UNIVERSIDADEFEDERALDO RIO GRANDE DO NORTE
UNIVERSIDADEFEDERAL DORIOGRANDE DO NORTE
CENTRO DETECNOLOGIA
PROGRAMA DEPÓS-GRADUAÇÃO EMENGENHARIAELÉTRICA E
DECOMPUTAÇÃO
Sistema Inteligente para Auxilio no Projeto e
Instalação de uma Rede Industrial de Sensores
Sem Fio
Daniel Lopes Martins
Orientador: Prof. Dr. Adrião Duarte Dória Neto
Co-orientador: Prof. Dr. Jorge Dantas de Melo
Tese de Doutorado apresentada ao Pro-grama de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação da UFRN como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Ciências.
Número de Ordem do PPgEEC: D189
Natal, RN, Fevereiro de 2017.
Martins, Daniel Lopes.
Sistema inteligente para auxilio no projeto e instalação de uma rede industrial de sensores sem fio / Daniel Lopes Martins. - 2017.
77 f.: il.
Tese (doutorado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação. Natal, RN, 2017. Orientador: Prof. Dr. Adrião Duarte Dória Neto. Coorientador: Prof. Dr. Jorge Dantas de Melo.
1. Rede de sensores industriais sem fio - Tese. 2. Algoritmos genéticos - Tese. 3. Otimização multiobjetivo - Tese. 4.
Alocação de instrumentos - Tese. I. Dória Neto, Adrião Duarte. II. Melo, Jorge Dantas de. III. Título.
RN/UF/BCZM CDU 004.73
Agradecimentos
Agradeço a Deus por ter ouvido minhas orações, por estar presente nos momentos difíceis, por me dar força para continuar em diversos momentos ruins e por zelar por mim a todo momento.
Aos meus pais Aderson de Souza e Ubiraci Lopes por serem minha base, meu alicerce, dando todo o apoio necessário e ensinamentos que me ajudaram a alcançar todos os meus objetivos e comemorando comigo todas as conquistas alcançadas. Tudo que sou e que alcancei se deve ao trabalho deles, que não se importaram com o tempo necessário e o que tiveram que abdicar para permitir que pudesse alcançar meus objetivos.
Aos meus professores e orientadores Adrião Duarte e Jorge Dantas, que sempre acredita-ram no meu potencial, desde a graduação, e estavam prontos a me apoiar e confiar no meu trabalho. Suas orientações e todo o seus conhecimentos permitiram-me trilhar o caminho que escolhi e vencer os obstáculos encontrados. Um agradecimento especial ao meu ori-entador, e grande amigo, professor Adrião Duarte. Sem a sua ajuda, sua paciência, sua compreensão, este trabalho não teria sido finalizado. Ele foi quem me deu mais forças para continuar e terminar este trabalho, mesmo com todas as adversidades encontradas.
Aos professores Dennis Brandão, Vinícius Pontes e Andres Ortiz por terem aceitado par-ticipar da banca examinadora desta tese. Agradeço pela paciência e dedicação na leitura deste trabalho e pelos apontamentos e sugestões que se mostraram uma grande contribui-ção e me permitiram melhorar o texto e apresentacontribui-ção de resultados da versão final deste trabalho.
Aos companheiros de laboratório Heitor Medeiros, Gabriel Lucena, Luiz Bezerra, Wil-liam Fonts, Matheus Andre, Dimitri Lima, Pablo França e Lucas Medeiros. Agradeço também pelos ouvidos prestados nas longas conversas e troca de ideias no laboratório de Instrumentação Inteligente (LABII-UFRN). Todos, de forma direta ou indireta, me auxi-liaram na conclusão do meu trabalho. Foram parceiros e desenvolveram comigo diversas atividades e sem a ajuda deles, teria sido muito difícil alcançar meu objetivo.
Aos demais professores do departamento de Engenharia de Computação e Automação da UFRN (DCA-UFRN) que contribuíram direta ou indiretamente com a minha formação profissional e pessoal.
Aos demais colegas do Laboratório de Avaliação de Medição em Petróleo (LAMP-UFRN) pela ajuda durante essa jornada, me auxiliando com críticas, sugestões e outros conheci-mentos que me auxiliaram e, por tal, ficaram gravados na minha memória para o resto da
A todos os demais não mencionados, amigos mais próximos, colegas do laboratório, fa-miliares que contribuíram de outras formas para a minha formação pessoal e conclusão deste trabalho.
Resumo
O avanço da tecnologia nos proporcionou uma melhora significativa nos meios de co-municação. Hoje em dia somos rodeados por dispositivos que a todo o momento estão se comunicando uns com os outros utilizando ondas eletromagnéticas. Dois grandes benefí-cios desses sistemas são justamente a mobilidade proporcionada por não utilizarem cabos nas suas comunicações e a facilidade de instalação.
O mercado industrial percebeu que tais características são bem vantajosas (principal-mente em equipamentos móveis e ambientes hostis, corrosivos ou de altas temperaturas) e começou a investir nessa tecnologia com o surgimento de dois protocolos que se desta-cam por serem protocolos abertos de comunicação sem fio para ambientes industriais: O WirelessHART e o ISA100.11a.
O WirelessHART foi desenvolvido pela HART Communication Foundation(HCF) na revisão 7.0 da especificação do protocolo HART e o ISA100.11a foi desenvolvido pela International Society of Automation(ISA) que iniciou a ideia de padronizar os sistemas wireless de comunicação industrial tanto para automação quanto para controle, sendo o ISA100.11a o primeiro padrão desenvolvido.
Este Trabalho de tese consiste na busca, através da utilização da técnica de algoritmo genético multiobjetivo, determinar as posições dos instrumentos roteadores de forma que a rede possa se tornar mais robusta no ambiente no qual ele foi instalado.
Utilizando um cenário com dimensões similares às encontradas na indústria, mas sim-plificada à propagação no espaço livre com perdas por esmaecimento, o algoritmo testa duas configurações, uma com os instrumentos alocados possuindo a quantidade mínima determinada por algumas regras descritas na literatura e outra com uma configuração de distribuição que emula um ambiente com algumas zonas de concentração de instrumen-tos.
O trabalho consistiu no desenvolvimento de uma função multiobjetivo no qual o algo-ritmo aloca roteadores testando diversas posições para as configurações de maneira que os objetivos como a potência de sinal, quantidade de roteadores, quantidade de rotas disjun-tas por instrumentos e quantidade de rodisjun-tas disjundisjun-tas entre instrumentos sejam alcançados (minimizados ou maximizados). Cada um desses objetivos afeta os outros, tornando esse problema um problema multiobjetivo.
Os resultados obtidos mostram como essa abordagem pode favorecer a construção de redes mais robustas com a criação de rotas primárias e secundárias que afetam menos ou são menos afetadas pela falha de instrumentos na rede sem fio.
Como perspectivas, este trabalho abre um caminho para estudos que visam aumentar a confiabilidade para a atuação desses tipos de redes em malhas de monitoramento e de controle. Vários aspectos como latência, consumo de energia, taxa de erros, que não
Palavras-chave: Rede de sensores Industriais Sem Fio, Algoritmos Genéticos, Oti-mização Multiobjetivo, Alocação de Instrumentos.
Abstract
The advancement of technology has provided us with a significant improvement in the communication media. Nowadays we are surrounded by devices that are communicating all the time with each other using electromagnetic waves. Two major benefits of these systems are precisely the mobility provided by not using cables in their communications and ease of installation.
The industrial market realized that these characteristics are very advantageous (mainly in mobile equipment and hostile environments, corrosive or in high temperatures) and be-gan to invest in this technology with the emergence of two protocols that stand out as being open wireless communication protocols for industrial environments: WirelessHART and ISA100.11a.
The WirelessHART was developed by the HART Communication Foundation in re-vision 7.0 of the HART protocol specification and the ISA100.11a was developed by the International Society of Automation (ISA), which started the idea of standardizing wire-less industrial communication systems for both automation and control, With ISA100.11a being the first developed standard.
This thesis work consists in the search, through the use of the multiobjective genetic algorithm technique, to determine the positions of the routing instruments so that the network can become as robust as possible in the environment in which it was installed.
The algorithm tests two configurations, one with the allocated devices having the mi-nimum quantity determined by some rules described in the literature and the other with a configuration that emulates an environment with some zones of concentration of instru-ments.
The work consisted in the development of a multiobjective function in which the al-gorithm allocates routers testing different positions for the configurations such as signal strength, number of routers, number of disjoint routes by instruments and number of dis-joint routes between instruments can be achieved (minimized or maximized). Each of these goals affects others, making this problem a multiobjective problem.
The results show how this approach can favor the construction of more robust networks with the creation of primary and secondary routes that affect less or are less affected by the failure of instruments in the wireless network.
