Opera¸c˜ ao do sistema B-Live

Um dos aspectos mais importantes no desenvolvimento de sistemas de dom´otica para pessoas com limita¸c˜oes funcionais s˜ao as Interfaces Homem-M´aquina (HMIs) [13]. De facto, n˜ao basta desenvolver sistemas de baixo custo, robustos, fi´aveis e com diversas funcionalidades; ´e necess´ario que o utilizador final disponha de interfaces intuitivas e de f´acil utiliza¸c˜ao para operar sobre os sistemas [14] e [15].

Uma das principais caracter´ısticas do B-Live ´e a modularidade e facilidade de adapta¸c˜ao `as necessidades dos utilizadores.

Tendo em conta as necessidades espec´ıficas de cada utilizador podem ser utilizadas v´arias interfaces para interagir com o B-Live. Actualmente, as interfaces dispon´ıveis para o sistema B-Live s˜ao as seguintes:

ˆ Computador.

ˆ Telem´ovel.

ˆ Interface feita por medida.

ˆ Interruptores de boca (IntegraMouse e IntegraSwitch [16]).

ˆ Interruptores convencionais.

PC

Quando existe um computador, este pode ser utilizado para operar sobre o B-Live, utilizando uma interface adequada para o efeito (Figura 4.24).

Figura 4.24: Interface B-Live PC

A utiliza¸c˜ao desta interface ´e bastante simples. Para actuar sobre os diversos dispositivos basta seleccionar o bot˜ao correspondente ao dispositivo e respectiva opera¸c˜ao.

Telem´ovel

No telem´ovel existe uma aplica¸c˜ao em forma de menu, a partir da qual se pode controlar o B-Live.

Interface feita por medida

Os utilizadores que apresentem graves limita¸c˜oes, impeditivas de utilizar o telem´ovel ou o computador, podem recorrer a interfaces feitas por medida. A interface da cadeira enquadra-

se neste contexto (Figura 4.25).

Figura 4.25: Interface cadeira

A Interface da cadeira n˜ao ´e mais que um interruptor de alta sensibilidade com comu- nica¸c˜ao por r´adio frequˆencia, o qual est´a pensado para ser utilizado por pessoas com mobili- dade bastante reduzida.

IntegraMouse e IntegraSwitch

O IntegraMouse e o IntegraSwitch (Figura 4.26) s˜ao interfaces Homem-m´aquina, para pessoas com graves limita¸c˜oes funcionais.

O IntegraMouse apresenta as mesmas funcionalidades que um rato para computador con- vencional. A principal diferen¸ca ´e que este ´e operado atrav´es da boca, l´abios para o movimento e sopro para simular os bot˜oes. O utilizador com limita¸c˜oes pode recorrer ao IntegraMouse para operar o menu do computador referido anteriormente.

Figura 4.26: Interface interruptor e rato de boca

Quando as limita¸c˜oes dos utilizadores n˜ao permitem o recurso `a interface da cadeira, o IntegraSwitch pode ser utilizado em substitui¸c˜ao. O sentido do ar (Expira¸c˜ao ou Inspira¸c˜ao) no IntegraSwitch simula os bot˜oes da interface da cadeira. A associa¸c˜ao entre o sentido do ar e o interruptor da interface da cadeira pode ser escolhido pelo utilizador. Para tal basta fazer a liga¸c˜ao entre o IntegraSwitch e o emissor RF de forma conveniente.

Interruptores convencionais

Os utilizadores com menor grau de limita¸c˜ao ou os acompanhantes dos pacientes podem utilizar os interruptores convencionais para interagir com o B-Live (Figura 4.27).

Figura 4.27: Interruptores convencionais

4.8

Conclus˜ao

Neste cap´ıtulo foi apresentando o B-Live, um sistema de dom´otica para pessoas com limita¸c˜oes funcionais, de baixo custo, descentralizado e que utiliza t´ecnicas de retrofitting. Foram des- critos a arquitectura do sistema, o protocolo de comunica¸c˜ao, a arquitectura do software e as m´ultiplas HMIs.

