Desenvolvimento de um Sistema
de Controlo de Ilumina¸c˜
ao P´
ublica
e de Sinaliza¸c˜
ao Rodovi´
aria
Por
Jos´e Augusto Carneiro de Sousa
Orientador: Doutor Carlos Manuel Jos´e Alves Serˆodio
Co-orientador: Doutor Pedro Miguel Mestre Alves da Silva
Disserta¸c˜ao submetida `a
UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de
MESTRE
em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie – A, Decreto-Lei n.o
74/2006 de 24 de Mar¸co com as altera¸c˜oes introduzidas pelos Decretos-Leis n.o 107/2008, de 25 de Junho, e 230/2009, de 14 de Setembro, e demais legisla¸c˜ao
aplic´avel e no Regulamento de Ciclo de Estudos Conducente ao Grau de Mestre da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
DR, 2.a
s´erie – n.o
Desenvolvimento de um Sistema
de Controlo de Ilumina¸c˜
ao P´
ublica
e de Sinaliza¸c˜
ao Rodovi´
aria
Por
Jos´e Augusto Carneiro de Sousa
Orientador: Doutor Carlos Manuel Jos´e Alves Serˆodio
Co-orientador: Doutor Pedro Miguel Mestre Alves da Silva
Disserta¸c˜ao submetida `a
UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de
MESTRE
em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie – A, Decreto-Lei n.o
74/2006 de 24 de Mar¸co com as altera¸c˜oes introduzidas pelos Decretos-Leis n.o 107/2008, de 25 de Junho, e 230/2009, de 14 de Setembro, e demais legisla¸c˜ao
aplic´avel e no Regulamento de Ciclo de Estudos Conducente ao Grau de Mestre da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
DR, 2.a
s´erie – n.o
Orienta¸c˜ao Cient´ıfica :
Doutor Carlos Manuel Jos´e Alves Serˆodio
Professor Associado com Agrega¸c˜ao do
Departamento de Engenharias da Escola de Ciˆencias e Tecnologia Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
Doutor Pedro Miguel Mestre Alves da Silva
Professor Auxiliar do
Departamento de Engenharias da Escola de Ciˆencias e Tecnologia Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
”N˜ao se pode resolver os problemas utilizando o mesmo tipo de pensamento que usamos quando os criamos.”
Einstein (1879 – 1955)
”O come¸co ´e a parte mais dif´ıcil do trabalho.”
Plat˜ao (428/27 a.C. – 347 a.C.)
”A hist´oria ensina-nos que o homem n˜ao teria alcan¸cado o poss´ıvel se, muitas vezes, n˜ao tivesse tentado o imposs´ıvel.”
Weber (1864 – 1920)
UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO Mestrado em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores
Os membros do J´uri recomendam `a Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro a aceita¸c˜ao da disserta¸c˜ao intitulada “ Desenvolvimento de um Sistema de Controlo de Ilumina¸c˜ao P´ublica e de Sinaliza¸c˜ao Rodovi´aria” realizada por Jos´e Augusto Carneiro de Sousa para satisfa¸c˜ao parcial dos requisitos do grau de Mestre.
Junho 2014
Presidente: Doutor Jos´e Paulo Barroso de Moura Oliveira,
Direc¸c˜ao do Mestrado em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores do Departamento de Engenharias da Escola de Ciˆencias e Tecnologia da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
Vogais do J´uri: Doutor Jos´e Ara´ujo Mendes,
Professor Auxiliar do Departamento de Electr´onica Industrial da Universidade do Minho
Doutor Carlos Manuel Jos´e Alves Serˆodio,
Professor Associado com Agrega¸c˜ao do Departamento de
Engenharias da Escola de Ciˆencias e Tecnologia da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
Desenvolvimento de um Sistema
de Controlo de Ilumina¸c˜ao P´
ublica
e de Sinaliza¸c˜ao Rodovi´aria
Jos´e Augusto Carneiro de SousaSubmetido na Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro para o preenchimento dos requisitos parciais para obten¸c˜ao do grau de
Mestre em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores
Resumo —
No desenvolvimento de uma Smart City ´e necess´ario projetar todos os servi¸cos, para que estes se articulem como um todo. A gest˜ao do tr´afego e do estacionamento de ve´ıculos e da ilumina¸c˜ao p´ublica s˜ao trˆes dos servi¸cos p´ublicos a integrar numa cidade. Para tal ´e necess´ario projetar e desenvolver estes sistemas para que sejam totalmente control´aveis pela gest˜ao central da cidade, garantindo ainda a sua eficiˆencia energ´etica e funcional que uma Smart City prevˆe.
