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Universidade de BrasíliaFaculdade de Tecnologia
Departamento de Engenharia Elétrica
Redes de Sensores e Atuadores Wirelesspara
Automação Predial
Daniel Bermudez Souto de OliveiraMárcio Piragibe de Bakker Faria Zanatta
Rodrigo Almeida Santos
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Sumário
• Objetivos do Projeto• Comunicação Wireless• Padrão ZigBee• USB• Maquete de Processo Térmico• Resultados • Conclusões
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Objetivos do Projeto
• Estudo de automação predial wireless
• Controle de temperatura de uma maquete de salas de escritório
• Estudo do padrão ZigBee
• Implementação de Interface USB
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Módulos Implementados
1. Módulo de Sensores-XBee
2. Módulo de Atuadores-XBee
3. Placa USB-XBee
4. Programa Supervisório via Simulink
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Comunicação WirelessMarcos das Comunicações Wireless
1839 - Primeira mensagem telegráfica via código morse,
1864 - Equações de Maxwell,
1867 - Fundação da industria telefônica Bell Laboratories
1888 - Comprovação da existência das ondas eletromagnéticas por Heinrich Rudolf Hertz;
1900 - Primeira transmissão wireless
1972 - Primeira demonstração da telefonia celular,
1999 - Criação da Wi-Fi Alliance
1999 - Formalizado o BlueTooth Special Interest Group
2002 - Surgimento do CableModem, xDSL , VoIP
2004 - Primeira versão do padrão ZigBee
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Comunicação Wireless
Tipos de redes sem fio
• WPAN (Wireless Personal Area Network) - são redes wireless de pequeno alcance (entre 10 e 100 metros). Exemplo: dispositivos portáteis ou móveis tais como PCs, PDAs, periféricos e celulares;
• WLAN (Wireless Local Area Network) - São redes wireless destinadas à interligação de redes locais com alcance entre 100 e 300 metros. Exemplo: extensão ou alternativa para as redes com cabeamento convencional (par trançado ou fibra óptica);
• WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) – são redes wireless destinadas a acessos de banda larga de grande alcance para áreas metropolitanas, com alcance em torno de 6km;
• WWAN (Wireless Wide Area Network) - são redes wireless destinadas a redes de telecomunicações em longa distância, serviços de voz e dados.
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Padrão WI-FI
• Padrão IEEE 802.11• Alcance Máximo: 100
metros• Computador portátil e
tabletPC• Muito utilizada para
acesso a internet
Padrão Velocidade
Máxima
Faixa de
Frequência
802.11b
11Mbps
2,4GHz
802.11a
54Mbps
5GHz
802.11g
54Mbps
2,4GHz
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Padrão Bluetooth
• O nome Bluetooth é uma homenagem ao rei da Dinamarca e Noruega Harald Blåtand;
• Padrão IEEE 802.15.1
• Faixa de frequência: ISM (2,4 a 2,5GHz);
• Computador portátil, celulares, pequenos dispositivos de uso pessoal.
Classe Potência
Alcance
1 100mW
100m
2 2,5mW 10m
3 1mW 1m
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Padrão ZigBee
• Padrão IEEE 802.15.4;
• WPAN;
• Faixa de Frequência: ISM (2,4 a 2,5GHz);
• Taxa de transmissão: 250kbps (baixo);
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Padrão ZigBee
Estruturas de Rede Possíveis
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Comparação entre os Padrões
Padrão Wi-Fi Bluetooth ZigBee (XBee)
IEEE 802.11 802.15.1 802.15.4
Taxa de Transmissão
54Mbps 1Mbps 250kbps
Consumo •400mA TX•20mA standby
•40mA TX•0,2mA standby
•45mA TX•10uA standby
Recursos(KB) 1000 250 32
Nº máximo de nós 256 7 65535
Alcance 100 100 100
Pontos Fortes Alta taxa de transmissão
de dados
Substituição de cabos
Consumo, n º de nós, preço
Aplicações Internet, redes,
transferência de dados
Aparelhos de mão
Controle Remoto,
sensores e dispositivos com baterias
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Implementação da Rede
• Rede estrela:– Dois nós End Device e um
nó Coordenador
• Nó Coordenador
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Nó End Device
• Módulo
Sensor-XBee
• Módulo
Atuador-XBee
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Maquete
• Os nós End Device ficam localizados na maquete.
• Alimentação.
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USB
•Em 1995, surge o padrão USB com o conceito Plug and Play
•Atualmente, verifica-se um forte tendência de substituição das portas seriais do tipo RS232 para portas USB
•Motivação para a implementação da USB: seguir a tendência tecnológica
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USB
•Pinagem da USB:
•Transferência de dados nos pinos D+ e D- com codificação NRZI, com sinais bi-direcionais e lógica invertida.
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USB
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USB
•O protocolo é a base da comunicação
•Velocidade de transmissão de dados:
-USB 1.0: 1,5Mbps (Low Speed)
-USB 1.1: 1,5 Mbps à 12 Mbps (Full Speed)
-USB 2.0: até 480 Mbps (High Speed)
•Reconhecimento da velocidade pela impedância da linha
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USB
•Reconhecimento da USB 1.0 (Low Speed):
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Implementação da USB
Teve com base a nota de aplicação AVR309 da Atmel.
Vantagens:1. Baixo custo
2. Possibilidade de transformar um microcontrolador “RS232” em microcontrolador USB
3. Aproveitamento dos ATmega8 disponíveis
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Implementação da USB•Esquemático da ligação:
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Hardware
• Para a implementação da rede foi necessária a criação de 3 placas de circuito impresso:
– Módulo supervisório;
– Módulo dos sensores;
– Módulo dos atuadores.
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Endereçamento
• O XBee permite a configuração de parâmetros de comunicação, bem como o tipo dessa comunicação (ponto a ponto ou broadcast).
• A comunicação foi feita de modo que os módulos se comuniquem ponto a ponto.
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• Para a comunicação entre os módulos foi adotada a seguinte configuração:
– ATMY: endereço do nó– ATDL: endereço de envio– ATDH: tipo de endereçamento (16bits)
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Software
• Para o controle do processo térmico utilizamos o Simulink do MatLab, pois facilita o ajuste de parâmetros do controlador.
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VSP (Virtual Serial Port)
• Para a manipulação dos dados utilizamos o Simulink do MatLab, para isso foi necessária a utilização de uma VSP.
• Objetivo: emular os valores Tx e Rx.
• Neste projeto foi utilizado um software próprio para em associação com o dispositivo USB (AVR309).
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Controlador
• Para a determinação dos parâmetros do controlador PID utilizamos o método de Ziegler-Nichols.
• O controlador ficou da seguinte forma:
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Parâmetros do Controlador
• Sala 1– Kd = 18.220 – Kp = 3.623 – Ki = 0.180
• Sala 2– Kd = 24.312– Kp = 5.081– Ki = 0.132
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Resultados
– Porta aberta
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– Porta fechada
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Conclusões
• O objetivo do projeto que era a implementação básica do controle térmico da maquete utilizando o padrão ZigBee foi realizado com sucesso.
• Diante desse fato surge sugestões para o aproveitamento das idéias aqui iniciadas para o futuro:– Aumento da complexidade da rede com um maior número de
nós e de sensores– Implementação de um protocolo de comunicação (Bacnet)– Aumento da memória do microcontrolador– Preocupação com o desenvolvimento de códigos de
segurança da rede (CRC)– Métodos visando a economia de energia nos nós end device e
router
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Obrigado
à todos !