Marcos R. Dillenburg
Gerente de P&D da Novus Produtos Eletrônicos Ltda. ([email protected])
As aplicações de telemetria em áreas urbanas utilizando o serviço GPRS do sistema de telefonia celular GSM já são uma realidade. A rápida expansão das redes GSM em todo o mundo impulsiona a adoção da infra-estrutura celular em substituição aos enlaces privados de rádio, desonerando as empresas do alto custo de implantação e manutenção de sistemas proprietários, ao mesmo tempo em que padroniza os protocolos da Internet nas aplicações de telemetria. Este artigo apresenta uma introdução ao GPRS e descreve algumas topologias aplicáveis em sistemas de telemetria, discutindo sua adequação às diferentes necessidades. Palavras-chave: Celular, GPRS, GSM, telemetria, Remota, RTU.
1 Introdução
A utilização da infra-estrutura de telefonia celular para telemetria teve grande impulso com a entrada em operação no Brasil do sistema GSM (Global System for Mobile Communications), mais especificamente do serviço associado GPRS (General Packet Radio System). Este sistema apresenta vários benefícios quando comparado com as alternativas anteriores de transmissão de dados por celular.
Este artigo tem como objetivo apresentar uma introdução ao sistema GPRS e descrever alternativas de aplicação desta e outras tecnologias associadas na telemetria em áreas urbanas e arredores. Também é apresentada uma breve descrição de requisitos de unidades remotas para estas aplicações.
2 Serviço GPRS
O serviço GPRS cria uma rede de pacotes sobre a rede de telefonia celular GSM para o envio e recepção de dados. Neste sistema de comutação de pacotes, um canal de rádio só é utilizado quando o usuário está efetivamente enviando ou recebendo dados, ficando o canal livre para outros usuários do serviço que compartilham o mesmo canal. Este uso eficiente dos canais de rádio permite que um grande número de usuários utilize o sistema em uma mesma célula. O sistema oferece benefícios importantes em aplicações de telemetria:
Rápida conexão: O sistema remoto tem conexão praticamente instantânea ao serviço. O sistema, mesmo quando desconectado, aparenta estar sempre conectado (Always on) pelo rápido restabelecimento da conexão.
Tarifação por tráfego: As operadoras usualmente tarifam o serviço pelo volume de dados transportado. Aplicações de telemetria tipicamente são de baixo tráfego, resultando em uma tarifa mensal bastante reduzida.
Velocidade: A velocidade teórica máxima do sistema é 171,2 kbps (kilobits por segundo). A operação nesta velocidade é muito improvável, sendo típicas conexões entre 30 e 56 kbps, que para a maior parte das aplicações de telemetria é muito mais do que suficiente.
sistemas móveis inter-estaduais. O sistema GSM ainda não tem boa cobertura fora dos grandes centros urbanos. A rápida expansão das operadoras GSM no país deve modificar este quadro em curto prazo.
Origem da conexão: Apesar de tecnicamente possível, é muito difícil que as operadoras de celular disponibilizem endereços IP fixos e válidos para as unidades remotas de telemetria por GPRS, o que permitiria conexão entrante, ou seja, a unidade remota ser o destino de uma conexão originada de algum ponto da Internet. Os sistemas de telemetria baseados em GPRS devem se basear em conexões originadas pela unidade remota. Esta é uma questão apenas de iniciativa de conexão, visto que uma vez estabelecida, a troca de dados é bi-direcional. A tarifação por tráfego e a rápida conexão permitem que a unidade remota se mantenha sempre conectada ou se conecte a intervalos curtos.
Custo do modem GPRS: O modem GPRS tem um custo equivalente ao de um bom aparelho celular GSM, o que pode ser um limitante na aplicação da tecnologia na medição de serviços ou sistemas de baixo valor.
3 Modalidades de telemetria
Sistemas de telemetria baseados em GPRS e Internet podem ser adaptados às necessidades de cada aplicação. A utilização do modem GPRS permite ainda acesso a outros serviços da rede de telefonia celular, sendo de especial interesse o sistema de mensagens curtas SMS (Short Message Service), por sua utilidade na notificação de anormalidades às equipes de manutenção. Diferentes modalidades de telemetria, que podem ser adotadas isoladamente ou em conjunto, são descritas nos itens a seguir.