Ao longo desta disserta¸c˜ao s˜ao apresentados o processo de planeamento e desenvolvimento dos sistemas, desde o sistema de telecomunica¸c˜oes para interliga¸c˜ao `a central de processamento at´e ao desenho dos seus terminais e modelos funcionais. Foram implementados prot´otipos funcionais de alguns dispositivos terminais, nomeadamente sinalizadores LED e terminais de controlo das lumin´arias, bem como a interface de gest˜ao remota com os quais foram realizados testes e cujos resultados foram bastante satisfat´orios em laborat´orio.
Palavras Chave: Ilumina¸c˜ao P´ublica, LED, Smart City, Sinaliza¸c˜ao Rodovi´aria, Telecomunica¸c˜oes, Redes de Sensores.
Development of a Street Lighting and
Road Singnage Control System
Jos´e Augusto Carneiro de Sousa
Submitted to the University of Tr´as-os-Montes and Alto Douro in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Electrical Engineering and Computers
Abstract —
When developing a Smart City it is necessary to design all services as part of a fully integrated system. Traffic and parking management system, such as street lighting are two of a large number of services to be integrated on those cities. This requires both designing and developing the above mentioned systems so that they are fully controllable by the city central management platform, further ensuring their energy and functional efficiency as a Smart City requirement.
Throughout this work are presented the planning process of the developed systems, from the telecommunications system with central management, to system terminals, such as their operation models designing. Functional prototypes of some terminal devices, namely LED indicators and their management interface have been implemented and which tests were made with satisfactory results.
Key Words: Street Lighting, LED, Smart City, Road Signage, Telecommunications, Sensor Network.
Agradecimentos
Os meus agradecimentos ao Magn´ıfico Reitor da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro, Professor Doutor Ant´onio Augusto Fonta´ınhas Fernandes, por toda a colabora¸c˜ao e apoio prestado ao projeto.
Ao Professor Doutor Carlos Manuel Jos´e Alves Serˆodio , Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro, orientador deste trabalho, pela sua motiva¸c˜ao, pelas suas sugest˜oes, ideias inovadoras e orienta¸c˜oes.
Ao Professor Doutor Pedro Miguel Mestre Alves da Silva, Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro, co-orientador deste trabalho, pela sua motiva¸c˜ao, pelas suas sugest˜oes, ideias inovadoras e orienta¸c˜oes.
`
A dire¸c˜ao do curso de Engenharia Eletrot´ecnica e de Computadores pela colabora¸c˜ao que sempre se disponibilizaram bem como os restantes docentes do curso que sempre me atenderam com simpatia e empenho ao longo de todo o meu percurso nesta universidade.
Ao Professor Doutor S´ergio Augusto Pires Leit˜ao, Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro, pelo apoio prestado e pelas discuss˜oes t´ecnicas que em muito contribu´ıram para a execu¸c˜ao do trabalho.
A todos os meus colegas do Mestrado em Engenharia Eletroct´ecnica e de Computadores da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro pela sua amizade e simpatia com que me brindaram ao longo do percurso acad´emico.
Aos meus colegas de trabalho, cujo trabalho em equipa e dedica¸c˜ao permitiram a realiza¸c˜ao deste projeto.
