Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Patrício Rafael Gomes Teixeira
Aplicação de Comunicações Sem Fio em
Ambiente Industrial e Doméstico
Tese de Mestrado
Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e
Computadores
Trabalho realizado sob a orientação cientifica do
Professor Doutor José A. Mendes
Professor Auxiliar do Departamento de Electrónica
Industrial da Universidade do Minho
"A vida sem ciência é uma espécie de morte."
(Sócrates)
Agradecimentos
Ao longo destes cinco anos de universidade que culminaram com este projecto, várias pessoas contribuíram para que fosse possível que este objectivo fosse realizado.
Quero agradecer aos meus pais e irmãos António Teixeira da Silva, Maria Amélia da Silva Gomes, Rui Sérgio Gomes Teixeira e Nuno Filipe Gomes Teixeira, todo o apoio que me deram ao longo destes anos de estudante.
Quero agradecer a todos os meus familiares e amigos que sempre me apoiaram ao longo destes últimos anos, em todos os momentos delicados que foram “escalados” na minha vida.
Ao meu grande amigo Professor Carlos Pereira que foi o orientador do meu percurso escolar.
A todos os meus amigos que me acompanharam ao longo destes anos de universidade, que estiveram ao meu lado nos bons e maus momentos.
Aos meus colegas que trabalharam comigo na IVV – automação, em especial ao Nuno Brito que trabalhou comigo no projecto.
Ao meu orientador, Doutor José A. Mendes, pelo apoio prestado na elaboração deste projecto.
Resumo
Aplicação de Comunicações Sem Fio em Ambiente Industrial
e Doméstico
As redes de comunicação sem fios têm evoluído no sentido de substituírem as tradicionais redes em que o meio físico de propagação são cabos metálicos.
Ao longo dos últimos anos foram desenvolvidas tecnologias de rádio frequência que proporcionaram o aparecimento de protocolos de comunicação sem fios que se tornaram uma alternativa fiável aos tradicionais sistemas de comunicação com fios.
No presente trabalho pretende-se substituir as tradicionais redes com fios por uma rede sem fios em dois tipos de ambientes distintos, doméstico e industrial.
Para efectuar este trabalho foi necessário escolher o protocolo que se adequava ao projecto, bem como o dispositivo de comunicação do respectivo protocolo de comunicação seleccionado.
Para o ambiente doméstico foi desenvolvida uma estação meteorológica que pode comunicar através de rádio frequência ou por um dos tradicionais protocolos com fios. É um dos dispositivos dum sistema de domótica, no qual os restantes módulos do sistema também comunicam via rádio frequência.
Para o ambiente industrial foi desenvolvido um sistema de controlo de válvulas sanitárias para a indústria cervejeira, no âmbito de um projecto europeu “Research for SMEs: Project Hydract – Low-Energy Hydraulic Actuator for Valves in the Brewing, Dairy and Pharmaceutical Industries”, no qual as comunicações entre os diversos módulos do sistema são efectuadas por rádio frequência.
Abstract
Wireless Communication Applications in Industrial and
Domestic Environment
Wireless communications have been growing in a continuous and sustainable way allowing the replacement of wires in many situations.
The recent developments of new technologies in the field of radio communication in small devices together with the development of new robust communication protocols opened a reliable alternative to wired communications.
In this project, several options for wired communication replacement were studied and new solutions were devised both for industrial and domestic environment.
In the case of the domestic application, it was developed a weather station for integration in a home automation system that can communicate wirelessly using Zigbee protocol.
Regarding the industrial application, it was developed a wireless control system for sanitary valves for the beer industry, according to a European project “Research for SMEs: Project Hydract – Low-Energy Hydraulic Actuator for Valves in the Brewing, Dairy and Pharmaceutical Industries”.
Índice
Lista de Abreviaturas e Siglas ... x
Lista de Figuras ... xii
Lista de Tabelas ... xv
Capítulo 1 - Introdução ... 1
1.1- Introdução ... 1
1.2 - Objectivos do trabalho ... 1
1.3 - Estrutura do trabalho ... 3
Capítulo 2 - Estado da Arte ... 6
2.1 - Introdução ... 6
2.2 - Redes Sem fios ... 6
2.3 - Comparação das diferentes tecnologias sem fios ... 8
2.4 - Protocolo ZigBee ... 9
2.4.1 - Topologias de rede ... 10
2.4.2 - Aspectos técnicos ... 12
2.4.3 - Arquitectura do protocolo ZigBee ... 13
2.5 - Controlador de válvulas sanitárias da Alfa Laval ... 15
2.6 - Sistemas de domótica ... 16
2.7 - Conclusões ... 17
Capítulo 3 - Arquitectura de comunicação ... 18
3.1 - Introdução ao módulo de comunicação XBee ... 18
3.2 - Ligação do módulo XBee com o microcontrolador ... 20
3.3- Modos de funcionamento ... 21
3.3.1 - Modo transparente ... 21
3.3.2 - Modo API ... 22
3.4 - Framework para utilização da API do XBee ... 28
4.1 - Introdução ... 38
4.2 - Hardware da estação meteorológica ... 39
4.2.1 - Sensor de temperatura e humidade SHT11 ... 39
4.2.2 - Sensor de temperatura LM75 ... 42
4.2.3 - Sensor de efeito de Hall ... 45
4.2.4 - Sensor de luminosidade ... 47 4.2.5 - Sensor de chuva ... 49 4.2.6 - Fonte de alimentação ... 54 4.2.7 - Microcontrolador ... 55 4.2.8 - Controlador CAN ... 55 4.3-Software ... 56 4.3.1 - Software do microcontrolador ... 56
4.3.2 - Software para computador ... 58
4.4 - Conclusões ... 59
Capítulo 5 - Aplicação do ZigBee em ambiente industrial ... 60
5.1 - Introdução ... 60
5.2 - Módulo Sensor ... 62
5.2.1 - Hardware do módulo do sensor ... 63
5.3 - Módulo GATEWAY... 74
5.4 - Módulo Actuador ... 75
5.5 - Emparelhamento entre sensor e actuador ... 76
5.6 - Controlo do sistema através do computador ... 80
5.7 - Conclusões ... 86
Capítulo 6 - Conclusões e Trabalho Futuro ... 87
6.1 - Conclusões ... 87
6-2 - Trabalho Futuro ... 89
Anexos I – Estação meteorológica ... 92
Anexos II – Módulo do sensor ... 97
Lista de Abreviaturas e Siglas
ADC - Analog To Digital ConverterCAN - Controller Area Network
RS-232 - Recommended Standard 232 RS-485 - Recommended Standard 485 PCB - Printed Circuit Board
PC - Personal Computer
EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read Only Memory RAM - Random Access Memory
LED - Light Emitting Diode CC - Corrente Contínua V - Volt
Hz - Hertz
TWI - Two Wire Interface I2C - Inter Integrated Circuit W - Watt
uC - Microcontrolador Tx - Transmissão Rx – Recepção
FIFO - First Input Fisrt Output FFD - Full Function Device RFD - Reduced Function Device
IEEE - Instituto de Engenheiros Electricistas e Electrónicos WPAN - Wireless Personal Area Network
WLAN - Wireless Local Area Network LAN - Local Area Network
WMAN - Wireless Metropolitan Area Network bps - bits por segundo
PLC - Programmable Logic Controller NTC - Negative Temperature Coefficient API - Application Programming Interface MAC - Media Access Control
CSMA-CA - Carrier sense multiple access with collision avoidance ISM – Industrial Scientifical and Medical
Lista de Figuras
Figura 1-Imagem da estação meteorológica ... 2