Toda aplicação de telemetria deve prever a não disponibilidade do canal de comunicação e a conseqüente falha do sistema em notificar situações de alarme eventualmente detectadas. A unidade remota deve ter um sistema de notificação local de condições potencialmente perigosas e o sistema como um todo deve ser projetado considerando esta possibilidade.
3.1 Envio de dados ao servidor
A unidade remota pode enviar dados diretamente a um ou mais computadores na Internet utilizando os protocolos de transporte UDP (User Datagram Protocol) ou TCP (Transfer Control Protocol). Uma aplicação rodando no servidor aguarda a requisição de conexão originada pela unidade remota, recebe e envia dados através desta conexão e armazena os dados recebidos. A Figura 1 apresenta uma topologia típica para esta modalidade.
Figura 1 – Topologia típica de conexão remota ao servidor por GPRS
A entrega de dados pode ser periódica, baseada em exceção (somente quando uma situação anormal é detectada na unidade remota) ou uma composição das duas, o que permite ao sistema central detectar o correto funcionamento da unidade remota mesmo quando não há ocorrências de exceção.
Os dados entregues pela unidade remota devem estar formatados de acordo com a aplicação que os recebe no servidor, podendo estar em formatos proprietários ou abertos, como XML, DNP (Distributed Network Protocol), Modbus TCP e outros.
Ao invés de entregar dados por TCP ou UDP, a unidade remota pode também entregar arquivos de dados por FTP.
Este tipo de aplicação é adequado para registro periódico de informações de campo diretamente no banco de dados do servidor corporativo, eliminando as atividades de coleta e digitação de informações. Pode ser aplicado em sistemas de tarifação (energia, água, gases, combustíveis) ou qualquer outro sistema em que o registro histórico de variáveis de campo seja necessário. A unidade remota deve ter capacidade de armazenar localmente os dados para envio até que o recebimento dos mesmos seja confirmado pelo servidor. A capacidade de armazenamento local é também importante para o caso de falha do sistema GPRS ou do acesso à Internet do servidor.
A notificação centralizada de condições de exceção é também adequada nesta topologia, sempre levando em conta a possibilidade de não disponibilidade do serviço.
3.2 Envio de e-mail
A unidade remota pode enviar e-mail para um ou mais destinatários na ocorrência de condições de exceção programadas na unidade remota. Para envio de e-mail, a unidade remota precisa ter acesso via Internet a um servidor SMTP (Simple Message Transfer Protocol). Este servidor pode estar em um provedor Internet ou em qualquer computador acessível pela Internet executando, por exemplo, um programa gratuito de servidor SMTP. A Figura 2 ilustra a topologia desta aplicação.
Figura 2 – Topologia típica de envio de e-mail
Nesta aplicação ainda é possível utilizar o serviço de direcionamento de e-mail para telefones celulares na forma de mensagens curtas (SMS), se este serviço estiver disponível na operadora de telefonia celular do destinatário.
O serviço de envio de e-mail pela unidade remota é útil na notificação de condições anormais e envio periódico das condições operacionais do sistema monitorado.
3.3 Envio e recebimento de SMS
A utilização de um modem GPRS torna disponíveis também outros serviços da rede de telefonia celular, como o envio e recebimento de mensagens curtas. A unidade remota pode ser programada para enviar mensagens pré-definidas para diferentes números de celular associados a ocorrências detectadas no sistema sob supervisão, bem como receber mensagens pré-definidas que resultam em ação sobre o sistema através das saídas da unidade.
As limitações do serviço SMS devem ser consideradas. Os indicadores de desempenho das operadoras de telefonia norte-americanas no segundo quadrimestre de 2002 são um bom parâmetro de comparação:
• Sucesso na entrega de 94,7% • Tempo médio de 11,8s
Os dados no Brasil devem ser muito semelhantes, mas há dias e horários em que o sistema entra em colapso por excesso de mensagens, e este cenário de pior caso deve ser considerado no projeto.
3.4 Conexão ponto-a-ponto usando sistema CSD
A rede GSM ainda oferece a modalidade de transmissão de dados CSD (Circuit Switched Data), de baixa velocidade, tipicamente 9600 bps, e tarifada por tempo de duração da ligação de dados. A utilização deste serviço em telemetria baseada em Internet não traz vantagens, pois requer um provedor Internet e o tempo no estabelecimento desta conexão é longo. O uso do CSD pode ser benéfico em sistemas com baixo tráfego, ou quando a unidade remota liga diretamente para outro modem, sem a utilização da Internet como meio de transmissão. A Figura 3 apresenta a topologia de um sistema CSD com ligação direta entre a unidade central e remota.