As perspectives, this work opens a way for studies that aim to increase the reliability for the performance of these types of networks in monitoring and control meshes. Several aspects such as latency, power consumption, error rate, which were not addressed in this work may be focus in future works.
Keywords: Wireless Industrial Sensor Networks, Genetic Algorithms, Multiobjective Optimization, Sensors Allocation.
Sumário
Sumário ii
Lista de Figuras iv
Lista de Tabelas v
Lista de Símbolos e Abreviaturas ix
1 Introdução 1
1.1 Hipótese . . . 3
1.2 Objetivo . . . 4
1.3 Estrutura do trabalho . . . 6
2 Fundamentação teórica 9 2.1 Redes industriais sem fio . . . 9
2.2 Redes WirelessHART . . . 10 2.2.1 Pilha de comunicação . . . 12 2.2.2 Segurança . . . 18 2.3 Redes ISA100.11a . . . 18 2.3.1 Pilha de comunicação . . . 20 2.3.2 Segurança . . . 25
2.4 Algoritmos genéticos multiobjetivos . . . 25
2.5 Trabalhos relacionados . . . 35
3 Modelo de otimização para redes industriais sem fio 39 3.1 Características da Rede Industrial Sem Fio . . . 39
3.2 Modelo de propagação . . . 40
3.3 Rotas disjuntas . . . 41
3.4 Rotas disjuntas entre vizinhos . . . 42
3.5 Média da potência de recepção . . . 43
3.6 Definição do problema de otimização . . . 43
4 Metodologia dos Experimentos e Resultados 49 4.1 Metodologia experimental . . . 49
4.2 Resultados . . . 51
4.2.1 Cenário 1 . . . 51
4.2.2 Cenário 2 . . . 60
5.2 Inovação . . . 70 5.3 Desafios . . . 70 5.4 Perspectivas . . . 71
Lista de Figuras
2.1 Comparativo das pilhas de comunicação. . . 10
2.2 Estrutura da rede WirelessHART. . . 11
2.3 Formato do pacote da camada de enlace. . . 13
2.4 Slote Superframe. . . 14
2.5 Salto de frequência. . . 14
2.6 Roteamento por grafo. . . 16
2.7 Roteamento na origem. . . 17
2.8 Quadro da camada de transporte. . . 17
2.9 Estrutura da rede ISA100.11a. . . 19
2.10 Formato do pacote de dados (camada física e camada de enlace). . . 21
2.11 Salto de canal e salto lento de canal. . . 21
2.12 Espectro de canais na faixa ISM de 2.4GHz. . . 22
2.13 Solução simples de um AG. . . 29
2.14 Fronteira de Pareto. . . 31
2.15 NSGA-II (Fronteiras com rank e distância de aglomeração). . . 33
3.1 Rotas disjuntas. . . 42
3.2 Rotas disjuntas entre instrumentos. . . 42
3.3 Exemplo de Cromossomo. . . 46
4.1 Cenário do teste 1 com instrumentos fixos. . . 51
4.2 Cenário do teste 1 com todos os instrumentos (roteadores, sensores e ga-teways). . . 52
4.3 Solução do algoritmo proposto para o cenário do teste 1. . . 56
4.4 Solução do algoritmo das regras para o cenário do teste 1. . . 57
4.5 Solução do algoritmo sem rotas disjuntas entre instrumentos para o cená-rio do teste 1. . . 57
4.6 Fronteira de Pareto para o cenário do teste 1 (Roteadores x Rotas Disjun-tas por instrumento). . . 58
4.7 Fronteira de Pareto para o cenário do teste 1 (Roteadores x Rotas Disjun-tas entre instrumentos). . . 58
4.8 Comparação de combinações de 3 rotas disjuntas entre Algoritmo pro-posto e Algoritmo 2 (cenário 1). . . 59
4.9 Comparação de combinações de 1 rotas disjuntas entre Algoritmo pro-posto e Algoritmo 2 (cenário 1). . . 60
4.10 Cenário do teste 2 com instrumentos fixos. . . 64
4.12 Solução do algoritmo proposto para o cenário do teste 2. . . 65 4.13 Solução do algoritmo das regras para o cenário do teste 2. . . 65 4.14 Solução do algoritmo sem rotas disjuntas entre instrumentos para o
cená-rio do teste 2. . . 66 4.15 Fronteira de Pareto para o cenário do teste 2 (Roteadores x Rotas
Disjun-tas por instrumento). . . 66 4.16 Fronteira de Pareto para o cenário do teste 2 (Roteadores x Rotas
Disjun-tas entre instrumentos). . . 67 4.17 Comparação de combinações de 3 rotas disjuntas entre Algoritmo
pro-posto e Algoritmo 2 (cenário 2). . . 68 4.18 Comparação de combinações de 1 rotas disjuntas entre Algoritmo
Lista de Tabelas
1.1 Classificação das operações industriais . . . 2
2.1 Endereçamento IPv6 para os instrumentos ISA100. . . 23
2.2 Quadro da camada de transporte. . . 24
2.3 WirelessHART x ISA100. . . 26
2.4 Soluções e seus valores para as características F1 e F2. . . 30
4.1 Parâmetros utilizados. . . 50
4.2 Resultados do cenário 1 (algoritmo proposto). . . 52
4.3 Resultados do cenário 1 (algoritmo sem rotas disjuntas entre instrumentos). 54 4.4 Resultados do cenário 2 (algoritmo proposto). . . 60 4.5 Resultados do cenário 2 (algoritmo sem rotas disjuntas entre instrumentos). 62
Lista de Símbolos e Abreviaturas
ACK: Acknowledge ou confirmação da recepção de um pacote provindo da outra camada de enlace.
ASN: Absolute Slot Number é um contador de slots, espaços de tempo, utilizados nas transmissões com TDMA.
Backbones: É o sistema de apoio de uma rede. Normalmente utilizada para interligar redes de dados.
Broadcast: Transmissão de dados entre uma fonte e vários receptores. Todos os recepto-res ao alcance são destinatários dos dados.
Cluster-head: É um dispositivo que tem por objetivo concentrar a informação dos sen-sores dentro de sua área de alcance (o cluster) e enviar esse dado agregado ao nó sink.
CRC: Cyclic Redundancy Check ou checagem de redundância cíclica é utilizado para verificação de erro em um pacote utilizando um cálculo polinomial de 16 bits.
CSMA-CA: Carrier sense multiple access with collision avoidance é um método de acesso múltiplo de redes onde a transmissão só ocorre se o meio estiver livre.
DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum ou sequência direta de espalhamento do espec-tro, uma técnica de modulação.
Duocast: Transmissão de dados entre uma fonte e dois receptores. Os receptores confir-mam em momentos distintos a recepção dos dados.
EUI: Extended Unique Identifier ou identificador único estendido, é o endereço físico de um instrumento WirelessHART, podendo ainda ser utilizado um nickname ou apelido.
GAs: Genetic Algorithms ou algoritmos genéticos é um tipo de algoritmo que se utiliza de uma técnica evolucionária para a resolução de problemas.
GHz: Gigahertz ou 1 bilhão de Hertz.
GW: Abreviação de Gateway, que por sua vez, pode ser apenas um equipamento para tradução de protocolos ou, pode ser um equipamento dotado de várias funcionali-dades como a de gerenciador de rede e/ou gerenciador de segurança de uma rede de sensores industriais sem fio.
HCF: HART Communication Foundation Fundação que dá suporte técnico à tecnologia HART.
Hz: Hertz, unidade de medida do Sistema Internacional para a frequência.
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers, organização profissional sem fins lucrativos dedicada ao avanço da tecnologia.
ISA: International Society of Automationuma associação que profissional sem fins lu-crativos dedicada a área da engenharia e da técnica e desenvolvimento de padrões.
ISM: Industrial, Scientific and Medical, faixa de frequência para uso médico, industrial e científico, reservada internacionalmente e livre de licença.
Join key: Chave utilizada por instrumentos que desejam se conectar a uma rede industrial sem fio.
Link: Enlace de comunicação ativo.
LLC: Logic Link Control, subcamada MAC que auxilia essa em diversos aspectos como a conversão de requisições em comandos a serem executados.
MAC: Media Access Control ou Controle de Acesso ao Meio é a designação para a ca-mada 2 do modelo OSI.
MHz: Megahertz ou 1 milhão de hertz.
MIC: keyed message integrity code é utilizado para pela camada de enlace para autenticar a parte do pacote relativo a camada de enlace.
MOGAs: Multi-Objective Genetic Algorithms ou algoritmos genéticos multiobjetivos é uma classe de algoritmos genéticos e tem por principio a resolução de problemas com múltiplas funções objetivo.
MP: É a média de potência dos instrumentos que compõem as soluções do algoritmo proposto.
MS: É o valor da média de saltos utilizados para avaliar o algoritmo proposto.