Figura 2-Esquema de princípio do sistema de controlo de válvulas sanitárias ... 3
Figura 3-Esquema de princípio da estação meteorológica ... 4
Figura 4-Esquema de princípio do módulo do sensor ... 5
Figura 5- Logótipos das tecnologias sem fios Wi-Fi, Bluetooth e ZigBee [7] ... 8
Figura 6-Topologia de rede em estrela [9] ... 10
Figura 7-Topologia de rede em malha [9] ... 11
Figura 8- Topologia de rede em árvore [9] ... 11
Figura 9- Bandas de frequência de operação [10] ... 12
Figura 10- Camadas da arquitectura protocolar do ZigBee [9] ... 13
Figura 11- Arquitectura do protocolo ZigBee [9] ... 14
Figura 12- Sistema de controlo de válvulas da Alfa Laval [11] ... 15
Figura 13-Imagem frontal dos módulos XBee e XBee-Pro [13] ... 18
Figura 14-Esquema de ligação entre o módulo XBee e o microcontrolador ... 20
Figura 15- Diagrama do fluxo internos dos dados [13] ... 22
Figura 16-Frame de dado padrão RS-232 de 8 bits [13] ... 22
Figura 17-Estrutura de uma frame do modo API[12] ... 23
Figura 18-Estrutura da frame de estado [12] ... 24
Figura 19-Estrutura da frame de comando AT [12] ... 24
Figura 20-Estrutura da frame de configuração de comando AT ... 24
Figura 21-Frame de resposta de comando AT [12] ... 25
Figura 22-Estrutura da frame de configuração remota de comando AT [12] ... 25
Figura 23-Estrutura da frame de resposta de configuração de comando AT [12] ... 26
Figura 24-Estrutura da frame de transmissão [12] ... 26
Figura 25-Estrutura da frame de confirmação da transmissão [12] ... 27
Figura 26-Estrutura da frame de dados ... 27
Figura 27-Arquitectura de comunicação ... 28
Figura 28-Arquitectura de recepção ... 29
Figura 29-Arquitectura de transmissão ... 29
Figura 30-Funcionamento da fila ... 30
Figura 31- Algoritmo de recepção das frames ... 32
Figura 32- Algoritmo de processamento de frames... 34
Figura 33- Algoritmo da função que provoca o desencadear da transmissão dos dados ... 35
Figura 34- Fluxograma que está na rotina de transmissão de dados ... 36
Figura 35-Fluxograma que está na rotina de interrupção externa ... 36
Figura 43- Imagem do LM75 [17] ... 42
Figura 44-Esquema de ligação do LM75 ... 42
Figura 45- Barramento I2C [19] ... 43
Figura 46- Esquema de comunicação no I2C [19] ... 43
Figura 47- Registo do endereço [18] ... 44
Figura 48- Registo da temperatura do LM75 [18] ... 44
Figura 49- Sensor de efeito Hall [21] ... 45
Figura 50- Íman do eixo de rotação ... 45
Figura 51- Esquema de ligação do sensor de hall ... 46
Figura 52- Sensor de luz GA1A2S100SS ... 47
Figura 53- Gráfico do sensor de luz 0 ... 47
Figura 54- Ligação do sensor de luminosidade ... 48
Figura 55-Imagem do sensor de chuva [23] ... 49
Figura 56-Controlo do filamento resistivo ... 49
Figura 57-Circuito da NTC... 50
Figura 58- Controlo em malha fechada [24] ... 51
Figura 59- Histerese [24] ... 51
Figura 60- Gráfico da temperatura controlada pelo controlador ON-OFF ... 52
Figura 61- Circuito gerador de onda quadrada ... 53
Figura 62- Sinal que o microcontrolador recebe quando não há ocorrência de chuva ... 53
Figura 63- Sinal que o microcontrolador recebe quando há ocorrência de chuva ... 54
Figura 64- Circuito da fonte de alimentação ... 54
Figura 65- Circuito de alimentação do microcontrolador ... 55
Figura 66- Circuito do controlador CAN ... 55
Figura 67- Diagrama de blocos do software da estação meteorológica ... 56
Figura 68 - Fluxograma do software da estação meteorológica ... 57
Figura 69- Separador de visualização das grandezas físicas ... 58
Figura 70- Separador de visualização dos eventos ... 58
Figura 71- Diagrama de blocos do sistema de controlo de válvulas sanitárias... 61
Figura 72 - Diagrama de blocos do módulo do sensor ... 62
Figura 73 - Circuito da fonte de alimentação do módulo do sensor ... 63
Figura 74- Circuito de alimentação do microcontrolador ... 64
Figura 75- Imagem do sensor de deslocamento Balluff [27] ... 65
Figura 76- Imagem da válvula sanitária com o sensor de deslocamento Balluff [27] ... 65
Figura 77- Curva característica do sensor de deslocamento Balluff [27] ... 66
Figura 78-Esquema de ligação das entradas digitas com o microcontrolador ... 67
Figura 79-Esquema de ligação dos interruptores com microcontrolador ... 67
Figura 80- Esquema de ligação dos relés de estado sólido e o microcontrolador ... 68
Figura 81-Esquema de ligação dos leds com o microcontrolador ... 68
Figura 82- Bounce provocado pelo premir de um botão [29] ... 69
Figura 83-Tipos de comandos ... 70
Figura 84- Resultado do algoritmo de verificar o tipo de comando ... 70
Figura 85- Algoritmo de verificação do estado da válvula ... 72
Figura 88- Módulo actuador ... 75
Figura 89-Protocolo de emparelhamento ... 76
Figura 90- Emparelhamentos críticos ... 78
Figura 91- Protocolo de emparelhamento crítico ... 79
Figura 92- Imagem do software da tab de controlo e monitorização das válvulas ... 80
Figura 93- Protocolo de transferência de dados do gateway para o PC ... 81
Figura 94- Controlo das válvulas a partir do PC ... 81
Figura 95- Imagem do software da tab "Diagnostic" ... 82
Figura 96- Posição da válvula fechada e aberta ... 83
Figura 97 – Protocolo de calibração ... 83
Figura 98-Imagem do software da tab "Network ZigBee" ... 84
Lista de Tabelas
Tabela 1- Comparação das tecnologias de comunicação sem fios Wi-Fi, Bluetooth e ZigBee ... 8
Tabela 2- Especificações dos módulos XBee ZNet 2.5 e XBee PRO ZNET 2.5 [13] ... 19
Tabela 3- Nome das frames da API e o respectivo valor de identificação [12] ... 33
Tabela 4- Tabela de comandos do SHT11 [15] ... 41
Tabela 5- Características do microcontrolador [26]... 64
Tabela 6- Informação dos leds sobre o modo de funcionamento do módulo do sensor e o estado da válvula ... 71
Capítulo 1 - Introdução
1.1 - Introdução
As redes sem fios caracterizam todo o tipo de ligação que efectuam a transmissão de informação sem recurso a fios ou cabos.
Numa rede sem fios estão ligados entre si diversos sistemas por tecnologia de rádio frequência através do ar. As redes sem fios estão em contínuo crescimento devido à sua facilidade de instalação e de utilização.
Este tipo de redes são uma alternativa às convencionais com fio, têm a mesma funcionalidade, mas são muito mais flexíveis, permitindo a alteração da disposição física dos dispositivos sem que haja necessidade de colocar novos cabos para que a rede chegue ao local pretendido, podendo os dispositivos ser colocados de forma mais conveniente. As redes sem fios caracterizam-se por serem facilmente configuráveis.
Actualmente existem diversas tecnologias de redes sem fio, como o Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee. Cada uma destas tecnologias tem as suas características: o alcance máximo, taxa de transmissão, número de dispositivos que cada tipo de rede pode ter ligado, bem como o consumo dos dispositivos. As características de cada tecnologia, dita qual delas se adequa melhor ao tipo de rede que se pretende construir.
1.2 - Objectivos do trabalho
Este trabalho tem como objectivo substituir as convencionais redes de comunicação com fio, por uma rede sem fios em dois tipos de ambiente distintos, o ambiente industrial e doméstico.