O barramento de comunica¸c˜ao que interliga os m´odulos do sistema ´e baseado numa solu¸c˜ao cablada. Nos cap´ıtulos seguintes ser˜ao discutidas alternativas a esta solu¸c˜ao, nomeadamente outras solu¸c˜oes cabladas (Power Line) e solu¸c˜oes sem fios (Bluetooth, Wi-Fi, Ultra Wide-Band e ZigBee).

Cap´ıtulo 5

An´alise de solu¸c˜oes de comunica¸c˜ao

alternativas

5.1

Introdu¸c˜ao

Neste cap´ıtulo ser´a efectuado um estudo sobre solu¸c˜oes alternativas ao barramento de co- munica¸c˜oes presente no sistema de dom´otica B-Live. Ser´a analisado o protocolo Power Line Communications que opera sobre a rede el´ectrica, nomeadamente a arquitectura protocolar, alguns protocolos que se baseiam neste meio de comunica¸c˜ao e os inconvenientes da utiliza¸c˜ao desta tecnologia. No final do cap´ıtulo ser´a efectuado um estudo comparativo entre solu¸c˜oes cabladas e solu¸c˜oes sem fios. Ser´a dada especial ˆenfase `a problem´atica da utiliza¸c˜ao das tecnologias sem fios.

5.2

Power Line Communications (PLC)

O termo Broadband over Power Lines (BPL), tamb´em conhecido como Power Line Commu- nications (PLC), ´e utilizado para descrever a utiliza¸c˜ao das linhas el´ectricas como o meio de suporte `as redes de comunica¸c˜ao de alta velocidade. A utiliza¸c˜ao das linhas el´ectricas nas comunica¸c˜oes, n˜ao ´e uma ideia recente. Tradicionalmente, o termo power-line carrier tem sido utilizado para referir a utiliza¸c˜ao das linhas el´ectricas como um meio de comunica¸c˜ao [17].

As companhias el´ectricas aplicaram tecnologias como Supervisory Control and Data Acqui- sition (SCADA) [18] nas linhas de corrente el´ectrica, de forma a enviar comandos de controlo para esta¸c˜oes remotas ou sub-esta¸c˜oes. Os respons´aveis pela manuten¸c˜ao das linhas el´ectricas utilizavam dispositivos de r´adio que serviam como meio de comunica¸c˜ao entre si. Nos edif´ıcios, h´a v´arios anos que existem sistemas de intercomunicador que fazem uso das linhas el´ectricas para proceder `a transmiss˜ao de dados ´audio. Nas residˆencias, existem sistemas que, quando aplicados `as tomadas, permitem efectuar um controlo on/off temporal dos dispositivos que se encontram ligados `a rede el´ectrica [19].

de modo a fornecer comunica¸c˜oes de banda larga de alto d´ebito. Para atingir este fim, a tecnologia BPL opera em frequˆencias mais elevadas que as comunica¸c˜oes PLC tradicionais (tipicamente entre os 2 e 80 MHz). A Federal Communications Commission (FCC) [20] considera a tecnologia BPL uma forma de fazer chegar as comunica¸c˜oes de banda larga `as zonas remotas/rurais, onde os custos de cria¸c˜ao de infraestruturas e instala¸c˜ao de liga¸c˜oes por cabo ou DSL s˜ao muito elevados. Entre 1996 e 2004 foram efectuados diversos estudos com o intuito de analisar as potencialidades da tecnologia BPL [21].

Reconhecendo o potencial da tecnologia BPL, em Julho de 2004, o IEEE come¸cou a tra- balhar na especifica¸c˜ao P1675 Standard for Broadband over Power Line Hardware [22]. O objectivo da especifica¸c˜ao era ”desenvolver um padr˜ao de instala¸c˜ao do hardware necess´ario nas linhas de distribui¸c˜ao”e ”definir as normas de seguran¸ca da instala¸c˜ao do equipamento BPL”. Em Julho de 2005, o IEEE iniciou o trabalho na especifica¸c˜ao P1901 Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifi- cation [23]. O objectivo desta especifica¸c˜ao era ”criar um canal BPL equilibrado e eficiente, cuja largura de banda e qualidade do servi¸co fosse a adequada para todos os utilizadores”.

