, com o objetivo de provar que o protocolo pode ser empregado neste cenrio. A aplicao desenvolvida consiste em realizar a leitura da temperatura de uma sala em intervalos de tempo definidos e transmitir para uma central de processamento.

Para isso, utilizam-se dois mdulos configurados no modo ponto a ponto. Um mdulo opera como central de processamento, gerenciando o tempo de leitura, interpretando o resultado recebido e apresentando a interface criada. O outro mdulo opera como um dispositivo de campo, realizando a leitura do sensor de temperatura atravs de um conversor analgico digital e transmitindo para a central quando solicitado. A figura 14 ilustra o fluxograma da aplicao desenvolvida, contendo os dois mdulos sem fio.

Fig. 14. Fluxogramas da aplicao.

A figura 15 ilustra o diagrama em blocos do sistema.

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Fig. 15. Diagrama em blocos do sistema.

O sistema monitorou a temperatura de um ambiente fechado, durante vinte horas, evidenciando o funcionamento do sistema e do protocolo de rede sem fio.

Fig. 16. Temperatura x Tempo.

5. CONCLUSO

O trabalho realizou um comparativo entre os principais protocolos de redes sem fios aplicados a sistemas de automao e controle industrial.

Aps anlises dos resultados obtidos nos testes prticos, concluiu-se que o protocolo Miwi proporcionou um atraso significativamente grande comparado ao Miwi P2P e Miwi Pro.

Nos testes de nvel de sinal recebido em relao distncia, observou-se que aps a distncia de 160 metros no foi possvel a comunicao entre o dispositivo transmissor e receptor. Contudo, a partir da distncia de 120 metros, os nveis de sinal recebido foram inferiores a 1%, ocasionando perdas de informaes, que, neste estudo, foram consideradas como 0% de nvel de sinal recebido.

Foi realizada, tambm, uma aplicao real para medio de temperatura em um determinado ambiente.

Considerando os resultados obtidos no estudo prtico e as caractersticas dos protocolos analisados, concluiu-se que o Miwi apresenta caractersticas capazes de atender aplicaes industriais de baixa taxa de comunicao e pequenas distncias entre dispositivos, podendo atender a uma grande quantidade de aplicaes no ambiente industrial.

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Luis Felipe Cardillo e Castro Instituto Nacional de Telecomunicaes Av. Joo de Camargo, 510, 37540-000 - Santa Rita do Sapuca - MG Celular: (35) 9142 2834 [email protected] Marcos Francisco Ferreira de Carvalho HIT - Solues Tecnlgicas Av. Joo de Camargo, 510, Prdio 5 Sala 1, 37540-000 - Santa Rita do Sapuca - MG Celular: (35) 9163 3173 Telefone: (35) 3471 2956 [email protected]

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