Aos meus pais e familiares pelo apoio incondicional sem o qual este trabalho, culminar do percurso acad´emico at´e ent˜ao, n˜ao seria certamente poss´ıvel.
`
A minha namorada, Mafalda Santos, pelo apoio, pela companhia e pelo afeto, que serviram de suporte ao longo deste trabalho, assim como do tempo muitas vezes prescindido.
A todos, um sincero obrigado!
UTAD, Jos´e Augusto Carneiro de Sousa
Vila Real, 31 de Mar¸co de 2014
´Indice geral
Resumo xi
Abstract xiii
Agradecimentos xv
´Indice de tabelas xix
´Indice de figuras xxi
Gloss´ario e acr´onimos xxiii
1 Introdu¸c˜ao 1 1.1 Motiva¸c˜ao e objetivos . . . 2 1.2 Organiza¸c˜ao da disserta¸c˜ao. . . 4 2 Estado da Arte 5 2.1 Regulamenta¸c˜ao aplic´avel . . . 6 2.1.1 Ilumina¸c˜ao P´ublica . . . 6 2.1.2 Sinaliza¸c˜ao Rodovi´aria . . . 8
2.2 Solu¸c˜oes e tecnologias no mercado . . . 11
2.2.1 Solu¸c˜oes de Controlo de Ilumina¸c˜ao P´ublica . . . 11
2.2.2 Solu¸c˜oes de Sinaliza¸c˜ao Rodovi´aria . . . 15
2.2.3 Georreferencia¸c˜ao . . . 17
2.2.4 Tecnologia LED . . . 19 xvii
2.2.5 Drivers LED. . . 21
2.2.6 Tecnologias de Comunica¸c˜ao . . . 23
2.2.7 Java . . . 27
2.2.8 JSP . . . 28
2.2.9 Java Script . . . 29
2.2.10 Google Maps API . . . 30
2.2.11 Sistemas embebidos Linux . . . 31
3 Conce¸c˜ao 35 3.1 Arquitetura do Sistema de Controlo de IP . . . 35
3.1.1 Centro de Controlo de Opera¸c˜oes . . . 37
3.1.2 N´os interm´edios inteligentes . . . 38
3.1.3 N´os Terminais . . . 39
3.1.4 Comunica¸c˜oes . . . 40
3.1.5 Modo de funcionamento . . . 41
3.2 Arquitetura do Sistema de Sinaliza¸c˜ao . . . 43
3.2.1 Centro de Controlo de Opera¸c˜oes . . . 44
3.2.2 N´os interm´edios inteligentes . . . 45
3.2.3 N´os terminais . . . 47
3.2.4 Comunica¸c˜oes . . . 48
3.2.5 Modo de funcionamento . . . 50
4 Implementa¸c˜ao 53 4.1 Sistema de IP . . . 53
4.1.1 Software de controlo e interface gr´afica . . . 54
4.1.2 Dispositivos de Comunica¸c˜ao e Controlo . . . 60
4.2 Sistema de Sinaliza¸c˜ao Rodovi´aria . . . 65
4.2.1 Interface gr´afica . . . 67
4.2.2 Dispositivos de Comunica¸c˜ao e Controlo . . . 68
5 Testes e Resultados 73 5.1 SCIP: Ensaio do sistema . . . 73
5.2 SSR: Dispositivos sinalizadores . . . 77
5.3 Impacto Econ´omico . . . 80
6 Conclus˜ao e trabalho futuro 85 6.1 Trabalho Futuro. . . 86
Referˆencias bibliogr´aficas 89
´Indice de tabelas
2.1 Tipos de SMV (Fonte:(ANSR,2010)) . . . 9 2.2 Tamanho da letra de um SMV em fun¸c˜ao da velocidade da via.
(Fonte: (ANSR, 2010)) . . . 10 2.3 Tipos de mensagem em fun¸c˜ao do tipo de equipamento em SMV.