Offset: No quesito de redes industriais sem fio, o Offset é o deslocamento de uma faixa de transmissão gerado pelo gerenciador da rede para cada instrumento. Assim não ocorrem transmissões simultâneas sobre o mesmo canal de comunicação.
OSI: Open System Interconnection, Modelo utilizado como referência para protocolos de comunicação.
QoS: Quality of Service ou qualidades de serviço, é a capacidade de manter a qualidade de transmissões em uma rede.
Rank: Nível de uma fronteira de Pareto dentro de um espaço de soluções.
RDE: É a quantidade de combinações de 1 rota disjuntas entre instrumentos utilizados para avaliar o algoritmo proposto.
RDP: É quantidade combinações de 3 rotas disjuntas por instrumento utilizados para avaliar o algoritmo proposto.
Relay node: É um dispositivo que tem como único objetivo repassar dados gerados por outros sensores de uma rede de sensores sem fio.
Sink: É o dispositivo destino de toda a informação de uma rede de senores sem fio.
TDMA: Time Division Multiple Access ou Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo é uma técnica de compartilhamento e acesso a um meio de comunicação
TI: Total de instrumentos da rede utilizados para avaliar o algoritmo proposto.
TR: É o total de roteadores utilizados para avaliar o algoritmo proposto.
UDP: User Datagram Protocol é um protocolo utilizado a nível da camada de transporte. É um protocolo simples e que não garante que o pacote chegue ao seu destino.
Unicast: Transmissão de dados entre uma fonte e um receptor. Só existe um endereço de destino.
UWB: Ultra-Wideband ou banda larga, qualquer tecnologia de radio que utilize banda maior que 500MHz
WH: WirelessHART, protocolo de comunicação sem fio que surgiu na revisão 7.0 do protocolo HART.
WISN: Wireless Industrial Sensors Network ou redes de sensores industriais sem fio são redes com equipamentos mais robustos, desenvolvidos para o chão de fábrica e resistentes a ambientes hostis.
WSN: Wireless Sensors Network ou redes de sensores sem fio são redes de aplicações amplas, desde monitoramento de florestas á monitoramento de animais. Normal-mente são sensores pequenas e baratos.
Capítulo 1
Introdução
A evolução da tecnologia nos proporcionou uma melhora significativa nos sistemas de comunicação. Inicialmente eram utilizados sistemas de comunicação pneumáticos que evoluíram para sistemas elétricos analógicos, seguindo para os sistemas elétricos digitais e, por fim, chegando às redes de campo. Atualmente nos deparamos com mais uma evolução dos sistemas de comunicação industrial, sendo esta talvez a que traga a maior quantidade de benefícios mas, por outro lado, a que possui a maior quantidade de desafios: as redes industriais sem fio.
As redes sem fio já estão sendo utilizadas a bastante tempo. A origem da comunica-ção sem fio remonta à descoberta das ondas de radio por Heinrich Rudolf Hertz em 1886 através de uma série de estudos que culminaram neste fato [Lazarus 1986]. Desde então transmissões sem fio vem sendo aplicadas em inúmeras tarefas como transmissão de voz (no radio ou na telefonia), de vídeo (transmissões de televisão), de dados (transmissões imagens e de análises de sondas e satélites espaciais), controle de sistemas (VANTs, Veí-culos Aéreos Não Tripulados, usados para vigilância e ataque em guerras) entre muitas outras aplicações.
Do ponto de vista das facilidades, as transmissões sem fio trouxeram um grande poder de mobilidade e de comunicação por longas distâncias que, em muitos casos, são im-praticáveis com a utilização de cabos. Talvez uma das maiores revoluções nesse sentido sejam os aparelhos celulares. Eles permitem que nos comuniquemos a qualquer hora e em qualquer lugar, parados ou em trânsito para nossos trabalhos, escolas, casas, de forma totalmente transparente.
E justamente essas características, mobilidade e comunicação através de longas dis-tâncias sem utilização de cabos, aliadas a ideia de que os equipamentos por si sós são robustos o suficiente para serem aplicados as mais diferentes condições, se tornam os maiores atrativos para adoção das transmissões sem fio no ambiente industrial. Existem muitos ambientes que são realmente nocivos para os cabos de comunicação, seja por causa de altas temperaturas, seja por causa de produtos químicos corrosivos, que podem destruir a capa de proteção de fios comuns, exigindo a utilização de compostos mais resistentes ou mesmo de uma blindagem para os cabos.
Além disso, existem muitos equipamentos que possuem partes móveis onde os senso-res devem ser instalados. Com o movimento repetitivo dessas partes, os cabos acabam se partindo por fadiga, o que ocasiona uma parada do processo para a manutenção. Outro
problema é a necessidade de reconfiguração do ambiente. Pode existir a necessidade de mudar um determinado equipamento de local e a reinstalação do cabeamento, dos con-duítes ou canaletas eleva bastante o custo da planta [Brooks 2001].
Existem diversos protocolos de comunicação sem fio cada um com suas característi-cas específicaracterísti-cas, mas a performance requerida no ambiente industrial possui outros níveis de exigência relativos a distância de comunicação, taxas de transmissão, confiabilidade, latência, consumo de energia e segurança.
A ISA (The Instrumentation, Systems and Automation Society), através do grupo de trabalho SP100, definiu 6 classes de operações para determinadas aplicações, como po-dem ser vistas na tabela 1.1 [Zheng 2010].
Tabela 1.1: Classificação das operações industriais
Catalog Class Operations
Safety Class 0 Emergency Action
Control Class 1 Closed Loop
Regulatory Control
Class 2 Closed Loop
Supervisory Control
Class 3 Open Loop Control
Monitor Class 4 Alerting
Class 5 Data Logging
As primeiras classes são aquelas que exigem um maior nível de confiabilidade e de baixa latência já que são aquelas que envolvem o controle de processos e ações de emer-gência para casos em que o processo atinge algum estado perigoso. As classes inferiores envolvem apenas a monitoração (alertas e registro de dados) e por tal, espera-se serem as primeiras a adotarem a tecnologia sem fio.
Algumas empresas começaram o desenvolvimento de padrões de comunicação sem fio para a sua linha de instrumentos que conseguissem atender as exigências do mer-cado. O IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) mantém um padrão cha-mado 802.15.4 que serve de base para muitos padrões como o ZigBee[Organization 2012], ISA100.11a[ISA100 2014] e WirelessHART[HCF 2010] e que define as camadas física e MAC (Media Access Control).
O ZigBee, comparado a outros protocolos como Bluetooth, UWB (Ultra-Wideband) e Wi-Fi se mostrou mais adequado para aplicações de controle industrial [Lee et al. 2007]. Ele foi criado por um consórcio de múltiplos fornecedores chamado de ZigBee Alliance trabalhando sobre o protocolo 802.15.4. Ele define as camadas de rede, de aplicação, frameworke perfis de aplicação além do mecanismo de segurança [Lee et al. 2009].
Apesar de o ZigBee ser o mais adequado para aplicações industriais dentre esses pro-tocolos de baixo alcance e consumo, ele não é realmente adequado para ser um padrão largamente utilizado no ambiente industrial pois possui inúmeros problemas como a au-sência de diversidade de canais e diversidade de caminhos [Lennvall et al. 2008].
A HART Communication Foundation(HCF) saiu na frente e desenvolveu o primeiro padrão aberto e interoperável de comunicação wireless industrial chamado de
Wireles-1.1. HIPÓTESE 3
sHART [Akerberg et al. 2011]. Ele foi lançado e aprovado em 2007 na revisão 7.0 da especificação do protocolo HART. Seguindo o WirelessHART, foi lançado o protocolo ISA100.11a que foi desenvolvido pela ISA como parte do ISA100 que tem como obje-tivo ser uma família de redes compatíveis para o ambiente industrial. O ISA100.11a foi aprovado como padrão em 2009 [Hasegawa et al. 2011].
Da mesma forma que o ZigBee, ambos os protocolos WirelessHART e ISA100.11a utilizam a camada física do 802.15.4, mas propõem uma nova camada MAC que combina TDMA (Time Division Multiple Access) e saltos de frequência para controlar o acesso a rede [Akerberg et al. 2011].
Como o 802.15.4 trabalha na faixa de frequência ISM (Industrial, Scientific and Me-dical) de 2.4GHz, muitos outros sistemas que trabalham nessa faixa, como o Bluetooth, o WiFi e mesmo o ZigBee, além de outras redes WirelessHART e ISA100.11a, podem cau-sar interferência nos canais utilizados por uma determinada rede (seja ela WirelessHART ou ISA100.11a) e a técnica de saltos de frequência provê a robustez desejada para as aplicações industriais, já que a troca de canais permite evitar aqueles que estejam sobre influência de alguma interferência.
