Este capítulo apresenta o conceito de Rede de Sensores sem Fio Industrial e discutiu pos- síveis aplicações, as vantagens e desafios para a utilização deste tipo de tecnologia. Também foi realizada uma discussão sobre alguns padrões que são empregados para a implementação de redes de sensores, incluindo novos padrões designados para aplicações industriais, como o Wi- relessHART, o ISA100.11a e o IEEE 802.15.4e. Alguns desses padrões apresentam um custo elevado quando comparado com o Padrão IEEE 802.15.4, devido à necessidade de utilizar nós sensores com maior capacidade de processamento e fontes de clock mais precisas, para manter a sincronia necessária para o correto uso de TDMA, como no caso das redes WirelessHART, ISA100.11a e o modo TSCH do IEEE 802.15.4e. Em contrapartida eles possuem mecanismos de coexistência que podem prover uma melhor qualidade de serviço para as RSSFIs.
Redes de Sensores sem Fio Industriais 27 Embora os padrões ISA100.11a, WirelessHART e o modo TSCH utilizem mecanismos para minimizar problemas de interferência, sem um correto gerenciamento das redes a qualidade de serviço pode também ser prejudicada. O modo DSME define o uso de adaptação de canal, mas não define como esse mecanismo deve ser implementado. Dessa forma, mesmo considerando os novos padrões para RSSFIs, alguns desafios ainda estão em aberto e devem ser alvos de pesquisas para o desenvolvimento de soluções adequadas para RSSFIs e que permitam a essas redes operarem com alta confiabilidade e determinismo. No próximo capítulo, os desafios para a implantação de uma RSSF em ambientes industriais e as características do canal sem fio nesses ambientes são discutidos em mais detalhes. Também são abordados possíveis problemas que podem ocorrer na implantação de redes que utilizam os padrões descritos neste capítulo.
CAPÍTULO
3
Desafios Para a Implantação de Redes de
Sensores sem Fio Industriais
Apesar das vantagens apresentadas pelas RSSFIs, como o baixo custo e a grande flexibi- lidade, e das possibilidades de aplicações existentes para ambientes industriais, a utilização desse tipo de tecnologia em ambientes severos apresenta muitos desafios. Este capítulo tem como objetivo discutir em mais detalhes esses desafios.
Como as RSSFs utilizam bandas não licenciadas para comunicação, problemas de interfe- rência com outras tecnologias podem ocorrer. O canal sem fio no ambiente industrial apresenta características não favoráveis à comunicação sem fio, como o alto nível de atenuação e proble- mas de sombreamento. Muitos ambientes industriais também apresentam características que tornam o canal sem fio não estacionário em longos períodos de tempo, o que pode provocar mudanças bruscas nas características dos canais no decorrer do tempo [8, 75, 76].
Devido ao perfil de multipercurso em ambientes industriais refletivos, a largura de banda de coerência pode ser muito pequena, de modo que as características do canal de comunica- ção podem ser muito diferentes, mesmo em canais adjacentes. Outro fator importante a ser considerado é a variação espacial na qualidade dos canais, em que um determinado canal pode apresentar boa qualidade de comunicação para alguns nós e qualidade muito baixa para outros nós, mesmo que os nós em questão estejam posicionados próximos uns dos outros. Em alguns casos também pode haver problemas de assimetria de enlace, em que as duas direções de um enlace apresentam níveis de qualidade diferentes. Todos esses aspectos são discutidos neste capítulo.
3.1
Ruído e Interferência Eletromagnética em RSSF
Devido ao aumento na quantidade de aplicações que utilizam tecnologias de comunicação sem fio, o espectro disponível para comunicação tende a ficar mais congestionado, aumentando
Desafios Para a Implantação de Redes de Sensores sem Fio Industriais 29 a interferência e reduzindo a qualidade de serviço das redes que coexistem em um mesmo ambiente.
A abordagem de alocação estática de espectro tende a não funcionar de maneira satisfatória à medida que muitos dispositivos presentes no ambiente utilizam a mesma faixa de frequên- cias [77]. Dessa forma, mecanismos que permitam uma utilização mais inteligente do espectro devem ser desenvolvidos para mitigar os problemas relativos à interferência de redes coexisten- tes.
Muitos dispositivos sem fio operam na banda destinada a aplicações industriais, científicas e médicas (Industrial, Scientific and Medical – ISM) de 2,4 GHz, como rádios Bluetooth, Wi-Fi e telefones sem fio. Além disso, outros dispositivos que não são destinados para comunicação podem causar interferência nessa faixa de frequências, como fornos micro-ondas.