Na domótica os sistemas de comunicação utilizam fios para efectuar as comunicações entre dispositivos. Estes efectuam o controlo da casa forma a poderem dar mais comodidade aos moradores. O projecto da domótica consiste em substituir as tradicionais redes com fios
O projecto apresentado nesta dissertação consiste na concepção e desenvolvimento de uma estação meteorológica sem fios que está representada na Figura 1.
Figura 1-Imagem da estação meteorológica
Este módulo tem como objectivo a medição das seguintes grandezas físicas:
Temperatura
Humidade
Luminosidade
Velocidade do vento
Ocorrência de chuva
Nos ambientes industriais as redes de comunicação na sua generalidade são com fios, existindo ainda uma grande resistência na utilização de redes sem fios nos sistemas de automação industrial.
O projecto consiste num sistema de controlo de válvulas sanitárias para a indústria cervejeira, no âmbito de um projecto Europeu “Research for SMEs: Project Hydract – Low-Energy Hydraulic Actuator for Valves in the Brewing, Dairy and Pharmaceutical Industries”. O facto das comunicações serem efectuadas sem fios, permitirá uma maior flexibilidade na organização e instalação dos diversos sistemas na fábrica.
O sistema é constituído por um módulo que faz actuar a válvula e um outro módulo que monitoriza o estado da válvula e recebe os comandos de controlo que por sua vez são enviados para o módulo actuador, para este fazer actuar a válvula. O sistema pode ser controlado através de um computador central, onde além de controlar as válvulas poderá monitorizar o estado destas, bem como registar todas as ocorrência de actuação e posicionamento das válvulas que estão a ser controladas e monitorizas por este.
Figura 2-Esquema de princípio do sistema de controlo de válvulas sanitárias
1.3 - Estrutura do trabalho
Para construir uma estação meteorológica é necessário seleccionar os sensores que se adequam às necessidades do projecto, para poder efectuar as medidas de grandezas físicas como a temperatura, humidade, velocidade do vento, quantidade de luz e a ocorrência de chuva. Todos estes sensores estão ligados a um microcontrolador, que se encarrega de receber a informação, processá-la e enviar os dados para a central de controlo da casa.
Figura 3-Esquema de princípio da estação meteorológica
Na Figura 3 está representado o esquema de princípio da estação meteorológica a qual é constituída por: um sensor que mede temperatura e humidade; um sensor de temperatura; sensor de luminosidade; sensor de chuva; sensor de efeito de hall que serve para medir a velocidade do vento. O microcontrolador recebe a informação dos sensores através de comunicação série, nos casos do sensor de temperatura e do sensor de temperatura e humidade. Através de um dos canais de ADC é lida a quantidade de luz existente no ambiente. A leitura da velocidade do vento será efectuada pelo sensor de efeito de hall que está ligado a uma interrupção externa do uC, onde o cata-vento desencadeia uma interrupção no microcontrolador, sempre que dá uma volta. As comunicações com o exterior serão feitas através da tecnologia sem fios ou através de fios. Todos estes sensores serão acomodados num único PCB.
O esquema do sistema de controlo de válvulas está representado na Figura 4, e é constituído por diversos módulos: actuador, gateway e sensor. A este último será dado mais destaque no desenvolvimento do software e hardware, enquanto os restantes serão abordados apenas em termos de software. Para poder controlar e monitorizar o sistema de válvulas através de um computador central foi desenvolvido um software na linguagem de programação C#. Para que todo este sistema funcione correctamente, foi necessário construir um protocolo para que todos os módulos se comuniquem e executem as tarefas que lhe forem destinadas.
Capítulo 2 - Estado da Arte
2.1 - Introdução
As comunicações num futuro próximo serão efectuadas em fibras ópticas e por comunicações sem fio, onde os cabos metálicos serão eliminados de uma forma gradual.
A necessidade de ter grandes taxas de transmissão, de modo a ter o máximo de dados transferidos num período de tempo está a fazer com que se desenvolvam diversas tecnologias que satisfaçam as necessidades de uma sociedade dependente de informação.
A proliferação de tecnologias de rede sem fios de diversos tipos de plataforma apoiadas nas normas IEEE 802 está em grande expansão, visto que estas apresentam vantagens como a rapidez, facilidade na montagem da rede, grande flexibilidade na disposição dos dispositivos da rede e eliminação dos cabos metálicos [1].
2.2 - Redes Sem fios
Com o avanço tecnológico foi possível a criação de vários protocolos, onde estes estavam vocacionados para a transmissão de voz e dados onde são necessárias taxas de transmissão elevadas. Os preços destes equipamentos eram elevados, o que ditou que não fosse um sucesso comercial.
O desenvolvimento de protocolos de comunicações sem fios com média e alta taxa de transmissão como o BLUETOOTH e o Wi-Fi cobrem necessidades específicas para determinadas aplicações, surgindo a necessidade de criar um protocolo para sistemas de controlo e actuação, onde as taxas de transmissão não tivessem de ser elevadas [2].
Para as redes de comunicação industrial e de sistemas de domótica, onde o tipo de informação que é transmitida serve para monitorizar o estado de sensores e efectuar o controlo de dispositivos, as comunicações não têm de ter taxas de alto débito, sendo a maior preocupação o consumo de energia destes dispositivos já que muitos sistemas são alimentados a bateria, aumentando o tempo de vida da mesma. O protocolo ZigBee nasceu para colmatar a necessidade de ter um sistema de comunicação que consumisse pouca energia mas com elevada fiabilidade [3].
O grupo de trabalho dos onze do IEEE, como responsáveis pelas normas 802.11 considera que existem quatro grandes grupos de redes sem fios:
WPAN - São redes que ligam dispositivos de comunicação onde as distâncias são relativamente curtas, onde os dados são transmitidos via rádio frequência. A ligação de um periférico a um computador é um exemplo deste tipo de rede. Esta resulta da necessidade de substituir os cabos de curta distância por sistema de transmissão sem fios mas que permita a rapidez e fiabilidade da transmissão. O alcance é reduzido e não vai além dos dez metros e os dispositivos devem estar em linha de vista [4].
WLAN - É sistema de comunicações sem fios que utiliza as mais recentes tecnologias de rádio frequência, sendo utilizada para ligar o utilizador a uma rede LAN. Este tipo de rede tem um alcance que vai dos cem metros a trezentos metros [5].
WMAN - O objectivo deste tipo de redes é interligar várias LAN geograficamente próximas, cujo seu alcance máximo pode ir até algumas dezenas de quilómetros e com taxas de transmissão elevadas[6].
WWAN - Este é o grupo mais amplo em termos de alcance, sendo usado em sistemas de telecomunicações para distâncias de transmissão elevadas[7].
2.3 - Comparação das diferentes tecnologias sem fios
Figura 5- Logótipos das tecnologias sem fios Wi-Fi, Bluetooth e ZigBee [7]
Tabela 1- Comparação das tecnologias de comunicação sem fios Wi-Fi, Bluetooth e ZigBee
Através da Tabela 1 podemos observar algumas das características dos protocolos Wi-Fi, Bluetooth e ZigBee.
O Wi-Fi é um protocolo cujas aplicações requerem taxas de transmissão elevadas, para efectuar transferências de ficheiros, ter acesso a conteúdos multimédia e ligação à internet. A sua pilha protocolar é bastante exigente com um tamanho elevado. O seu consumo é o mais elevado dos protocolos analisados.
O Bluetooth é uma tecnologia que serve sobretudo para ligar um computador e os seus periféricos onde a taxa de transmissão é média, permitindo gastar menos energia que o Wi-Fi.
O protocolo ZigBee é o que apresenta uma taxa de transmissão mais reduzida em relação aos outros apresentados, mas o seu consumo é muito baixo, sendo o adequado para sistemas de controlo e automação.
2.4 - Protocolo ZigBee
Nos últimos anos as redes sem fios têm tido uma grande evolução com o aparecimento de novos protocolos para aplicações distintas.