5.2.1 Descri¸c˜ao geral

O mercado PLC pode ser dividido em dois segmentos: as comunica¸c˜oes de banda larga para as habita¸c˜oes - last mile (Figura 5.1 [24]) e as comunica¸c˜oes dentro das habita¸c˜oes - last inch (Figura 5.2 [24]).

Figura 5.1: Acesso da banda larga PLC

modems por cabo, xDSL (Digital Subscriber Lines) e comunica¸c˜oes sem fios de elevada largura de banda. Nesta perspectiva, a grande vantagem das comunica¸c˜oes PLC ´e a utiliza¸c˜ao dos cabos de corrente el´ectrica como meio de transmiss˜ao de dados. Como este meio j´a se encontra implantado, n˜ao ´e necess´ario criar infraestruturas alternativas, o que implica uma redu¸c˜ao de custos. Deste modo, este deve ser o meio preferencial para fornecer comunica¸c˜oes de largura de banda elevada em meios rurais ou remotos, onde o telefone e as liga¸c˜oes por cabo n˜ao existem.

Figura 5.2: Rede dom´otica PLC

O acesso last inch compreende um vasto conjunto de equipamentos el´ectricos conectados no interior das habita¸c˜oes por uma rede interna (in-home). Esta rede pode transformar todas as tomadas el´ectricas da habita¸c˜ao em liga¸c˜oes de banda larga para computadores pessoais, telefones e seus acess´orios, bem como para outros dispositivos electr´onicos.

Em Mar¸co de 2000, um grupo de empresas formou a alian¸ca HomePlug Powerline [25]. Na medida em que a maior parte dos dispositivos electr´onicos utilizam as tomadas el´ectricas para receber energia, o objectivo da alian¸ca foi criar uma forma de utilizar as mesmas tomadas e fios el´ectricos, para ligar os dispositivos entre si e a Internet. A alian¸ca atingiu este objectivo analisando diversas tecnologias, que culminou na cria¸c˜ao da especifica¸c˜ao HomePlug 1.0 em Junho de 2001.

5.2.2 Arquitectura

Um dos aspectos a ser considerado na tecnologia PLC ´e a diferente certifica¸c˜ao de acordo com a zona do Mundo onde a tecnologia ´e utilizada. Os aspectos mais importantes definidos pelas especifica¸c˜oes s˜ao a potˆencia m´axima de transmiss˜ao e a largura de banda permitida.

Estas restri¸c˜oes s˜ao impostas de forma a limitar a interferˆencia de outros servi¸cos de teleco- munica¸c˜oes e uma medida para, no futuro, evitar a contamina¸c˜ao do espectro de frequˆencias.

(a) (b)

Figura 5.3: Espectro de frequˆencias da tecnologia PLC

A especifica¸c˜ao Europeia CENELEC EN 50065-01 [26] define limita¸c˜oes muito rigorosas e uma largura de banda reduzida nas comunica¸c˜oes PLC. Na Europa, esta tecnologia apenas pode operar na banda do espectro de frequˆencias de 95 a 150 KHz (Figura 5.3 (a)) enquanto que no Norte da Am´erica o espectro ´e maior (540 KHz) (Figura 5.3 (b)).

Camada F´ısica (PHY)

V´arias t´ecnicas de modula¸c˜ao como Frequency Shift Keying (FSK), Code Division Multiple Access (CDMA) ou Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), foram propostas como esquemas de modula¸c˜ao apropriados para a tecnologia PLC. Em aplica¸c˜oes com baixas taxas de transmiss˜ao e baixo custo, como protec¸c˜ao das linhas el´ectricas ou telemetria, a modula¸c˜ao FSK ´e vista como uma boa solu¸c˜ao. Para taxas de transmiss˜ao na ordem de 1 Mbps, a t´ecnica CDMA ´e uma solu¸c˜ao eficiente. No entanto, para elevadas taxas de trans- miss˜ao, a modula¸c˜ao mais adequada ´e a OFMD, na medida em que esta t´ecnica elimina alguns problemas presentes nas outras modula¸c˜oes (Intersysmbol Interference (ISI) e Fading [24]).