(Fonte: (ANSR, 2010) ) . . . 10 2.4 Compara¸c˜ao entre o WiFi (802.11) e WiMAX (802.16). Fonte: (Banerji
and Chowdhury, 2013) . . . 33 3.1 Indica¸c˜ao luminosa do estado do estacionamento . . . 51 5.1 Custos com a implementa¸c˜ao do Hardware e Lumin´arias LED numa
rua com 100 lumin´arias. . . 80 5.2 Custos com a implementa¸c˜ao do Hardware numa rua com 100 lumin´arias. 81 5.3 Compara¸c˜ao entre duas lumin´arias LED vs VSAP. . . 81 5.4 Consumos com a dete¸c˜ao de presen¸ca na via. . . 81 5.5 Custos com a implementa¸c˜ao do Hardware e lumin´arias VSAP numa
rua com 100 lumin´arias. . . 84
´Indice de figuras
2.1 Medi¸c˜ao das grandezas fotom´etricas.(Fonte:(Louren¸co, 2010)). . . 12
2.2 PMV do tipo a1.(Fonte:(ANSR, 2010) ) . . . 15
2.3 PMV do tipo a2.(Fonte: (ANSR,2010) ) . . . 16
2.4 PMV do tipo a3. (Fonte: (ANSR, 2010) ) . . . 16
2.5 Constitui¸c˜ao de um SIG.(Fonte:(InfoPortugal, 2013)) . . . 18
2.6 Diagrama crom´atico CIE. (Fonte:(BLC, 2010)) . . . 20
2.7 Compara¸c˜ao de v´arios ´ındices de reprodu¸c˜ao de cor. (Fonte:(Lithology)) 21 2.8 Rede mesh com XBee. (Fonte:(DIGI)) . . . 24
2.9 Estrutura de uma mensagem CAN. (Fonte:(Stackexchange.com)) . . . 25
2.10 Aplica¸c˜ao de WiMAX para extender um link de ISP. (Fonte:(MegaPath)) 27 2.11 Arquitetura do JSP. (Fonte:(Roneclei Campos dos Santos, 2008)) . . 29
2.12 Exemplo de visualiza¸c˜ao do Google Maps com marcadores obtidos atrav´es da Google Maps API. . . 31
3.1 Diagrama de constitui¸c˜ao do SCIP . . . 36
3.2 Entradas e sa´ıdas do CCO.. . . 37
3.3 Entradas e sa´ıdas do NII . . . 39
3.4 Esquema das comunica¸c˜oes no SCIP. . . 42 xxi
3.5 Modo de funcionamento do SCIP. . . 43 3.6 Diferentes valores do fluxo luminoso em fun¸c˜ao do per´ıodo e da presen¸ca
de pe˜oes. . . 44 3.7 Diagrama de constitui¸c˜ao do SSR . . . 45 3.8 Entradas e sa´ıdas do CCO no SSR. . . 46 3.9 Entradas e sa´ıdas do NII no SSR. . . 47 3.10 Esquema das comunica¸c˜oes no SSR. . . 50 4.1 Aplica¸c˜ao Android criada para a geo-referencia¸c˜ao das lumin´arias. . . 56 4.2 Tabela Lumin´arias na base de dados do CCO/NII.. . . 57 4.3 Interface gr´afica com exemplo das lumin´arias da UTAD. . . 58 4.4 Aplica¸c˜ao Java para configura¸c˜ao inicial do NII. . . 60 4.5 Diagrama de blocos do controlador. . . 61 4.6 Modo de funcionamento do firmware microcontrolador. . . 62 4.7 Circuito b´asico de controlo de canal de LEDs por meio de um trans´ıstor. 64 4.8 Esquem´atico de controlador de IP. . . 65 4.9 Lentes cˆoncavas e convexas. . . 66 4.10 Interface gr´afica com exemplo de uma rua com invers˜ao de sentido de
circula¸c˜ao. . . 67 4.11 Interface gr´afica com exemplo de alguns estacionamentos monitorizados