O protocolo ZigBee que apareceu oficialmente no ano de 2005 tem como entidade responsável a ZigBee Alliance. Esta empresa é uma aliança de mais de duzentas empresas de diversos continentes [7].
Antes do aparecimento do protocolo ZigBee não havia nenhum que fosse uniformizado especialmente para sistemas de monitorização e controlo.
Com aplicações em sistemas de automação industrial e doméstica, este apresenta características importantes para a sua área de aplicação como:
Baixo consumo de energia;
Pilha protocolar pequena, de fácil introdução num microcontrolador;
Suporta um elevado número de nós (pode suportar teoricamente até 65535);
Podem ser criadas diferentes tipos de redes (malha, arvore, estrela);
Elevada segurança com um sistema de encriptação de 128 bits;
O tempo de ligação de um dispositivo à rede é muito mais reduzido que nos protocolo Wi-Fi e Bluetooth;
O tempo de passagem para o modo de standby é muito reduzido
Elevada fiabilidade;
Tem três tipos de dispositivos na rede: coordenador, router e endpoint;
Suporta duas classes de dispositivos físicos, podendo estar ambos na mesma rede: o Full Function Device (FFD)
Estes dispositivos podem ser coordenador, router ou endpoint e estão ligados permanentemente, consumindo mais energia, podendo comunicar com qualquer dispositivo da rede.
o Reduced Function Device (RFD)
Estes dispositivos são os endpoint, não estão ligados permanentemente, consumindo menos energia, mas só podem comunicar com os dispositivos FFD
2.4.1 - Topologias de rede
Numa rede ZigBee podem ser implementadas vários tipos de rede, não havendo uma topologia predetermina, nem o controlo dos dados tem de passar obrigatoriamente pelo coordenador. Apesar desta característica dinâmica a composição da rede cabe ao coordenador.
Numa rede ZigBee existem três tipos de dispositivos, cada um desempenhando uma tarefa diferente na rede:
Coordenador: É um dispositivo FFD, que é responsável pelo iniciar da rede, atribuição de endereços, manutenção da rede e reconhecimentos dos nós, podendo fazer de ligação entre outras redes ZigBee.
Router: É um dispositivo FFD, tratando-se de um nó na rede que tem a função de encaminhar os dados entre nós, sem necessitar do coordenador. O router permite a expansão da rede e pode servir como amplificador de sinal.
Endpoint: Pode ser um dispositivo FFD ou RFD e é o nó que consome menos energia da rede visto que a maior parte do tempo está a dormir.
Estrela (Star)
O módulo coordenador tem como função o controlo da rede, estando no ponto central da rede e rodeado por dispositivos Endpoint. É o coordenador que inicia a rede e mantém os dispositivos na rede. Os dados passam sempre pelo coordenador. Este tipo de rede é usada em espaços abertos onde não existam obstáculos que dificultem a transmissão de dados.
Malha (Mesh)
Nesta topologia os dispositivos FFD (Coordenador de router) podem comunicar entre si sem qualquer tipo de restrição. Este facto permite que uma rede seja facilmente expansível. A rede nesta topologia tem a capacidade de se ajustar para poder optimizar o tráfego de dados, tendo vários caminhos possíveis para chegar ao destino.
Figura 7-Topologia de rede em malha [9]
Árvore (Tree)
Esta topologia funciona de uma forma muito idêntica à de malha, mas tem uma hierarquia maior, tendo o coordenador um papel central na troca de informação entre o Endpoint e os nós router.
2.4.2 - Aspectos técnicos
A tecnologia ZigBee opera em três bandas de rádio frequência, sendo conhecidas como ISM e estas são isentas de licenciamento.
A nível mundial a banda de operação é os 2,4GHz, nos Estados Unidos a banda de operação é os 915MHz e na Europa os 868MHz.
Para cada uma das bandas de operação a taxa de transmissão difere e o número de canais também. Na banda 2.4GHz a taxa de transmissão pode chegar aos 250kbps e tem dezasseis canais de operação. Para banda de 915MHz a taxa de transmissão é de 40kbps e tem dez canais de operação. Por fim a banda de 868MHz tem apenas um canal e a taxa de débito é de 20kbps.
A modulação utilizada para a banda dos 2.4GHz é O-QPSK e para as bandas dos 915MHz e 868MHz é o BPSK [10].
2.4.3 - Arquitectura do protocolo ZigBee
A arquitectura do protocolo ZigBee é composta por diversas camadas, cada uma delas fornecendo funcionalidades às camadas que lhe estão superiormente.
Este modelo é baseado no OSI, que tem sete camadas. Na arquitectura protocolar ZigBee estão apenas definidas as camadas no qual existe o interesse para que sejam efectuadas as funcionalidades desejadas. Na Figura 10 podem ser vistas a camadas do protocolo ZigBee.
Figura 10- Camadas da arquitectura protocolar do ZigBee [9]
As duas camadas mais inferiores, a camada física (PHY Layer) e a camada de controlo de acesso ao meio (MAC layer), estão definidas pela norma IEEE 802.15.14.
Em cima destas camadas está definido o protocolo ZigBee onde se define as camadas de rede (NWK Layer) e a camada de aplicação (APL Layer) e por fim a camada que define o perfil do dispositivo (Device Profile).
A camada física é responsável pela transmissão e recepção dos dados através de um canal físico de rádio frequência. Esta camada permite detectar a quantidade de energia das comunicações bem como a indicação da qualidade de transmissão e recepção, cabendo a esta
A camada MAC tem como objectivo o controlo de acesso aos canais de RF e para isso utiliza mecanismos de prevenção de colisões CSMA-CA, tendo que comunicar com a camada inferior. Especifica os tipos de dispositivos que permite na rede e define o tipo de tramas.
A camada NWK é a primeira camada definida pelo protocolo ZigBee, tendo que efectuar o início e o fim da ligação de um dispositivo à rede. Tem também a responsabilidade de descobrir mais dispositivos e armazenar a informação destes, atribuindo um endereço caso seja um coordenador. A descoberta de rotas e encaminhamento dos pacotes é uma das suas tarefas. A camada de aplicação pretende assegurar uma boa gestão dos recursos, de modo que as aplicações que sejam criadas funcionem de uma forma correcta.
Para uma análise mais detalhada do protocolo ZigBee está representado o esquema da arquitectura na Figura 11.
2.5 - Controlador de válvulas sanitárias da Alfa Laval
O sistema ThinkTop® que está representado na Figura 12 permite efectuar o controlo das válvulas sanitárias, sendo fabricado pela Alfa Laval. É compatível com os principais sistemas de PLC, e a comunicação é efectuada através de fios pelo sistema AS-interface. Este sistema de controlo de válvulas tem aplicação na indústria alimentícia especialmente para produtos lácteos e da cervejaria.
O ThinkTop® é uma cabeça de controlo que tem uma unidade de indicação e permite efectuar o controlo das válvulas. É usado para controlar e supervisionar válvulas pneumáticas e é montado no topo da válvula. Recebe os sinais de uma PLC para controlar a válvula e envia sinais de retorno ao PLC para indicar a posição da válvula. Para adaptar a placa do sensor à válvula específica da aplicação, o usuário configura o sistema através dum teclado local.
O sistema possui um sensor magnético para indicar a posição da válvula. Para efectuar a medida é montado um ímã na haste da válvula. O campo magnético gerado é detectado pelos circuitos integrados que determinam o ângulo que serve para localizar o posicionamento actual da válvula, com uma precisão de ± 0.1 mm [11].
2.6 - Sistemas de domótica
No mercado existe actualmente uma grande variedade de sistemas de domótica.
Estes sistemas permitem a gestão de todos os recursos da habitação, desde a automação, iluminação, climatização, segurança e comunicações.
A domótica existe para tornar a vida mais confortável e segura numa casa, permitindo efectuar rotinas aborrecidas de uma forma automática.