Camada de Controlo de Acesso ao Meio (MAC)

V´arios protocolos de controlo de acesso ao meio tˆem sido propostos para a tecnologia PLC: Carrier Sense Multiple Access (CSMA), Collision Detection (CSMA/CD) e Collision Avoi- dance (CSMA/CA).

As principais vantagens do protocolo CSMA s˜ao o baixo custo de implementa¸c˜ao e a eficiˆencia na transmiss˜ao de tr´afego de baixa/m´edia carga. No entanto, para cargas mais elevadas, este protocolo n˜ao ´e o mais eficiente. Uma solu¸c˜ao melhor seria a utiliza¸c˜ao do pro- tocolo CSMA/CD. Neste protocolo, depois de uma transmiss˜ao, o canal ´e escutado de forma a verificar se ocorreu alguma colis˜ao. Caso tenha ocorrido, aguarda-se um determinado tempo at´e se proceder `a retransmiss˜ao da informa¸c˜ao. Na tecnologia PLC, a grande varia¸c˜ao do sinal recebido e os n´ıveis de ru´ıdo tornam a utiliza¸c˜ao deste protocolo dif´ıcil e pouco fi´avel. Uma alternativa ao m´etodo anterior ´e a utiliza¸c˜ao do protocolo CSMA/CA. Neste m´etodo, antes de ser efectuada uma transmiss˜ao, cada n´o sinaliza aos restantes a sua inten¸c˜ao de iniciar uma transmiss˜ao. Embora este m´etodo necessite de um overhead superior, globalmente, as taxas de transmiss˜ao s˜ao superiores na medida em que s˜ao necess´arias menos retransmiss˜oes. O pro-

tocolo CSMA/CA foi o escolhido pela alian¸ca HomePlug [25] na especifica¸c˜ao da tecnologia PLC, nas redes formadas pelas linhas el´ectricas dentro das habita¸c˜oes.

5.2.3 Protocolos

A tecnologia PLC ´e estudada h´a v´arios anos, de forma a ser predominantemente utilizada em ambientes de comunica¸c˜oes, que utilizem transmiss˜oes de altas frequˆencias. O desen- volvimento de v´arios protocolos PLC, nomeadamente o X-10 [27] e das vers˜oes PLC dos protocolos CEBus [28] e LonWorks [29], tem mantido e por vezes mesmo renovado o interesse nesta mat´eria [30].

Nesta sec¸c˜ao ser´a efectuada uma breve descri¸c˜ao de cada um dos protocolos PLC referidos anteriormente.

X-10

A tecnologia X-10 ´e um dos protocolos PLC mais antigos. Apesar de originalmente ter sido desenvolvida para comunica¸c˜oes unidireccionais, estudos recentes permitem que os disposi- tivos X-10 suportem comunica¸c˜oes bidireccionais. Os controladores X-10 transmitem dados sobre a corrente el´ectrica para receptores que permitem o controlo de lˆampadas e outros dispositivos. Alguns controladores dispon´ıveis actualmente implementam gateways entre a tecnologia PLC e outros meios de comunica¸c˜ao, como RF e IrDA.

Esta tecnologia utiliza a modula¸c˜ao Amplitude-Shift Keying (ASK). Uma portadora AM de 120 KHz com uma potˆencia de sinal de 0.5 Watts ´e aplicada `a corrente el´ectrica nas passagens por zero de forma a diminuir a interferˆencia gerada pelo ru´ıdo el´ectrico. De modo a reduzir a perda de informa¸c˜ao, cada bit ´e enviado duas vezes. Assim, ´e necess´ario um ciclo completo da rede para proceder `a transferˆencia de cada bit. Por este motivo, a taxa de transmiss˜ao m´axima ´e de 60 bps numa linha de 60 Hz.