Mas apesar dessa e outras alterações que tornam esses protocolos mais adequados ao ambiente industrial, eles ainda sofrem do problema de utilizar um meio de comunicação que susceptível a diversos tipos de interferências e que pode ser agravado pelo posiciona-mento dos instruposiciona-mentos.
Diferente das redes de sensores sem fio em aplicações não industriais como vigilância e monitoramento de tráfego, onde os pesquisadores já demonstram grande interesse no posicionamento propondo diversas estratégias e algoritmos para alcançar objetivos como custo, eficiência energética, novos protocolos de roteamento, maior cobertura e conec-tividade na formação das redes, as redes de sensores sem fio industriais possuem um requerimento mais alto com relação a confiabilidade, especialmente para os sistemas que envolvem controle [Wang et al. 2011].
Nenhuma indústria deseja possuir um sistema que durante o dia, com o movimento de pessoas ou veículos pela planta, falha em determinados momentos. Além de não ser desejado, se torna perigoso visto que, se os sensores pararem de transmitir as informações medidas, podem ocasionar falhas em malhas de controle.
1.1
Hipótese
No caso das redes industriais sem fio, a característica da confiabilidade é primordial. Os instrumentos em si possuem grau de confiabilidade elevado, pois seus hardwares são desenvolvidos com tecnologia de ponta (componentes robustos, placas de circuito protegi-das de agentes externos), o que torna uma falha da rede (ou uma falha de monitoramento) pela falha de um instrumento, coisa bem mais rara que uma falha de comunicação.
A falha de comunicação é um tipo de falha com probabilidade maior de ocorrer, mesmo com as diversas tecnologias empregadas nos equipamentos para evitá-la. Isso se deve ao fato da comunicação ocorrer através do ar, meio em que não é possível um controle mais rígido. Interferências por outros equipamentos e obstruções são mais fáceis de ocorrer principalmente porque as transmissões eletromagnéticas são invisíveis ao olho
humano e portanto, é imperceptível se um determinado equipamento está gerando ruído que possa afetar as comunicações de alguns instrumentos da planta ou se o simples posi-cionamento de um maquinário ou de um veículo está causando uma obstrução dentro das comunicações de uma rede.
Para evitar tais problemas, regras e procedimentos são adotados pelas empresas para a alocação dos instrumentos. A HCF definiu um conjunto de regras, que é replicado pela fabricante Emerson [Emerson 2011], que devem ser levadas em conta durante o processo de instalação dos instrumentos WirelessHART. Tais regras tem como objetivo aumentar o grau de redundância de rotas de comunicação da rede e possibilitar a cada instrumento, na ocasião da perda de comunicação com um instrumento (de uma rota), trafegar sua informação por outro instrumento (de outra rota).
Tais regras são simples de serem entendidas pois levam em conta apenas aumentar a quantidade de opções (instrumentos vizinhos) de cada instrumento da rede a fim de possibilitar a redundância de rotas. Mas tais regras não levam em consideração outros aspectos como analisar o quão disjunto um conjunto de rotas de um instrumento é e a análise do quão disjunto as rotas dos instrumentos da rede são entre si.
Essa análise permite verificar se um determinado conjunto de rotas não possui um gargalo, ou seja, um instrumento crítico, em que sua falha afeta várias rotas de um mesmo instrumento e ou um gargalo da rede, onde um instrumento crítico afeta as rotas de vários instrumentos.
Além disso tais regras são de aplicação empírica e manual, através de algumas ferra-mentas ou durante um site survey na planta, não permitindo um planejamento que mini-mize a quantidade de instrumentos a serem utilizados nem uma alocação otimizada. Na verdade, a regras adotada pela maioria das empresas é o de quanto mais melhor. Mais ins-trumentos é igual a maior quantidade de rotas e maior redundância, sem falar no aumento do nível do sinal entre os instrumentos, diminuindo a possibilidade de interferência por outros equipamentos. O problema que mais instrumentos eleva o custo da implantação de uma rede sem fio.
As empresas não possuem sistemas automáticos e inteligentes que tentem dimensionar o tamanho da rede minimizando os custos com equipamentos e tentando posicioná-los de maneira a aumentar o nível de redundância de rotas. É possível perceber que isso é um problema de otimização com objetivos conflitantes, ou seja, objetivos que são opostos no sentido de obter melhores resultados.
Diante do exposto, a hipótese a ser defendida é:
• O uso de um sistema inteligente para a alocação de instrumentos em redes industri-ais de sensores sem fio otimizando parâmetros com múltiplos objetivos envolvidos.
1.2
Objetivo
Com base na hipótese, é possível definir o objetivo principal deste trabalho: o desen-volvimento de uma ferramenta (sistema) automatizado e inteligente de otimização, uma metaheurística, multiobjetiva baseado na alocação dos instrumentos de uma rede indus-trial de sensores sem fio.
1.2. OBJETIVO 5
Essa ferramenta deve ser alimentada com informações da planta/rede industrial sem fio como a localização de instrumentos de medição (dos pontos de medição) e ponto de acesso (gerenciador da rede sem fio) e definir a necessidade de acréscimo de instrumentos roteadores dentro da rede e seu posicionamento. Esse acréscimo e posicionamento dos instrumentos deve favorecer o desenvolvimento de uma quantidade maior de rotas de comunicação, o que aumenta a robustez do sistema.
Diferente de alguns trabalhos (como [Wang et al. 2011], [Romoozi & Ebrahimpour-Komleh 2010], [Heidari & Movaghar 2009]) que utilizam a ideia de otimização com restrições, levando em consideração o aspecto desejado (a confiabilidade ou o consumo de energia por exemplo), podendo mover os instrumentos livremente, esse processo não condiz exatamente com a realidade.
A ideia é poder determinar o acréscimo e onde dispor novos instrumentos (roteadores) de forma a aumentar a quantidade de rotas de comunicação, sob restrições como locais possíveis de instalação, quantidade mínima de rotas disjuntas em um mesmo instrumento e quantidade mínima de rotas disjuntas entre instrumentos, maiores níveis de potência en-tre os instrumentos de uma rota, tudo isso utilizando a menor quantidade de instrumentos possível.
A ideia deste trabalho surgiu da observação que as regras geradas pela HCF são muito simplificadas e ainda permitem falhas de alocação, o que favorece a criação de gargalos, sem falar numa técnica que limite a adoção de instrumentos. Além disso, trabalhos como o de HAN [Han et al. 2010], que exemplifica bem a utilização de rotas disjuntas, puderam fornecer a base para a proposta deste trabalho, focado nos problemas relacionadas as redes industriais sem fio e sua restrição quanto a alocação de seus instrumentos (fixa para a maioria dos instrumentos de medição).
Do ponto de vista da tabela 1.1, por este trabalho permitir o aumento da disponi-bilidade de rotas para cada instrumento, podendo aumentar a confiadisponi-bilidade da rede, a utilização de determinadas redes em classes mais baixas como controle se torna possível. Mas o aumento da quantidade de rotas não deve ser a única característica a ser observada e desejada para classes mais baixas como controle e segurança.
Como aumenta disponibilidade de rotas, esse trabalho também pode ser aplicado a outros tipos de redes sem fio, bastando modificar as restrições do algoritmo, como a ne-cessidade da combinação de rotas ser de 3 rotas disjuntas, podendo ser duas ou mais de três. Outra modificação seria a de permitir mais de um instrumento "coletor"de da-dos. Em outros tipos de redes sem fio, podem existir vários instrumentos agregadores de informação, como instrumentos cluster heads, que são instrumentos que concentram a informação de vários sensores e repassa ao nó principal um pacote maior de informações.
As principais contribuições científicas esperadas deste trabalho são:
• Levantamento de principais características a serem observadas no projeto de aloca-ção de redes industriais sem fio;
• Definição formal de tais características de tal forma que possam ser utilizadas como métricas de otimização;
• Criação de uma metaheurística para solucionar o problema de otimização do posi-cionamento de instrumentos roteadores em uma rede industrial sem fio.
A definição de tais características permite a criação das funções objetivo focadas nos aspectos de disponibilidade de rotas para os instrumentos sensores de uma rede sem fio. Essas funções devem ser reunidas em uma função multiobjetiva que define parâmetros de otimização no que tange a alocação de instrumentos roteadores de forma automática. Esses parâmetros são chave para a determinação de robustez da rede frente a perda de rotas por falha de roteadores, permitindo aos instrumentos ter rotas alternativas para o tráfego de seus dados.
Uma perda de rota nada mais é que a perda de uma caminho para que a informação gerada por um instrumento sensor chegue ao seu destino, o gerenciador da rede. Essa rota pode ser direta (comunicação direta entre o instrumento sensor e o gerenciador da rede) ou através de outros instrumentos, sejam eles com a função exclusiva de roteado-res, sejam eles instrumentos sensores com a função adicional de rotear pacotes de outros instrumentos.