O manuseamento pode ser configurável com as necessidades dos moradores e desta forma pode ser mais ou menos automático. Os sistemas mais avançados, com inteligência, interpretam parâmetros e reagem de uma forma automática de modo a tomar decisões que o habitante devia tomar. Deste modo os habitantes não precisarão de perder tempo a efectuar determinadas tarefas, como o encerramento das janelas, quando começa a chover.
Um sistema de domótica é composto por diversos módulos que permitem o controlo da casa como: Controlador de estores; Controlador de luminosidade; Módulo de relés; Fonte de alimentação; Módulo de entradas; Controlador de temperatura.
Para que seja possível a comunicação entre os diversos módulos são utilizados protocolos de comunicação por fios como X10, CAN e RS-485.
2.7 - Conclusões
Com o estudo das diversas tecnologias de comunicação sem fios, Wi-Fi, Bluetooth e ZigBee foi efectuada comparação das mesmas. O protocolo ZigBee é aquele que se adequa melhor aos projectos que se pretendem efectuar. A sua taxa de transmissão é suficiente para as necessidades, mas o baixo consumo de energia, custo dos dispositivos e fiabilidade da transmissão foram os aspectos que pesaram mais na escolha.
Capítulo 3 - Arquitectura de comunicação
3.1 - Introdução ao módulo de comunicação XBee
Os módulos XBee são desenvolvidos pela empresa Digi International, sendo um membro da ZigBee Alliance. Estes estão configurados por defeito, de modo a poderem ser usados sem qualquer tipo de configuração prévia, mas podem ser configurados através de comandos AT. Existe um grande conjunto de comandos, que permite ajustar o módulo de comunicação às necessidades do projecto a ser desenvolvido. A Digi disponibiliza dois tipos de módulos: XBee e XBee-Pro. Ambos são compactos optimizados para aplicações de baixo custo e baixa taxa de transferência. Os consumos de energia são baixos caso o módulo esteja a ser alimentado por baterias, o que permite o aumento do tempo de vida destas [12].
Os módulos XBee apresentam uma grande fiabilidade na transmissão dos dados, sendo um aspecto muito importante no projecto de um sistema, quando o seu funcionamento está totalmente dependente dos dados que são transmitidos pelos módulos de comunicação.
O alcance do módulo XBee-Pro é duas a três vezes maior do que o XBee comum, mas o seu consumo também é superior.
Uma das características mais importantes nos módulos XBee é a sua dimensão reduzida, como podemos observar na Figura 13.
O aspecto mais importante do módulo XBee em relação aos módulos ZigBee concorrentes existentes no mercado, é o facto de este ser compatível pino a pino com os outros módulos, o que permite na hora de projectar o hardware uma total despreocupação como alcance que será necessário obter, já que as versões de grande alcance são compatíveis com as de alcance reduzido. Estes módulos podem funcionar de duas formas distintas, modo transparente e modo API. Para configurar os módulos XBee a Digi disponibiliza gratuitamente o software X-CTU.
Tabela 2- Especificações dos módulos XBee ZNet 2.5 e XBee PRO ZNET 2.5 [13] Specficacion XBee ZNet 2.5 XBee PRO ZNet 2.5
Performance
Indoor/Urban Range Up to 133 ft. (40 m) Up to 300 ft. (100m) Outdor RF line-of-sight Range Up to 400 ft. (120 m) Up to 1 mile. (1.6 km) Transmit Power Output 3mW (+3dBm), boost mode
enabled 1.25mW (+1dBm), boost mode disabled 63mw (+18 dBm) 10mW (+10 dBm) for international variant RF Data Rate 250,000 bps 250,00 bps Power Requirements Supply Voltage 2.1- 3.6 V 3.0- 3.4 V Operating Current (transmit, max
output power)
40mA (@ 3.3 V, boost mode enabled)
35mA (@ 3.3V, boost mode disabled)
295mA (@ 3.3 V)
Operating Current (Receive) 40mA (@ 3.3 V, boost mode enabled)
38mA (@ 3.3V, boost mode disabled)
45 mA (@3.3 V)
Idle Current (Receiver off) 15 mA 15 mA
3.2 - Ligação do módulo XBee com o microcontrolador
Figura 14-Esquema de ligação entre o módulo XBee e o microcontrolador
Na Figura 14 está representado o esquema de ligação efectuado entre o módulo de comunicação XBee com o microcontrolador, que é utilizado em todos os módulos que serão abordados nesta tese. O pino DIN do módulo está ligado ao pino TX do uC para receber os dados que serão enviados. O pino DOUT do módulo está ligado ao RX do uC, de modo que este receba os dados. Os pinos CTS e RTS servem para efectuar o controlo do fluxo dos dados. Quando o buffer do microcontrolador estiver cheio, este activa o pino RTS do módulo XBee para não enviar mais dados. O sinal vindo do pino CTS tem uma grande importância quando o módulo de comunicação está configurado como Endpoint, já que este informa o microcontrolador quando poderá enviar os dados que estão armazenados no seu buffer, estando ligado a uma interrupção externa do microcontrolador de modo que este receba o sinal e de uma forma instantânea descarregue o seu buffer de transmissão. Quando o módulo de comunicação está configurado como Router ou Coordenador o pino CTS está sempre activo e o canal está sempre aberto para enviar dados. O pino SLEEP_RQ serve para colocar o módulo XBee a dormir, para que este consuma muita pouca energia, período em que não recebe nem envia dados.
O circuito RC composto pela resistência R3 e o condensador C2 serve para efectuar o reset do módulo de comunicação.
O pino RSSI do módulo de comunicação fornece a intensidade do sinal da última recepção de dados efectuada por este, na forma de uma onda quadrada de frequência configurável: o duty cycle da onda fornece a intensidade do sinal.
A resistência R1 e o condensador C1 implementam um filtro passa baixo, filtrando as componentes espectrais do sinal, deixando passar apenas o valor da componente contínua do sinal que pode ser lida pelo canal do ADC do microcontrolador, onde estabelece uma relação do valor adquirido com a intensidade do sinal da última recepção.
3.3- Modos de funcionamento
Os módulos de comunicação XBee têm dois modos de funcionamentos distintos que estão apresentados em seguida.
3.3.1 - Modo transparente
Neste modo o canal de comunicação é aberto entre o transmissor e o receptor antes de realizar uma transmissão de dados. Estando o canal aberto, os dados podem ser enviados e recebidos. Os dados recebidos no pino DIN são colocados na fila para serem transmitidos via rádio frequência. No caso da recepção de dados, estes são recebidos pelo canal de rádio frequência, sendo transmitidos pelo pino DOUT.
No modo transparente e API os dados são transmitidos e recebidos pelo padrão de comunicação série RS-232. Os módulos têm dois buffers, um para a transmissão e outro para a recepção de dados, com capacidade de 100 bytes.
Figura 15- Diagrama do fluxo internos dos dados [13]
Figura 16-Frame de dado padrão RS-232 de 8 bits [13] 3.3.2 - Modo API
No modo API as frames que são transmitidas têm que ser construídas. A sua constituição tem que conter os dados a ser transmitidos e o endereço de destino. Os dados recebidos também vêm em frames que tem um campo que indica o nível da potência do sinal recebido. Através da frame recebida pode ser extraído o endereço fonte do dado recebido.
Sempre que é enviado uma frame é recebida uma mensagem contendo a informação de chegada ao destino pretendido e caso não tenha sucedido informa qual o motivo.
Para os projectos a desenvolver optou-se pelo modo API pois, neste modo, pode confirmar-se se um dado foi enviado, sendo um aspecto importante para verificar se a rede está a funcionar nas melhores condições. Caso esteja a ocorrer perda de pacotes podem ser tomadas medidas para corrigir o problema.
No modo API os pacotes têm de ser encapsulados em frames API, segundo uma estrutura definida como é mostrada na Figura 17, no qual podem ser enviados até 100 bytes empacotados na frame API.