A reduzida largura de banda e elevada taxa de erros em ambientes com muito ru´ıdo limitam as aplica¸c˜oes desta tecnologia.

CEBus

O protocolo CEBus utiliza um modelo de comunica¸c˜oes peer-to-peer de modo a permitir que qualquer m´odulo possa transmitir informa¸c˜ao quando necess´ario. Para evitar as colis˜oes dos dados enviados, esta tecnologia utiliza o protocolo Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection and Collision Resolution (CSMA/CDCR). Este protocolo de Controlo de Acesso ao Meio (MAC) consiste em aguardar que o meio esteja livre antes de proceder `a transmiss˜ao de dados. O objectivo ´e assegurar que o m´aximo de n´os consigam aceder ao meio sem a ocorrˆencia de interferˆencias.

A camada f´ısica do protocolo (PHY) baseia-se na tecnologia spread spectrum. No entanto, ao contr´ario das t´ecnicas convencionais (frequency hoping e direct sequence spreading), a frequˆencia da portadora de sinal do CEBus, durante uma transmiss˜ao, varia dentro de uma gama de 360 valores digitais. Desta forma s˜ao atingidas taxas de transmiss˜ao da ordem de 10 Kbps.

LonWorks

O protocolo LonWorks foi desenvolvido pela Echelon Corporation. Neste protocolo, as co- munica¸c˜oes s˜ao efectuadas peer-to-peer. De modo a permitir que todos os m´odulos possam transmitir dados e para evitar as colis˜oes, s˜ao implementadas t´ecnicas de Carrier Sense Mul- tiple Access (CSMA).

Ao contr´ario do protocolo CEBus, o LonWorks utiliza uma modula¸c˜ao Binary Phase Shift Keying (BPSK) numa gama restrita de frequˆencias (125-140KHz). As taxas de transmiss˜ao m´aximas variam entre 4 e 5.5 Kbps.

Ao utilizar uma gama reduzida de frequˆencias, o protocolo LonWorks apresenta duas vantagens face aos outros protocolos: pode ser utilizado globalmente, porque a banda de frequˆencias em que opera ´e suportada pelos organismos reguladores, e est´a menos sujeito `as interferˆencias provocados pelo ru´ıdo.

5.2.4 Inconvenientes da tecnologia PLC

Dado que o sinal PLC ´e transmitido sobre os fios de cobre (ou alum´ınio) das redes de distri- bui¸c˜ao de baixa e m´edia tens˜ao, existem diversos factores que tornam este processo compli- cado:

ˆ As caracter´ısticas topol´ogicas das linhas de distribui¸c˜ao de energia el´ectrica (linhas abertas, caracter´ısticas n˜ao lineares, existˆencia de deriva¸c˜oes e transformadores ao longo de toda a linha, etc.).

ˆ Existˆencia de ru´ıdos e interferˆencias n˜ao previs´ıveis, causadas pela abertura/fecho de circuitos, aparelhos conectados `as tomadas, etc.

ˆ Problemas de seguran¸ca de dados, devido `a partilha dos mesmos circuitos entre diversos consumidores.

ˆ Irradia¸c˜ao das frequˆencias transmitidas em linhas abertas, sem nenhum tipo de iso- lamento, com enorme potencial de interferˆencia com sistemas que operam na mesma banda de frequˆencias, licenciadas ou n˜ao.

Em aplica¸c˜oes de dom´otica, nomeadamente a utiliza¸c˜ao de sensores (p.ex. presen¸ca, tem- peratura, humidade, luminosidade, etc.), o uso da tecnologia PLC como meio de comunica¸c˜ao tem como inconveniente a troca de informa¸c˜ao estar dependente da existˆencia das linhas el´ectricas. Por este motivo, n˜ao ´e poss´ıvel proceder `a instala¸c˜ao de sensores em zonas sem alimenta¸c˜ao el´ectrica.