No caso da proposta deste trabalho, os instrumentos a serem inseridos possuem apenas a função de roteadores. Os instrumentos sensores possuem ambas as funções (sensores e roteadores), mas esses estão fixos e não podem ter suas posições alteradas pelo algoritmo visto que no ambiente real, eles estariam conectados ao maquinário da planta industrial, estando presentes em todas as soluções, já que são os instrumentos que geram as infor-mações da planta. Dessa forma, o problema de otimização foca apenas nos instrumentos roteadores que são livres e podem ser alocados de forma a otimizar a disponibilidade das rotas para os instrumentos fixos.
O problema de otimização de redes sem fio é um assunto bem explorado na literatura, mas quando o tema são redes industriais sem fio, a pouca literatura sobre o assunto difi-culta a pesquisa e comparações de resultados. Os trabalhos mais proeminentes focam em redes de sensores sem fio que possuem outro foco e funcionamento diferente das redes in-dustriais sem fio. Os protocolos WirelessHART e ISA100.11a possui grandes diferenças no que tange a forma como as comunicações são geradas e organizadas e as necessidades de redundâncias de rotas para aumentar a robustez. A forma de retransmissão e mudanças de rotas também é um quesito pouco explorado e todos esses itens foram os motivadores para o desenvolvimento deste trabalho.
1.3
Estrutura do trabalho
A presente tese foi dividida em capítulos, totalizando com este (a introdução) cinco capítulos. O segundo capítulo fornece a fundamentação teórica, trazendo os conceitos utilizados na proposta e permitindo uma aquisição dos conhecimentos básicos sobre os principais protocolos de comunicação sem fio para redes industriais e algoritmos inteli-gentes multiobjetivos (nesse caso especificamente algoritmos genéticos multiobjetivos), além de apresentar os trabalhos envolvidos (estado da arte) com o tema.
No terceiro capítulo é discutido o modelo proposto, definindo as características da rede industrial sem fio, definições matemáticas das funções objetivo, modelos de propagação e limitações bem como o algoritmo implementado.
No quarto capítulo são abordadas a metodologia de execução dos testes e os resultados obtidos com o trabalho em alguns cenários propostos.
1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO 7
O capítulo de encerramento conclui este trabalho, mostrando as contribuições cien-tíficas e técnicas, apontando também as perspectivas futuras para o desenvolvimento de novos trabalhos a cerca do problema abordado, além da análise final dos objetivos com a comprovação da hipótese.
Capítulo 2
Fundamentação teórica
Este capítulo abordará toda a fundamentação necessária para o entendimento do tra-balho, dando a noção sobre os principais protocolos de redes industriais sem fio existentes na atualidade e trabalhos relacionados com o tema da proposta.
2.1
Redes industriais sem fio
Os protocolos de comunicação sem fio para ambientes industriais se tornaram um dos maiores focos de estudos nos últimos anos devido a sua possibilidade de larga aplicação e redução significativa tanto no custo quanto no trabalho de implantação de novos projetos. Atualmente, dois protocolos abertos já estão em fase de utilização que são os proto-colo WirelessHART e o ISA100.11a. Ambos compartilham da mesma camada física (o 802.15.4), mas possuem diferenças nas camadas superiores a essa.
O 802.15.4 é padronizado pelo IEEE e provê comunicação sem fio de baixo consumo, custo e taxa de dados, definindo a camada física e de acesso ao meio (MAC). São definidas 3 faixas de frequência para o 802.15.4 que operam na faixa ISM, que é uma faixa livre, ou seja, não há licenciamento para se operar nela e nenhum usuário tem prioridade sobre outro, tendo como única restrição a potência do sinal para limitar a interferência entre sistemas concorrentes [Gomes et al. 2012]. São 27 canais ao todo, distribuídos entre essas 3 faixas de frequência, sendo 16 canais para a banda de 2.4 GHz, 10 canais para a banda de 915 MHz e 1 canal na banda de 868 MHz [Lee et al. 2009]. Os 16 canais são numerados de 11 a 26, espaçados de 5 MHz um dos outros e com uma banda efetiva de 1 MHz, trabalhando com DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) na camada física e com CSMA-CA na camada MAC ([Wagner & Barton 2012] e [Yang et al. 2010]) podendo também utilizar o TDMA (Time Division Multiple Access) e com um tamanho máximo do seu pacote de dados como sendo 133 bytes [IEEE 2006].
A Figura 2.1[Petersen & Carlsen 2011] exibe as camadas da pilha de comunicação de cada protocolo em comparação com o modelo OSI (Open Systems Interconnection) que é dividido em sete camadas que abstraem a pilha de comunicação das redes de compu-tadores. A partir delas pode-se traçar as diferenças básicas de funcionamento entre os protocolos WirelessHART e ISA100.11a.
Camada de aplicação superior Subcamada de aplicação
Serviços da camada de rede Camada de rede Camada de rede Camada de apresentação Camada de sessão Camada de transporte Camada de aplicação Camada de aplicação
Modelo OSI WirelessHART ISA100.11a
Subcamada MAC Extensão do MAC
Camada física
Controle do enlace lógico
Subcamada MAC Camada de enlace Não definida Não definida Não definida Camada de rede Camada física Camada física Camada de transporte Camada de transporte Não definida
Camada de enlace superior
Figura 2.1: Comparativo das pilhas de comunicação.
2.2
Redes WirelessHART
Em 2007 a Highway Addressable Remote Transducer (HART) Communication Foun-dation(HCF) lançou a revisão 7 do protocolo HART, um dos protocolos mais utilizados possuindo cerca de 24 milhões de instrumentos instalados ao redor do mundo. Essa versão possui as definições para a instrumentação sem fio, sendo o primeiro protocolo industrial sem fio aberto [Nobre et al. 2010]. A ideia do protocolo era que ele pudesse abordar essa nova área da instrumentação sem fio permitindo a interoperabilidade com o grande legado de dispositivos já instalados.
A Figura 2.2 exibe a estrutura de uma rede WirelessHART.
Existe uma série de instrumentos e componentes que são associados com uma rede WirelessHART e que são descritos a seguir [HCF 2010]:
• Network Manager - É o dispositivo responsável por configurar a rede, agendar as comunicações entre os dispositivos, gerenciar as tabelas de rotas e monitorar os avisos de saúde dos dispositivos da rede. Ele possui uma lista completa de todos os instrumentos conectados a rede e realiza a analise de performance e diagnósticos da rede. Se algum problema é detectado o gerenciador pode reconfigurar a rede enquanto em funcionamento.
• Security Manager - É o dispositivo responsável por gerar, armazenar e gerenciar todas as chaves de segurança de uma rede. Essas chaves são utilizadas tanto pelos dispositivos da rede quanto pelo Network Manager e servem para a entrada de dis-positivos e para encriptação dos dados na rede. Para cada rede deverá existir apenas um Security Manager, mas este pode gerenciar várias redes.
2.2. REDES WIRELESSHART 11 Locais Alternativos para os Gerenciadores de Rede e de Segurança Gateway Ponto de Acesso de Rede Dispositivo de Campo Dispositivo de Campo Dispositivo de Campo Dispositivo de Campo Dispositivo de Campo Dispositivo de Campo Adaptador Dispositivo WirelessHART Portátil Dispositivo Roteador Rede da Planta de Automação Servidores de Aplicação para a Planta de Automação
Figura 2.2: Estrutura da rede WirelessHART.
• Gateway - É o dispositivo responsável por prover o serviço de host para os instru-mentos da rede, comunicando redes diferentes que utilizam o mesmo protocolo ou mesmo redes de diferentes protocolos, convertendo os protocolos envolvidos. Ele também é utilizado como fonte de sincronização dos relógios dos instrumentos da rede e pode ter integrado o Network e o Security Manager.
• Network Access Point - É uma parte lógica do Gateway que pode suportar um ou mais network access points. O network access point tem como função prover a conexão física com a rede sem fio. Ele também tem a função de propagar o clock para a rede.
• Router - São instrumentos que encaminham pacotes de dados de um instrumento para outro dentro da rede. Eles utilizam as informações de roteamento para encon-trar o próximo vizinho que deverá receber o pacote transmitido a ele. Em geral, todos os dispositivos da rede tem a capacidade de serem Routers, mas um
rou-ter normalmente não está conectado ao processo e não opera como gateway e se houver uma falha na sincronização dos relógios por parte do gateway, ele passa a exercer esta função, fornecendo a sincronização do relógio.
• Adapter - São dispositivos que possuem toda a estrutura de comunicação para redes WirelessHART e são capazes de prover conectividade física e lógica de instrumen-tos não nativos desse tipo de rede. Ele pode se comunicar com instrumeninstrumen-tos HART ou com instrumentos que utilizem comunicação de 4-20mA.