Figura 17-Estrutura de uma frame do modo API[12]
A frame de dados possui os seguintes campos:
Inicialização - O início de uma frame API é identificada pelo byte 0x7E;
Tamanho da frame de dados - Este campo é composto por dois bytes que informam o número de bytes de dados;
Frame de dados - A frame de dados é variável, dependendo do tipo de informação que será enviada;
Checksum - Este campo serve para verificar a integridade da frame.
O cálculo do checksum da frame é efectuado pela seguinte expressão:
𝒏 = 𝒇𝒓𝒂𝒎𝒆[𝟐]
𝑪𝒉𝒆𝒄𝒌𝒔𝒖𝒎 = 𝟎𝒙𝑭𝑭 − 𝒇𝒓𝒂𝒎𝒆 𝒊 𝒏
𝒊=𝟑
No modo API existem diversos tipos de frames, cada uma contendo informação muito específica, podendo ser dos seguintes tipos:
Frame de estado do modem;
Frame de comando AT;
Frame de configuração de comando AT;
A frame de estado é enviada pelo módulo de comunicação em resposta às condições específicas. A estrutura da frame de estado está representada na Figura 18.
Figura 18-Estrutura da frame de estado [12]
A frame de comando AT é utilizada para saber o valor dos parâmetros do módulo de comunicação. A estrutura da frame de comando AT está representada na Figura 19.
Figura 19-Estrutura da frame de comando AT [12]
A frame de configuração dos comandos AT serve para enviar o novo valor para um parâmetro do módulo. A estrutura da frame de configuração de comando AT está representada na Figura 20.
A frame de resposta de comando AT é recebida para confirmar se o valor do parâmetro foi realmente alterado. A estrutura da frame de resposta de comando AT está representada na Figura 21.
Figura 21-Frame de resposta de comando AT [12]
A frame de configuração remota de um comando AT, permite alterar um parâmetro de um módulo remotamente. A estrutura da frame de configuração remota de um comando AT está representada na Figura 22.
A frame de resposta de configuração remota de um comando AT é recebida para informar se o parâmetro foi realmente alterado. A estrutura da frame de resposta de configuração de comando AT está representada Figura 23.
Figura 23-Estrutura da frame de resposta de configuração de comando AT [12]
A frame de transmissão de dados é utilizada para enviar dados aos módulos de comunicação que se encontram na rede. A estrutura da frame de transmissão de dados está representada na Figura 24.
A frame de estado de transmissão é recebida para informar se realmente os dados foram recebidos pelo módulo de comunicação de destino. A estrutura da frame de transmissão está representada na Figura 25.
Figura 25-Estrutura da frame de confirmação da transmissão [12]
A frame de dados recebidos contém os dados que lhe foram enviados por um módulo de comunicação que está na mesma rede. A estrutura da frame de dados recebidos está representada na Figura 26.
3.4 -
Framework
para utilização da API do XBee
Para comunicar com o módulo de comunicação XBee foi construída uma framework para facilitar a ligação entre o módulo e a aplicação [14]. Esta foi elaborada para poder ser introduzida nos microcontroladorores da família avr. Esta framework tem parâmetros de reajuste que permitem a fácil integração nos diversos microcontroladorores da família, tais como a capacidade de memória, e configuração de registos. Para cada aplicação o microcontrolador seleccionado tem de ter os requisitos necessários. Para esta Framework o factor mais importante é a sua capacidade de memória de dados, já que o tamanho do buffer tem de ser reajustado ao tipo de aplicação e ao microcontrolador onde está inserida. A arquitectura de comunicação construída tem a estrutura representada na Figura 27.
Figura 27-Arquitectura de comunicação
A Framework está dividida em duas partes, a recepção e a transmissão de frames. Por sua vez a recepção dos dados foi subdividida em quatro partes, sendo elas a recepção dos dados, inserção na fila de recepção, remoção da fila e o processamento dos dados, como está representado na Figura 28.
A transmissão das frames foi dividida em quatro partes, a montagem da frame de acordo com a API, inserção dos dados na fila de transmissão de dados, remoção da fila e o envio das frames, como está represento na Figura 29.
Figura 28-Arquitectura de recepção
3.4.1 - Construção das filas
As filas servem para armazenar frames de uma forma temporária para posteriormente serem processadas. Nas filas os elementos são inseridos num extremo e retirados do outro extremo, isto é, os elementos deixam a fila na mesma ordem que nela chegam, logo trata-se de uma FIFO. Esta tem como restrição o facto de um elemento só poder ser inserido no final da fila, assim como o único elemento a poder ser retirado, ser o primeiro da fila.
Na generalidade quando se fala de filas a sua capacidade é variável já que estas usam alocação de memória dinâmica, mas quando se trata de programação num microcontrolador a filosofia tem de ser outra, já que estes têm memória limitada. Mesmo que fosse usada esta estratégia, a sua expansão pode corromper dados, o que pode provocar graves problemas no funcionamento do software. Assim foi adoptada uma filosofia de memória estática onde o tamanho das filas é definido de acordo com a necessidade da aplicação. Trata-se de uma fila circular onde o seu funcionamento está representado na Figura 30.
3.4.2 - Algoritmo de recepção das frames
O algoritmo implementado para recepção de dados teve que ser construído para receber frames de tamanho variável, de acordo com a estrutura da frame que está representada na Figura 31. Na posição zero do buffer de recepção tem de estar o valor que determina o início de uma frame. Caso isso não ocorra terá de haver uma rotação dos dados até encontrar o início de uma outra, ou o índice do buffer ficar a zero.
Quando o tamanho da frame é maior que a capacidade do buffer, é porque ocorreu algum erro na transmissão. O buffer tem de ser limpo e o índice da recepção colocado a zero. Caso não seja este o procedimento adoptado corre-se o risco de haver sobreposição de dados, o que poderá causar danos ao funcionamento do software.
Quando uma frame é recebida, é necessário calcular o checksum, para comparar com o que vem na frame. Caso esteja correcto a frame é colocada na fila de recepção para posteriormente ser processado. Caso não esteja correcto o buffer é limpo e o índice de recepção passa para zero, para preparar uma nova recepção. Com estes cuidados que foram escritos a recepção das frames é feita nas melhores condições sem que haja perda de dados. O fluxograma do algoritmo de recepção que está na interrupção de recepção dos dados do microcontrolador está representado na Figura 31.
3.4.3 - Algoritmo de processamento das frames
Como na API do módulo de comunicação existem vários tipos de frames, e cada uma contém informação muito específica, estas terão de ser diferenciadas na hora de serem processadas. Para executar está tarefa foi criada uma tabela de callback, na qual cada função processa só um tipo de frames.
Em cada frame existe um campo, o byte quatro, que tem um valor que é associado ao tipo de frames. Deste modo pode ser associada a respectiva função que foi criada para esse propósito.
Na Tabela 3 está o valor que é associado a cada tipo de frames. Para processar a diversidade de frames existentes, foi criado um algoritmo que está representado na Figura 32. Este verifica se existem frames na fila de recepção e se existirem a frame é removida para um buffer auxiliar. De seguida é necessário encontrar a função que corresponde à frame que está a ser processada e ao encontrar o apontador da callback toma o valor do índice respectivo. Desta forma quando uma frame chega à função destinada só existe a preocupação de processar o campo dos dados que são enviados. O algoritmo de processamento das frames é chamado no ciclo principal do programa, de modo que os dados sejam processados o mais rápido possível.