na UTAD. . . 68 4.12 Diagrama de blocos do dispositivo terminal do SSR. . . 70 4.13 Esquem´atico do controlador implementado no SSR. . . 71 4.14 Esquem´atico do m´odulo de potˆencia do dispositivo sinalizador do SSR. 72 5.1 Esquema do circuito implementado no controlo por rel´e. . . 74 5.2 Lumin´aria usada nos testes ao sistema. . . 75 5.3 Detetor de presen¸ca PIR usado. . . 76 5.4 Maqueta da sinaliza¸c˜ao de estacionamentos. . . 78 5.5 Placa com driver LED implementado. . . 78 5.6 Maqueta da sinaliza¸c˜ao de invers˜ao de sentido circula¸c˜ao. . . 79
Gloss´
ario e acr´
onimos
Gloss´
ario de termos
Lumin´aria — Fonte luminosa artificial, vulgarmente usada para descrever a fonte luminosa em ilumina¸c˜ao p´ublica. Por extens˜ao pode referir-se n˜ao s´o `a fonte luminosa mas tamb´em aos dispositivos auxiliares como arrancadores e controlos eletr´onicos ou sensores.
LED — O LED (Light Emitting Diode), ´e um d´ıodo semicondutor, em que existe uma por¸c˜ao da energia que ´e libertada sob a forma de luz vis´ıvel ou n˜ao (infravermelhos por exemplo).
Driver — ´E o dispositivo eletr´onico que controla a potˆencia luminosa disponibilizada pelos LED, sendo vulgarmente usado o PWM.
PWM — (Pulse Width Modulation) ´e uma t´ecnica de modula¸c˜ao de um sinal com base na varia¸c˜ao do ciclo de trabalho (percentagem do tempo em que se encontra a ’1’ l´ogico num per´ıodo).
RTC — (Real Time Clock) ´e usado para fornecer ao sistema o hor´ario real, com recurso a calend´ario.
Dimming — ´E o processo de variar o brilho de uma determinada fonte luminosa. VSAP — Vapor de S´odio de Alta Press˜ao.
WAN — (Wide Area Network) Rede de ´area alargada, ´e normalmente usada para descrever uma rede em grandes ´areas como um centro urbano.
WLAN — (Wireless Local Area Network) Rede sem fios de ´area local, ´e normalmente usada para descrever redes de computadores de pequenas dimens˜oes, sem fios. WSN —(Wireless Sensor Network) Rede sem fios onde os n´os s˜ao sensores aut´onomos
com capacidade cooperativa, fazendo seguir uma mensagem pelos v´arios pontos da rede at´e um ponto central de aquisi¸c˜ao.
Lista de acr´
onimos
Sigla Expans˜ao
AC Alternating Current
API Application Programming Interface CAN Controller Area Network
DC Direct Current
ESD Electrostatic Sensitive Device
IDE Integrated Development Envyronment
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IEC International Electrotechnical Commission IP Ilumina¸c˜ao P´ublica
ISM Industrial, Scientific and Medical ISP Internet Service Provider
GPS Global Positioning System
SCIP Sistema de Controlo de Ilumina¸c˜ao P´ublica
1
Introdu¸c˜
ao
Atualmente o desenvolvimento tecnol´ogico leva a repensar a forma como ´e feita a intera¸c˜ao entre utilizador e tecnologia, muitas das vezes tornando transparente para este a sua utiliza¸c˜ao. No que toca ao planeamento urbano esta evolu¸c˜ao passa pelo planeamento e integra¸c˜ao de servi¸cos de modo a criar ou reaproveitar infraestruturas que melhorem a qualidade de vida e conforto dos seus habitantes, bem como a inclus˜ao de tecnologias para uma maior eficiˆencia energ´etica e sustentabilidade econ´omica.