• Field Device - São os instrumentos que estão conectados diretamente ao processo, realizando medições ou controle em equipamentos. Eles produzem ou consomem pacotes de dados e tem a capacidade de encaminhar pacotes provindos de outros instrumentos de campo.
• Handheld Device - É um dispositivo utilizado na instalação, controle, monitora-mento e manutenção dos instrumonitora-mentos da rede, sendo um equipamonitora-mento portável. Ele pode se conectar com a rede por duas formas: Através da própria rede sem fio, atuando como se fosse um instrumentos comum da rede, ou através da rede de automação da planta, como se fosse um host.
2.2.1
Pilha de comunicação
Camada física
A camada física é baseada no padrão IEEE 802.15.4, mas o WirelessHART possui sua própria camada MAC e não utiliza algumas propriedades do 802.15.4. Utiliza apenas a faixa ISM de 2.4 GHz, não suportar o canal 26 devido a este não ser aceito nas normas de algumas regiões do mundo e possui um tempo de troca entre os canais de 0.192ms [Nobre et al. 2010].
A distância de transmissão entre dois instrumentos é de 100 m, mas pode ser maior dependendo de fatores como potência de transmissão, tipo da antena utilizada e as obstru-ções encontradas entre os dois instrumentos [HCF 2010], além da sensibilidade do radio.
Camada de enlace
A camada de enlace é dividida em duas sub-camadas: a mais alta é a Logic Link Control(LLC) e a mais baixa é a Medium Access Control (MAC).
A sub-camada LLC provê funcionalidades como gerenciar as iterações entre as ca-madas de enlace, convertendo requisições em comandos a serem executados, preparar e analisar os pacotes a serem transmitidos/recebidos, controlar o fluxo e detectar erros, manter a tabela de vizinhos e garantir a segurança da camada de enlace. Essa sub-camada deverá fornecer para a camada física um datagrama como o exibido na Figura 2.3.
O primeiro campo é o modo de dados que segue o padrão 802.15.4-2006, o segundo campo especifica o tipo de endereço que está sendo utilizado para a origem e destino do pacote, podendo ser utilizado o EUI (Extended Unique Identifier ou identificador único estendido) ou um nickname.
2.2. REDES WIRELESSHART 13
0x41 Addressspecifier SeuuenceNumber Network_IDDestination address Source address DLPDU specifier DLL payload MIC CRC
Figura 2.3: Formato do pacote da camada de enlace.
O terceiro campo especifica o número de sequência baseado no último octeto do ASN (Absolute Slot Number que é um contador dos slots que já foram usados na rede desde que ela foi formada, contendo o número do atual slot para transmissão). O quarto campo define o endereço da rede, pois nenhum instrumento de uma rede pode transmitir pacotes diretamente para um outro em uma rede diferente, sendo que se isso ocorrer, o instrumento que recebe o pacote o descarta assim que compara os endereços de rede. O quinto e o sexto campo especificam o endereço de destino e de origem, que dependendo do tipo escolhido, pode ter o tamanho de 2 octetos (para o nickname) ou 8 octetos (para o EUI-64).
O sétimo campo define o tipo de pacote transmitido, a segurança e a sua prioridade, podendo ter prioridade de alarme (baixa prioridade), normal, de dados ou de comando (alta prioridade), estar utilizando a chave de segurança da rede e pertencer ao tipo ACK (Acknowledge ou confirmação da recepção de um pacote provindo da outra camada de enlace), Advertise (Usado para requisitar a entrada de novos instrumentos na rede), Keep-alive(usado para verificar que um instrumento ainda está na rede e consequentemente a conexão com ele ainda existe), Disconnect (usado para informar aos vizinhos que um de-terminado dispositivos está deixando a rede) ou Data(informa que está sendo transmitido um dado que está sendo transmitido ao longo da rede).
O oitavo campo carrega o dado propriamente dito. O nono campo é o MIC (keyed message integrity code) e é utilizado para pela camada de enlace para autenticar a parte do pacote relativo a essa camada. O último campo é o CRC (Cyclic Redundancy Check ou checagem de redundância cíclica) que é utilizado para verificação de erro em todo o pacote utilizando um cálculo polinomial de 16 bits, por isso esse é um CRC-16 [HCF 2010].
A sub-camada MAC é responsável pela comunicação entre dois instrumentos de forma determinística e livre de colisões, ocorrendo através de slots de tempo. O conjunto de slots é chamada de superframe e sobre ele é aplicado a técnica Time Division Multiple Access (TDMA). A Figura 2.4 ilustra a ideia dessa estrutura.
Todos os dispositivos suportam vários superframes, numerados a partir do número 0, sendo necessário que ao menos um superframe esteja habilitado enquanto os outros po-dem estar ou não. O tamanho do superframe define a taxa de atualização de um dado, já que o instrumento só irá repetir a transmissão do seu dado quando todos os slots forem utilizados (todas as outras transmissões no superframe forem executadas pelos instru-mentos), dessa forma, por slot de tempo, existem dois instrumentos alocados, um sendo a origem da transmissão de um dado e o outro o destino. Mas podem existir mais ins-trumentos envolvidos em uma única transmissão, como é o caso de uma transmissão em broadcast, onde um instrumento transmite para vários outros da rede.
Superframe
cycle n-1 cycle n cycle n+1
Destination listens for the start of message Slot Transmission starts STX ACK Source listens
Destination ACK starts
Figura 2.4: Slot e Superframe.
imediatamente após, pode ser enviado pelos instrumentos de destino um pacote ACK em resposta, confirmando se o recebimento do pacote foi um sucesso ou houve algum tipo de falha na transmissão. Esse pacote só é transmitido no caso de uma recepção com sucesso ou com algum erro conhecido dos instrumentos, sendo que para todos os outros casos, não é enviado nenhum ACK de volta ao instrumento de origem.
Combinado ao TDMA é utilizado o salto de frequência, sendo o responsável por evitar a interferência e reduzir os efeitos de múltiplos percursos. A Figura 2.5 ilustra como funciona o salto de frequência em múltiplos superframes.
cycle n-1 cycle n cycle n+1 cycle n+2 Fn +3 Fn+2 Fn+1 Fn Fn-1 Fn-2 Fn-3 Frequency Time
Figura 2.5: Salto de frequência.
Cada instrumento possui uma lista de canais que é alimentada pelo Network Manager. Para um mesmo slot de tempo, podem ser atribuídos até o máximo de 15 instrumentos transmitindo ao mesmo tempo graças aos diferentes canais de frequência. O trio super-frame, slot e canal determina um link de comunicação, sendo que a quantidade máxima de links de comunicação é determinada pela multiplicação da quantidade de canais (neste
2.2. REDES WIRELESSHART 15
caso 15 canais) pela quantidade de slots em um superframe.
Mas a quantidade de canais pode variar de rede para rede devido a uma característica deste protocolo que é a channel blacklist (lista negra de canais em uma tradução literal). Essa lista restringe os canais que os instrumentos podem utilizar justamente porque exis-tem ambientes onde os instrumentos estarão compartilhando a banda de 2.4 GHz com outros sistemas, como é o caso do Wi-Fi, e nestes casos o operador já pode colocar na lista negra os canais que estarão diretamente sendo afetados, impedindo assim da rede WirelessHART sofrer alguma interferência e perda de pacotes.
Além de uma lista de canais, cada instrumento também armazena tabelas relativas aos superframes (contém uma quantidade mínima de 16 quadros), tabelas de links (quanti-dade mínima de 64), tabelas de vizinhos (quanti(quanti-dade mínima de 32) e tabelas de grafos (quantidade mínima de 32).
Camada de rede
Esta camada também é dividida em duas: um nível mais alto responsável pelas fun-ções de segurança e o nível mais baixo responsável pela função de roteamento.
A função de segurança usa o MIC para autenticar a parte do pacote transmitido que é referente a esta camada. O MIC é gerado e confirmado utilizando o modo CCM (Combi-ned Counter with CBC-MAC) em conjunção com um cifrador AES-128. Ele utiliza para isso as chaves fornecidas pelo gerenciador da rede [HCF 2010].
O nível do roteamento provê o gerenciamento das comunicações fim-a-fim. Possui dois métodos que são o roteamento por grafo e na origem. No roteamento por grafo todos os links e dispositivos são previamente definidos para o roteamento dos pacotes, podendo haver vários grafos e cada um recebe um número de identificação (Graph_ID). O dis-positivo não contém todo o caminho, apenas o número de identificação dos grafos e os dispositivos para quem ele deve enviar os pacotes. Assim ele verifica qual é o Graph_ID contido no pacote recebido e então encaminha o pacote para o próximo dispositivo que irá realizar o mesmo até chegar ao destino, sendo que para garantir redundância e confi-abilidade, cada instrumento deve possuir ao menos dois outros instrumentos vizinhos. A Figura 2.6 exibe o funcionamento de um roteamento em grafo.