Tabela 3- Nome das frames da API e o respectivo valor de identificação [12]
Nome das frames da API Valor que identifica
Frame de estado do modem Ox8A
Frame de comando AT 0x08
Frame de configuração de comando AT 0x09 Frame de resposta de comando AT 0x88 Frame de configuração remota de comando AT 0x97 Frame de resposta de configuração remota de comando AT 0x17 Frame de transmissão de dados 0x10
Figura 32- Algoritmo de processamento de frames
3.4.3 - Algoritmo de transmissão das frames
O processo de transmissão de uma frame segue os passos representados na Figura 29, sendo o primeiro passo, a construção da frame na qual foram construídas funções para montar as diversas frames, de acordo com as regras estabelecidas pela API do módulo de comunicação. Após a montagem das frames, estas são colocadas na fila de transmissão de dados para serem enviadas. Após a inserção é chamada uma função para desencadear a transmissão dos dados. Se o dispositivo estiver configurado como coordenador ou router o canal de transmissão está sempre aberto, mas se for um endpoint terá que receber um sinal indicando abertura do canal para pode desencadear a transmissão dos dados. Este sinal é recebido pela interrupção externa
do microcontrolador de modo a agilizar o processo de transmissão. O sinal é proveniente do pino CTS do módulo de comunicação XBee.
A transmissão do primeiro byte desencadeia a transmissão da frame e os próximos bytes são enviados quando a interrupção de transmissão activar. Enquanto houver dados para enviar, estes serão enviados uns após os outros, sendo este efeito designado por efeito dominó. Com esta filosofia o processo principal não terá que perder tempo a verificar se o dado já foi enviado, tornando o processo mais rápido. Na Figura 33 está o fluxograma da função “ProcessTransmit” que provoca o desencadear do envio dos dados.
Figura 34- Fluxograma que está na rotina de transmissão de dados
3.5 - Conclusões
Após estudo de diversos módulos de transmissão por rádio frequência da tecnologia ZigBee, concluiu-se que o que se adaptava melhor aos requisitos dos projectos elaborados era o módulo XBee. Para trabalhar com este módulo foi criada a framework que permite elevar o nível de abstracção, permitindo criar diversas aplicações sem haver a preocupação de saber o funcionamento da API do módulo.
Ao fim de diversos testes, a filosofia implementada de criar uma framework revelou-se extremamente eficiente para o propósito que foi construída.
Capítulo 4 - Aplicação do ZigBee na Domótica
4.1 - Introdução
Um sistema de domótica é composto por diversos módulos, que permitem o controlo de uma casa para acomodarem melhor os moradores. Um dos módulos que constitui o sistema é a estação meteorológica, que desempenha uma tarefa importante no sistema de automação.
A estação que foi estudada projectada e implementada para esta tese, tem como objectivo a integração num sistema de domótica. A sua finalidade é medir grandezas físicas como a temperatura, humidade, luminosidade, velocidade do vento e verificar a ocorrência de chuva.
Para medir a temperatura, foram estudadas duas soluções, no qual o aspecto económico foi determinante. Um dos sensores seleccionado, além de medir temperatura mede a humidade relativa, mas o seu custo é bastante mais elevado em relação aquele que mede simplesmente a temperatura. O produto final tem duas versões, dando a possibilidade de escolha ao cliente em adquirir a solução que lhe é mais vantajosa.
A comunicação com a central de controlo da casa poderá ser feita por fios, através da tecnologia CAN, ou sem fios via ZigBee. Esta flexibilidade permite escolher no momento da montagem qual a tecnologia que se adequa melhor. O facto de a estação ficar no exterior de uma casa, poderá ser um aspecto importante numa rede ZigBee, já que esta poderá funcionar como router. O diagrama de blocos da estação meteorológica está representado na Figura 36.
4.2 - Hardware da estação meteorológica
O hardware da estação meteorológica é composto por diversos módulos, no qual o microcontrolador é o componente central deste circuito, já que todos os sensores e dispositivos de comunicação lhe estão ligados. A colocação dos diferentes sensores foi minuciosamente estudada para permitir que estes efectuem a leitura das grandezas físicas nas melhores condições de modo a não provocar erros de leitura. As dimensões do circuito impresso estão limitadas à caixa de plástico que o albergará, que está representada na Figura 37.
Figura 37- Imagem da caixa de plástico da estação meteorológica
4.2.1 - Sensor de temperatura e humidade SHT11
O SHT11 que está representado na Figura 38 é um dispositivo que contém dois sensores, um de humidade relativa e outro de temperatura. Permite medir temperaturas desde dos -40 °C até +123,8°C e mede a humidade relativa desde o 0 até 100% [15].
A sua tensão de alimentação pode variar desde os 2,4V a 5,5V,e a leitura das grandezas físicas é efectuada por duas linhas de interface série (SCK, DATA). Além dos sensores, o SHT11 é composto por um conversor analógico digital de 14-bits. Um dos aspectos mais importantes deste sensor é o facto deste se auto calibrar, o que faz com que ao longo do tempo não perca precisão.
O diagrama de blocos do SHT11 está representado na Figura 39 [15]
Figura 39 - Diagrama de blocos SHT11 [15]
O esquema de ligação efectuado, foi o recomendado pelo fabricante que está na Figura 40.
Figura 40 Esquema de montagem do SHT11 [15]
Comunicação com o SHT11
Para dar início à transmissão de dados no SHT11, é necessário efectuar um comando que consiste em baixar o sinal DATA enquanto o SCK está alto, depois baixar SCK e levantar o DATA de novo enquanto o SCK está em cima. Sequência que está representada na Figura 41.
O seguinte passo consiste em enviar o endereço de 3 bits (actualmente só suporta o “000”) e os cinco bits que identifica o tipo de pedido a ser efectuado.
Quando detecta o comando, o SHT11 vai colocar a linha de dados a nível baixo de forma a informar que o comando foi bem recebido. Após a queda da linha de dados este envia oito impulsos do relógio e depois do nono impulso sinal DATA passa para nível alto.
Tabela 4- Tabela de comandos do SHT11 [15]
Após receber o comando de medição o sensor demora algum tempo a efectuar a leitura. O sensor envia dois bytes contendo a leitura efectuada e a informação é posteriormente processada no microcontrolador para este efectuar o cálculo da grandeza física medida.
Para indicar o fim da medição o SHT11 vai colocar a linda DATA a nível baixo e entra em modo idle.
4.2.2 - Sensor de temperatura LM75
O LM75 que está representado na Figura 43 é um sensor de temperatura muito popular. É usado na placa mãe do computador, para efectuar o controlo de temperatura. Este sensor é fabricado por diversas empresas, apresentando algumas diferenças. Mas o facto de ser utilizado em larga escala tornou este sensor bastante barato.
A gama de leitura do sensor vai desde os -55° a +125°C e para efectuar a comunicação é utilizada a tecnologia I2C. A tensão de alimentação vai desde os 2.7V a 5.5V, sendo a corrente consumida em funcionamento normal de 10mA.
Figura 43- Imagem do LM75 [17]
O esquema de ligação efectuado recomendado pelo fabricante, está representado na Figura 44.
Comunicação com o LM75
A comunicação entre o sensor de temperatura LM75 com o microcontrolador é efectuada pelo protocolo I2C.
O barramento I2C foi criado pela Philips 1996, com o objectivo de ligar vários circuitos integrados de uma forma muito simples, usando para tal uma linha de controlo (SCL) e uma linha de dados (SDA) [19].
“O princípio de funcionamento do barramento baseia-se no conceito de um dispositivo master (dispositivo que gere a comunicação, gera o sinal de relógio e transmite os dados) e outro slave (dispositivo que recebe os dados e confirma a recepção através do envio de um sinal de acknowledge) ” [16].
Figura 45- Barramento I2C [19]
O endereçamento do sensor é configurável através dos níveis de tensão aplicados nos pinos A0, A1e A3, como mostra na Figura 44. Neste caso como os pinos estão colocados a nível lógico baixo o endereço é dado pelo registo do sensor que está representado na Figura 47.
Figura 47- Registo do endereço [18]
A leitura dos dados é efectuada seguindo os seguintes passos: 1. Envio do comando start bit gerado pelo master
2. Envio do endereço de sete bits do dispositivo que pretende comunicar 3. Envia um bit para indicar se é para ler ou escrever dados
4. O slave após ter identificado com o endereço enviado envia um ACK 5. Os dados são enviados em oito bits
6. A cada envio de um byte este recebe um ACK
7. A tarefa de enviar dados repete-se enquanto que não seja enviado o sinal de stop
O envio da temperatura é efectuada em dois bytes como mostra a Figura 48.