Figura 3 – Topologia de conexão direta CSD entre unidade central e remota
A solução CSD permite que a unidade remota origine ou receba a ligação de dados (o que não é usualmente possível em GPRS). Estabelecida uma conexão PPP (Point to Point Protocol) entre a unidade central e remota, a troca de informações se dá utilizando os protocolos e serviços de Internet, sem, no entanto, haver tráfego pela rede pública. Através da conexão CSD a unidade central pode inspecionar dados do sistema remoto utilizando o browser Internet e receber ou enviar dados por TCP ou UDP.
A utilização de CSD só é vantajosa em sistemas que requerem a transferência de pequeno volume de dados a intervalos grandes. A utilização de conexão direta entre as unidades central e remota só é viável se o número de unidades remotas a serem supervisionadas é pequeno.
3.5 Alternativa ao sistema GPRS – CDMA 1x
A rede de telefonia celular CDMA, com ampla cobertura no Brasil, dispõe também de um serviço de comunicação por pacotes de alto desempenho denominado CDMA 1x, já disponível em algumas cidades. Foge ao objetivo deste artigo realizar comparações entre os sistemas, mas é importante salientar que todas as alternativas de telemetria aqui apresentadas podem ser implementadas também no sistema CDMA 1x.
A opção entre os sistemas tem pouco impacto na seleção da remota, bastando a configuração adequada dos parâmetros do modem para adaptar ao novo sistema. Questões de disponibilidade do serviço e negociação de tarifas com a operadora são os principais fatores a serem considerados ao se fazer a opção.
4 Unidade remota
A oferta de unidades remotas com capacidade de comunicação via Internet ainda é pequena, e a escolha da mais adequada para cada aplicação deve ser feita com bastante cuidado. Até bem pouco tempo atrás, as alternativas eram utilizar um computador PC ou um controlador programável na unidade remota, alternativas que esbarram em problemas de consumo de energia, confiabilidade e custo. Hoje já são disponíveis no mercado unidades remotas compactas com grande capacidade de comunicação, que resultam em um melhor compromisso entre custo e benefício que as soluções anteriores.
A unidade remota de telemetria deve ter recursos adequados à interface com o sistema sob supervisão e à rede GPRS (ou CSD). Destacam-se os seguintes recursos:
• Entradas e saídas para monitoração e atuação no sistema sob supervisão • Interface RS232 para interface com modem GPRS/CSD
• Configuração remota por serviços Internet
5 Infra-estrutura de informática
O domínio dos conceitos de rede da Internet é necessário para avaliar as reais possibilidades de cada solução proposta na infra-estrutura de informática de cada empresa. Questões como endereçamento IP, configuração de firewall e gateway, costumam criar dificuldades sérias na posta em marcha do sistema, e devem ser cuidadosamente analisadas ainda na fase de projeto do sistema de telemetria.
6 Conclusão
As soluções de telemetria utilizando a infra-estrutura de telefonia celular para transporte de dados através da Internet alcançaram maturidade e já há disponibilidade de diferentes opções para implantação. A utilização dos protocolos e serviços da Internet permite a implementação de diferentes sistemas de telemetria, e ainda soluções mistas baseadas nas alternativas apresentadas.
A seleção da operadora de telefonia celular e do sistema de transmissão de dados utilizado depende mais de negociação de tarifas e disponibilidade do serviço do que de questões técnicas. Já a escolha da unidade remota e o projeto do sistema de informática associado devem se basear em uma análise técnica rigorosa.
7 Referências
BUCKINGHAM, S. Yes 2 GPRS. Inglaterra: Mobile Streams, 2000.
WOODS, B. Are SMS Messages Being Lost?. www.instantmessagingplanet.com, 2002. CURTIS, C. A DNP3 Protocol Primer. Canadá: DNP Users Group, 2000.
Novus Web Server WS10 – Manual de configuração e instalação. Brasil: Novus Produtos Eletrônicos Ltda, www.novus.com.br, 2003.