No caso do roteamento na origem, o dispositivo que gera o pacote define a rota e armazena ela inteiramente no pacote. Dessa forma, cada instrumento não precisa do conhecimento das rotas, eles apenas utilizam a informação contida no próprio pacote. Essa forma de roteamento é a mais falha justamente por não implementar redundância de rotas e qualquer falha de comunicação causa a perda do pacote. A Figura 2.7 exibe o funcionamento do roteamento na origem. O quadro da camada de rede pode especificar tanto um roteamento por grafo quanto na origem simultaneamente [HCF 2010].
Camada de transporte
A camada de transporte garante a entrega dos pacotes de dados ao seu destino final. Ela suporta tanto mensagens com confirmação (ACK) quanto mensagens sem confirma-ção de recebimento. Este tipo de serviço pode ser utilizado para que em uma comunicaconfirma-ção
Grafo 1 Grafo 2
Figura 2.6: Roteamento por grafo.
entre dois instrumentos, o instrumento de origem possa receber a confirmação que o seu pacote chegou ao instrumento de destino [Petersen & Carlsen 2011].
O quadro dessa camada pode ser visto na Figura 2.8, onde o transport control pos-sui apenas 1 byte sendo que os 3 bits mais significativos informam o tipo de serviço (com ACK ou não), se é um parâmetro específico da camada de transporte e se é uma comunica-ção broadcast (ou também um serviço de requisicomunica-ção e resposta). Os últimos bits indicam o número de sequência do pacote transmitido que é utilizado para detectar duplicatas, quadros perdidos e correlacionar respostas com requisições.
Camada de aplicação
A camada de aplicação provê os serviços para os processos de aplicações de usuário. Como a ideia do WirelessHART é que o protocolo seja totalmente aberto e compatível com os instrumentos HART cabeados, essa camada define os comandos, tipos de dados e de relato do status. Todas as comunicações realizadas entre dois dispositivos devem seguir um conjunto de comandos que são divididos em quatro grupos [Petersen & Carlsen 2011]:
2.2. REDES WIRELESSHART 17 I01 I02 I03 I04 I05 I06
Rota 1 -> I01 (Origem), I04, I05, I06 (Destino) Rota 2 -> I01 (Origem), I02, I03, I05 I06 (Destino)
Figura 2.7: Roteamento na origem.
Transport Control Transport Payload
Figura 2.8: Quadro da camada de transporte.
• Comandos universais - São comandos para a comunicação entre dispositivos HART cabeados.
• Comandos práticos universais - Eles são um conjunto de comandos usados para conseguir a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes.
• Comandos de uma familia de instrumentos - Como o próprio nome diz, é um con-junto de comandos específicos de um tipo de instrumento (como temperatura, pres-são, vazão) que realizam leituras ou atuação em malhas de controle.
• Comandos específicos de instrumentos - São comandos que foram definidos por fabricantes para seus instrumentos e que estão fora do protocolo de comunicação HART.
Como adicional, essa camada também é responsável pela fragmentação dos dados a serem transmitidos.
2.2.2
Segurança
O WirelessHART define um conjunto de chaves para garantir a segurança de suas comunicações. Uma delas é a join key, utilizada para autenticar um instrumento que desejam entrar em uma determinada rede. Uma vez autenticado, o Security Manager fornece novas chaves para comunicação, existindo as chaves de sessão e de rede.
A chave de sessão é a chave utilizada na autenticação das comunicações fim-a-fim na comunicação entre dois dispositivos. Quatro tipos de sessão são definidos assim que o ins-trumento entra na rede: Unicast entre insins-trumento e Network Manager (Gerenciamento de um instrumento), Unicast entre instrumento e gateway (comunicações normais), bro-adcast entre instrumento e Network Manager (Gerenciamento de todos os instrumentos da rede de forma simultânea) e broadcast entre instrumento e gateway (Envio de dados de aplicação pelo gateway para todos os instrumentos). Diferentes chaves de sessão são utilizadas para cada comunicação.
A chave de rede é utilizada para autenticar mensagens baseadas em um salto. Existem duas chaves de rede: Uma chave well-known que é uma chave de valor fixo e utilizada nas comunicações entre um dispositivos que está entrando na rede e os que já estão nela, e a chave de rede que é fornecida pelo Network Manager quando ele, de fato, entra na rede. Apesar de o Network Manager fornecer todas as chaves, a geração e controle de todas elas é realizado pelo Security Manager [Petersen & Carlsen 2011][HCF 2010].
2.3
Redes ISA100.11a
O ISA100 tem como objetivo ser uma família de redes compatíveis para o ambiente de automação industrial sendo o ISA100.11a o primeiro padrão lançado pelo comitê do ISA100 e que tem como objetivo ser uma rede wireless universal com suporte a Founda-tion Fieldbus, HART e Profibus PA, Modbus e outras redes sem fio como o WirelessHART e o Wi-Fi [Hasegawa et al. 2011][Dinh et al. 2010].
Uma típica rede ISA100.11a pode ser vista na Figura 2.9 [ISA100 2014].
Os dispositivos desse padrão desempenham papéis que são bem definidos pelo proto-colo. Cada dispositivo deve implementar ao menos um papel, mas ele pode desempenhar vários papéis desde que implemente todas as funções requeridas pelos papéis, que são definidas no protocolo. Os papéis definidos pelo protocolo são [ISA100 2014]:
• System Manager - É o dispositivo que governa a rede, controlando as comunica-ções e os instrumentos que dela participam. Ela monitora a performance da rede e deverá atuar na criação, manutenção, modificação e finalização de contratos, que são espécies de acordos entre os dispositivos e o system manager para a alocação dos recursos necessários para as comunicações entre eles.
2.3. REDES ISA100.11A 19 I/O ROT ROT ROT I/O I/O ROT PRO ROT BBR ROT/TIM BBR I/O GAT MAN SEC POR New Device
Plant Network Controle System
GAT MAN SEC BBR ROT POR PRO TIM I/O Role Gateway System Manager Security Manager BackBone Router Router Portable Provisioning Time Source I/O Device Backbone
Figura 2.9: Estrutura da rede ISA100.11a.
• Security Manager - É o dispositivo responsável por todo o gerenciamento de auten-ticações, chaves, autorização de comunicações de todos os instrumentos que fazem parte da rede ou que desejam entrar nela.
• Gateway - São dispositivos de interface entre as redes industriais ISA100.11a com outros tipos de redes industriais ou mesmo com as redes da própria planta, atuando como tradutor de protocolos, podendo existir múltiplos gateways em uma mesma rede. Na maioria dos casos ele pode ter agregado também os papeis do System Managere Security Manager.
• Backbone Router - São dispositivos que desempenham o papel de router também, mas encaminham as mensagens da rede via backbone, através de outros tipos de redes que utilizam outros protocolos como é o caso do protocolo IPv6. Eles podem se comunicar com outros backbone routers que estejam se comunicando com redes ISA100.11a distantes ou mesmo com o System Manager.
• Router - São os instrumentos que atuam como proxy (encaminhador de requisi-ções) e devem ter a capacidade de encaminhar mensagens e o clock da rede. Devem prover ainda diferentes níveis de QoS (Quality of Service ou em tradução literal, qualidades de serviço), extensão de rede e redundância de caminho. Suas funções podem ser desabilitadas pelo System Manager quando requerida a redução do con-sumo da bateria por exemplo.
Eles devem implementar as funções básicas para provisionamento, trocando as in-formações necessárias com os dispositivos e o Security Manager.
• I/O - São os instrumentos que geram e consomem dados como o caso de sensores e atuadores respectivamente. Devem prover capacidade de encaminhar pacotes para outros dispositivos, não devendo ser a sua função principal.
• System Time Source - É o dispositivo responsável por implementar o gerador de tempo de toda a rede. Como a temporização das comunicações é um item bastante importante da rede, ele é responsável por gerenciar esse aspecto promovendo a sin-cronização dos dispositivos, sendo que o instrumento que desempenha esse papel também deve implementar um dos outros papéis. O System Manager pode desem-penhar esse papel, mas também pode delegar essa função para algum dispositivo em cada subrede que ele supervisiona.
2.3.1
Pilha de comunicação
Camada física
Baseada no 802.15.4 e proporciona dois tipos de serviços: serviços de dados e serviços de gerenciamento. Os serviços de dados são responsáveis pela transmissão e recepção de dados dos usuários utilizando o meio físico (neste caso um canal de radio frequência). Já os serviços de gerenciamento são utilizados para o controle do hardware de radio como a seleção do canal de comunicação, a potência de transmissão [ISA100 2014].