Figura 48- Registo da temperatura do LM75 [18]
O cálculo da temperatura é efectuado através da seguinte expressão:
𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 = 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑜𝑖𝑠 𝑏𝑦𝑡𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑐𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜𝑠
4.2.3 - Sensor de efeito de Hall
O sensor de efeito de Hall A1104 que está representado na Figura 49 foi utilizado para medir a velocidade do vento da estação meteorológica. “ O efeito Hall refere-se à diferença de potencial (potencial de Hall) nos lados opostos de uma fina folha de material condutor ou semicondutor na forma de uma 'barra Hall' (ou um elemento de van der Pauw) através da qual uma corrente eléctrica flui, criada por um campo magnético aplicado perpendicularmente ao elemento Hall. A razão da tensão média pela intensidade de corrente é conhecida como resistência Hall, e é característica do material no elemento. O físico estadunidense Edwin Herbert Hall descobriu esse efeito em 1879.” [20]
Figura 49- Sensor de efeito Hall [21]
A estratégia utilizada para medir a velocidade de vento foi colocar um sensor de efeito de Hall perpendicular ao veio de rotação do cata-vento. Sempre que o veio percorre uma volta, o íman que está colocado no veio de rotação faz com que a saída do sensor active. A saída do sensor está ligada a uma interrupção externa do microcontrolador, que faz gerar uma interrupção.
O esquema de ligação do sensor de Hall está representado na Figura 51.
Figura 51- Esquema de ligação do sensor de hall
Para efectuar o cálculo da velocidade do vento é necessário saber quanto tempo demora o veio do cata-vento a dar uma volta. Para tal existe um contador que é incrementado sempre que o veio efectua uma volta. O cálculo do vento é efectuado de dois em dois segundos e deste modo a resolução do anemómetro é de 0,25 m/s., sendo um valor aceitável para o tipo de aplicação.
Para efectuar o cálculo é necessário saber o tempo que demora a dar uma volta.
O cálculo é efectuado através da seguinte expressão:
𝑇 = 2 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑠 , 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
A velocidade angular do veio do cata-vento é dada pela seguinte expressão: 𝑤 =2𝜋
𝑇 , 𝑟𝑎𝑑/𝑠
O diâmetro entre as pás do cata-vento é de 16cm o seu raio é de 8cm, logo a velocidade do vento é dada pela seguinte expressão:
𝑟𝑎𝑖𝑜 = 0,08𝑚
4.2.4 - Sensor de luminosidade
O sensor GA1A2S100S que está representado na Figura 52 foi escolhido para medir a quantidade de luz existente. Este sensor, fabricado pela SHARP, mede a luminosidade no ambiente onde está inserido. A sua tensão de alimentação do sensor vai dos -0.3V a +7V.
Figura 52- Sensor de luz GA1A2S100SS
A sua saída é dada em corrente, sendo proporcional à quantidade de luz existente no ambiente onde está inserido, como pode ser observado no gráfico da Figura 53.
Como a saída é dada em corrente, foi utilizada a resistência R4 para transformar a corrente em tensão. Deste modo o microcontrolador através de um dos seus canais de ADC, converte o valor analógico de tensão em digital. A resistência R4 é de precisão para que o erro seja o menor possível. O esquema de ligação do sensor de luminosidade está representado na Figura 54.
4.2.5 - Sensor de chuva
A estação meteorológica possui um sensor para detectar a ocorrência de chuva, tratando-se de um sensor capacitivo que está representado na Figura 55. O sensor é composto por um condensador cuja sua capacidade varia com a ocorrência de chuva.
Para eliminar o orvalho possui um filamento resistivo que funciona como aquecedor e deste modo as pequenas gotas são eliminadas. Para efectuar o controlo da temperatura do filamento resistivo o sensor tem uma resistência variável com a temperatura (NTC) [23].
Figura 55-Imagem do sensor de chuva [23]
O controlo do filamento resistivo é efectuado pelo circuito que está representado na Figura 56. O circuito é composto por um mosfet que tem uma resitência na sua gate. Quando a gate do mosfet é alimentada, este entra em condução. O circuito resistivo que está nos terminais SL1-1 e SL1-5 é alimentado, provocando um aquecimento no sensor.
O valor da resistência NTC que está colocada junto ao filamento resistivo, vai variando com a variação de temteratura. Através do valor da resistência NTC pode ser estabelicida uma relação com a temperatura. Através do circuito que está representado na Figura 57, onde a NTC está ligada nos terminais SL1-3 e SL1-4, faz-se um divisor de tensão com a resitencia R9. Com a variação da resistência a tensão acompanha essa variação, esse valor é lido no canal de um ADC do microcontrolador para ser estabelecida uma relação, permitindo assim o cálculo da temperatura.
Figura 57-Circuito da NTC
Equação para determinar a temperatura:
𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 = 𝛽
ln 1024 − 𝐴𝐷𝐶 +𝐴𝐷𝐶 𝑇𝑎𝑚𝑏 𝛽 − 𝑇𝑧𝑒𝑟𝑜
𝛽 = 4250
ADC =Valor lido nos registos ADCL e ADCH Tzero= 273 °k
Tamb=298 °k (273° + 25°)
Para eliminar o orvalho o sensor deve estar a uma determinada temperatura, cujo valor é controlado por um controlador ON-OFF. Este tipo de controlo é utilizado quando o processo permite uma oscilação da variável a ser controlada em torno do valor de referência. A saída do controlador vai alternando entre ligada e desligada, ou vice-versa.
Figura 58- Controlo em malha fechada [24]
O sinal de controlo u(t) pode assumir dois valores, dependendo do valor do erro ser positivo ou negativo.
𝑢 𝑡 = 𝑈1 𝑠𝑒 𝑒 𝑡 > 0𝑈2 𝑠𝑒 𝑒 𝑡 < 0
Para evitar que o controlador esteja sempre a ligar e desligar utiliza-se uma margem de histerese como está representado na Figura 59.
Algoritmo: erro = r(t) - temperaturaNTC Se(erro <-histerese) { Desliga resistência }Senão { Se(erro > histerese){ Liga resistência }Senão {
Mantêm estado actual }
}
O resultado do controlador ON-OFF implementado pode ser analisado no gráfico da Figura 60. O tempo de amostragem do controlador é de 250ms, a margem de histerese é de 1°C e a temperatura de referência de +35°C.
O sensor de chuva é um condensador no qual a sua capacidade vai variando com a quantidade de chuva que está retida em cima do sensor. A estratégia para saber se está a chover foi de colocar o condensador num circuito gerador de onda quadrada que está representado na Figura 61, onde a variação da capacidade faz variar a frequência da onda. Para efectuar a leitura da frequência, o sinal foi ligado a uma entrada do microcontrolador para este calcular a frequência do sinal. O sinal produzido pelo circuito gerador de onda quadrada, quando não há ocorrência de chuva está representado na Figura 62 e o sinal para quando há ocorrência de chuva está representado na Figura 63.
Figura 63- Sinal que o microcontrolador recebe quando há ocorrência de chuva
4.2.6 - Fonte de alimentação
O circuito da fonte de alimentação que foi construída para alimentar a estação meteorológica está representada na Figura 64, é alimentado a uma tensão de +12V, gera uma saída de +3.3V e fornece uma corrente máxima de 50mA.
4.2.7 - Microcontrolador
O circuito de alimentação do circuito do microcontrolador AT90CAN32 está representado na Figura 65.
Figura 65- Circuito de alimentação do microcontrolador
4.2.8 - Controlador CAN
O circuito do controlador CAN ATA6660, é utilizado para efectuar a ligação do barramento ao microcontrolador.