Os padrões de comunicação sem fio, como o IEEE 802.11 e o IEEE 802.15.4, definem um conjunto de canais ao longo da banda. Como eles compartilham a banda, existe uma sobreposi- ção entre os canais definidos por esses padrões. Na Figura 3.1 são mostrados os canais definidos pelos padrões IEEE 802.11 (Wi-Fi) e IEEE 802.15.4 na banda de 2,4 GHz. Apenas três canais (1, 6 e 11) do padrão IEEE 802.11 estão ilustrados na figura, mas o padrão define 14 canais (apenas 11 permitidos no Brasil) que são dispostos no espectro, de modo que existe sobrepo- sição entre canais vizinhos. No Padrão IEEE 802.15.4 todos os canais são separados por uma banda de guarda de 5 MHz. Entretanto, devido à modulação utilizada na camada física, uma pequena fração do sinal é espalhada para fora do intervalo de 5 MHz [78]. Dessa forma, redes IEEE 802.15.4 que operam em um mesmo ambiente e em canais adjacentes podem interferir umas nas outras.
Desafios Para a Implantação de Redes de Sensores sem Fio Industriais 30
3.1.1
Estudos Experimentais para Avaliação do Ruído e Influência das
Fontes de Interferência no Desempenho de RSSFs
Alguns trabalhos foram realizados para identificar possíveis fontes de interferência em di- ferentes ambientes [27, 28, 79–81]. Em [80] é descrito um estudo sobre a intensidade do campo elétrico de trabalho e a distribuição de probabilidade de amplitude (APD) do ruído em uma indústria de papel. A partir da APD é possível analisar o percentual de tempo em que um sinal impulsivo excede um determinado limite. Os resultados obtidos mostraram que os equipamen- tos mais comuns que podem causar interferência na faixa de 2,4 GHz são fornos micro-ondas, aquecedores industriais, sistemas de iluminação por radiofrequência e equipamentos de solda. No entanto, esses equipamentos nem sempre estão presentes na indústria.
Outras fontes de interferência usualmente encontradas nos ambientes industriais são moto- res elétricos, inversores de frequência e equipamentos de comunicação sem fio, como telefones sem fio e equipamentos para redes locais sem fio. Boa parte dessas interferências, principal- mente as relacionadas aos equipamentos industriais, como motores e inversores de frequência, apresentam interferência na faixa de algumas centenas de megahertz, o que pode atrapalhar a comunicação em sistemas proprietários que utilizam essa faixa de frequência, mas não interfe- rem em sistemas que usam a banda ISM de 2,4 GHz [27, 28].
Em [81] foram verificadas as faixas de frequência afetadas por um conjunto de fontes de interferência. Os resultados mostraram que motores de combustão e equipamentos de solda causam interferência apenas abaixo de 1 GHz. No ambiente onde foram realizadas as medições observou-se grande poluição no espectro na faixa de 2,4 GHz devido a outros sistemas de baixo alcance que utilizam essa faixa, como redes Wi-Fi e Bluetooth.
Alguns trabalhos foram realizados para verificar o desempenho de rádios IEEE 802.15.4 sujeitos à interferência de redes IEEE 802.11 (Wi-Fi), Bluetooth e fornos micro-ondas. Em [82] foi realizado um estudo experimental para verificar a correlação entre a Taxa de Perda de Pacote (TPP) e a potência média no canal de rádios IEEE 802.15.4 sujeitos à interferência de uma rede IEEE 802.11 e um forno micro-ondas. Os resultados mostraram que essas fontes de interfe- rência aumentam significativamente o nível de energia nos canais, tendo influência direta no desempenho de comunicação dos rádios. Em alguns cenários, a TPP dos rádios IEEE 802.15.4 chegou a 90%, quando sujeitos à interferência da rede IEEE 802.11. Quando sujeitos à interfe- rência do forno micro-ondas, a TPP no pior caso foi em torno de 50% quando a rede operava nos canais 21 e 23, que são centralizados nas frequências 2.455 MHz e 2.465 MHz, respectiva- mente. Observou-se correlação entre o nível de potência médio no canal e a TPP. No entanto, a relação entre potência média e TPP é diferente para cada tipo de fonte de interferência. Dessa forma, métricas mais elaboradas precisam ser desenvolvidas para estimar com maior acurácia a qualidade do canal de comunicação.
Em [3] foram realizados experimentos para investigar o impacto de uma rede IEEE 802.11 e um forno micro-ondas no desempenho de uma RSSF para monitoramento de motores em
Desafios Para a Implantação de Redes de Sensores sem Fio Industriais 31 ambiente industrial. Resultados semelhantes aos descritos em [82] foram observados, com a TPP chegando a cerca de 90% quando a RSSF estava sujeita à interferência de uma rede IEEE 802.11. Resultados semelhantes também foram descritos em [83]. Em [55] são descritos experimentos para verificar o impacto da distância entre transmissor e receptor e entre os nós sensores e as fontes de interferência (rádios Bluetooth, IEEE 802.11 e forno micro-ondas) em ambiente predial. Observou-se uma TPP de até 25% devido às interferências da rede IEEE 802.11 e forno micro-ondas para os cenários estudados. A interferência por parte dos rádios Bluetoothfoi muito pequena. Isso se deve ao mecanismo de salto em frequência definido pelo padrão IEEE 802.15.1, que utiliza 79 canais de 1 MHz na faixa de 2,4 GHz.