Apesar do 802.15.4 poder utilizar as outras duas faixas ISM, o ISA100.11a utiliza apenas a faixa ISM de 2.4GHz com 16 canais (os de número 11 ao 26) podendo operar a taxas de 250 kbps [Dinh et al. 2010].
Camada de enlace
A camada de enlace pode ser considerada como uma máquina de estados dirigida por uma tabela de rotas. Cada dispositivo tem a sua máquina e sua tabela de rotas que é configurada pelo System Manager. Essa camada é responsável por construir os blocos como os timeslots, superframes, os links e o roteamento.
O timeslot é o menor período de transmissão de um pacote de dados. Ele possui um valor padrão que no caso do ISA100.11a pode ser configurado para 10 ms (o mesmo do WirelessHART) ou 12 ms. Eles são realinhados em um ciclo de 4 Hz ou a cada 250 ms de intervalo.
A existência do timeslot de 12 ms se deve ao fato da implementação de um sistema para aumentar a confiabilidade da rede ISA100.11a chamado de DuoCast. Nesse modo, o instrumento transmite seu pacote de dados para outros dois instrumentos ao mesmo tempo, duplicando as chances da informação chegar ao destino. Cada instrumento, ao receber o pacote, responde com um ACK, mas como são 2 pacotes ACK, há a necessidade desse aumento do tamanho do pacote.
O superframe é uma junção de vários timeslots e eles se repetem a cada ciclo do superframe. A quantidade total de timeslots determina o tempo do ciclo de repetição, ou
2.3. REDES ISA100.11A 21
seja, quando um determinado timeslot irá ser utilizado em uma transmissão novamente. Associado ao superframe também está associado o padrão de saltos de frequência.
Os Links são as conexões entre os dispositivos e refere-se a um timeslot ou um grupo de timeslots dentro de um superframe. Eles são a unidade básica do serviço desta camada e se repetem a cada ciclo, sendo definidos pelo gerenciador do sistema, que diz quem serão os dispositivos conectados, o tipo de conexão (transmissão ou recepção ou bidirecional), o canal escolhido para a transmissão no padrão de saltos de frequência e as conexões alternativas, podendo ser para um link único ou para vários dispositivos.
Diferente do WirelessHART o roteamento no ISA100.11a é realizado por esta camada e ele pode ser de dois tipos também, o roteamento por grafo e o roteamento na origem. Os dois tipos de roteamento podem ser mesclados em uma transmissão.
As rotas dos pacotes são montadas através das mensagens sobre a qualidade da co-nectividade wireless de todos os seus vizinhos enviadas dos instrumentos para o System Manager, que vai armazenando essa informação.
A estrutura do cabeçalho de um dado nesta camada pode ser vista na Figura 2.10 abaixo [ISA100 2014].
PPDU
MPDU/DPDU SHE+PHR
IEEE STD802.15.4 MAC header (MHR) DL header (DHR) DL payload (DSDU) DMIC FCS
Figura 2.10: Formato do pacote de dados (camada física e camada de enlace).
O ISA100.11a não utiliza muitas das características da camada MAC do 802.15.4, se restringindo a utilizar apenas o cabeçalho de dados. As características que o ISA100.11a suporta que não é suportada pela camada MAC original são implementadas na extensão da camada MAC, que implementa seu próprio sistema de reenvio de mensagens, envolvendo diversidade espacial (enviando para vários instrumentos), diversidade de frequência (envi-ando através de vários canais) e diversidade de tempo (atras(envi-ando o pacote a ser enviado), tudo sendo configurado pelo System Manager.
Essa camada ainda permite a utilização de três modos de operação que são salto de canal por slot, o salto lento de canal e o modo híbrido (combinação dos dois métodos anteriores). A Figura 2.11 ilustra a ideia dessas três operações.
Slotted hopping Slow hopping
Channels
time ...
Figura 2.11: Salto de canal e salto lento de canal.
canal diferente para a transmissão. No caso do salto lento de canal, são agrupados um número de slots de tempo numa escala que varia de 100 ms até 400 ms, podendo ser utilizado em instrumentos com tempo de sincronização menor ou em instrumentos que temporariamente perderam contato com a rede. Em ambos os modos o CSMA-CA pode ser utilizado [Dinh et al. 2010].
O esquema de salto de canal por slot é utilizado principalmente para evitar interferên-cia em canais que são compartilhados com outras tecnologias. Já o salto lento de canal necessita de canais mais livres para funcionar sem problemas. Neste caso os canais 15, 20 e 25 são confiáveis para esta funcionalidade por justamente estarem fora da zona de interferência dos canais Wi-Fi por exemplo (Figura 2.12)[ISA100 2014].
2400MHz 2425 MHz 2450 MHz 2475 MHz ~22 MHz
25 MHz
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Channel 1 Channel 6 Channel 11
5 MHz
802.11
802.15.4 (channel)
Figura 2.12: Espectro de canais na faixa ISM de 2.4GHz.
Os saltos de frequência são realizados seguindo 5 padrões que são:
• padrão 1: 19, 12, 20, 24, 16, 23, 18, 25, 14, 21, 11, 15, 22, 17, 13 (, 26) • padrão 2: Inverso do padrão 1
• padrão 3: 15, 20, 25 (Destinado ao uso do salto lento de canal) • padrão 4: Inverso do padrão 4
• padrão 5: 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 (, 26)
O canal 26 pode ser utilizado dependendo das restrições em alguns países e o padrão 5 é utilizado para facilitar a coexistência com o WirelessHART. O padrão de saltos do ISA100.11a é definido para possuir certas características como ter no mínimo 15MHz separando os canais (ou três canais entre os canais a serem utilizados em transmissões subsequentes), sendo que dispositivos diferentes podem utilizar o mesmo padrão através do offset do padrão. No caso do offset ser 0 utilizando o padrão 1, o dispositivo irá iniciar os saltos pela base do padrão (o canal 19), mas sendo 3, por exemplo, o dispositivo irá iniciar pelo quarto canal do padrão de saltos (canal 24). Isso impossibilita a utilização do mesmo canal por dois instrumentos diferentes que utilizam o mesmo padrão.
2.3. REDES ISA100.11A 23
Camada de rede
A camada de rede é responsável por várias funções como endereçamento, tradução de endereços, formatar os pacotes de dados, fragmentação e remontagem de pacotes e roteamento.
O endereçamento é responsável por determinar o endereço da informação em um dado pacote. A tradução de endereços é utilizada para converter os endereços curtos em longos e vice-versa. Os endereços curtos são utilizados dentro da rede dos instrumentos, de forma a gastar a menor quantidade de energia, enquanto os endereços longos são utilizados nas aplicações finais e nos backbones da rede.
Como pacotes de dados podem trafegar entre os instrumentos e os backbones e vice-versa, essa camada atua nessa conversão. Como os pacotes podem ser alterados devido as características da rede (podem ser longos ou curtos dependendo da topologia da rede) essa camada também é responsável por formatar os dados de forma adequada.
Se um pacote de dados for maior que o tamanho máximo aceito pela camada de enlace, a camada de rede também fica responsável por fragmentar os dados para o envio e reuni-los no receptor de forma transparente para as camadas superiores a essa. Já o roteamento se refere ao roteamento ao nível dos backbones já que o roteamento ao nível da rede é realizado pela camada de enlace.
O cabeçalho dessa camada foi desenvolvido para compatibilidade com o IPv6 (6Low-PAN) e por tal, utiliza endereçamento de 128 bits, sendo derivado do EUI de cada ins-trumento que possui 64 bits. O formato do endereçamento pode ser visto na Tabela 2.1 [ISA100 2014].
10 bits 54 bits 64 bits
1111111010 0 64 bits EUI
Tabela 2.1: Endereçamento IPv6 para os instrumentos ISA100.
Todos os instrumentos possuem um endereço de 16 bits na camada de enlace, que é o endereço curto utilizado para encaminhar as mensagens, mas também possuem o endereço longo de 128 bits e por tal, essa camada mantém uma tabela de conversão de endereços que é preenchida na entrada do instrumento na rede pelo System Manager.
Camada de transporte
A camada de transporte é responsável pelas comunicações fim-a-fim, provendo ser-viços como conexão UDP (User Datagram Protocol) sobre IPv6, melhor checagem de integridade e segurança adicional na autenticação e encriptação, gerenciando a segurança de forma similar ao aplicado na camada de enlace, mas com o escopo sendo comunicações fim-a-fim e não salto-a-salto.
Nessa questão de segurança, a camada de transporte reutiliza alguns itens da camada de enlace como encriptação, suportando o AES no modo CCM* (Counter with CBC-MAC) que já é definido no 802.15.4. O CCM* habilita a autenticação dos pacotes en-criptando uma parte da mensagem e deixando outra (cabeçalho, por exemplo) como dado puro.