O desenvolvimento das Smart Cities ´e o exemplo de como a evolu¸c˜ao dos sistemas distribu´ıdos e ub´ıquos se podem manifestar numa melhoria da automa¸c˜ao urbana, tornando poss´ıveis novas formas de interagir com os seus servi¸cos e locais. A Ilumina¸c˜ao P´ublica (IP), sendo um dos sistemas que implica mais gastos num munic´ıpio chegando a atingir 50% dos gastos com energia el´etrica (Adene, 2011), ´e um dos sistemas a ser redesenhado de modo a ser o mais econ´omica e energicamente vi´avel sem no entanto perder a qualidade desejada.
Uma boa rede de ilumina¸c˜ao ´e aquela que, n˜ao s´o fornece os valores de luminosidade necess´arios `a boa visibilidade para pe˜oes e condutores nas vias de circula¸c˜ao e espa¸cos adjacentes, mas tamb´em foca aspetos como a inibi¸c˜ao da criminalidade e o destaque
2 CAP´ITULO 1. INTRODUC¸ ˜AO
de espa¸cos de interesse, como monumentos, jardins, entre outros. Visando manter os n´ıveis de qualidade e eficiˆencia energ´etica, as redes atuais tendem a ser concebidas com recurso `a tecnologia LED, sendo esta tida como o futuro da ilumina¸c˜ao pela elevada eficiˆencia energ´etica mas tamb´em pela sua capacidade de regula¸c˜ao do fluxo luminoso (Dimming), tornando-a na ideal para a associa¸c˜ao `as plataformas de gest˜ao de ilumina¸c˜ao publica.
A par do servi¸co de Ilumina¸c˜ao P´ublica temos ainda outro setor em que o conceito das Smart Cities vem alterar e melhorar significativamente: o setor da gest˜ao inteligente de tr´afego e de estacionamentos. Este servi¸co tende a ser integrado nas Smart Cities visando monitorizar e ajustar o tr´afego de uma cidade de modo a conferir aos seus utilizadores uma maior mobilidade e celeridade nos transportes quer de passageiros quer de mercadorias. Uma sinaliza¸c˜ao rodovi´aria inteligente e dinˆamica associada a uma monitoriza¸c˜ao em tempo real das condi¸c˜oes de transito ter´a portanto um papel de relevo aquando do projeto de uma Smart City.
1.1
Motiva¸c˜
ao e objetivos
Com vista ao projeto de uma Smart City, num projeto levado a cabo pela Universidade
de Tr´as-os-Montes e Alto Douro em parceria com a plataforma intermunicipal DouroAlliance, foi desenvolvido um conjunto de ferramentas de modo a melhorar, criar e agregar
v´arios servi¸cos de forma a tornar uma cidade numa Smart City, com todos os requisitos que esta requer. Neste caso a cidade de Vila Real foi a cidade em estudo e sobre a qual incidiu o trabalho desenvolvido, embora as ferramentas desenvolvidas sejam aplic´aveis noutras cidades.
Como descrito anteriormente, uma Smart City deve ser um ve´ıculo de melhoria da qualidade de vida e do desenvolvimento econ´omico mas tamb´em procurar tornar os seus servi¸cos mais eficientes e sustent´aveis, quer a n´ıvel econ´omico, energ´etico e ambiental. Neste ˆambito foram concebidos e reformulados alguns servi¸cos estruturais como os sistemas de controlo de Ilumina¸c˜ao P´ublica, controlo de tr´afego e estacionamento, gest˜ao de Sinaliza¸c˜ao Rodovi´aria tornando-a dinˆamica e inteligente, bem como um
1.1. MOTIVAC¸ ˜AO E OBJETIVOS 3
levantamento de informa¸c˜ao sobre v´arios servi¸cos para futura agrega¸c˜ao e disponibiliza¸c˜ao por via digital aos utilizadores da cidade, estando entre eles os servi¸cos de transportes coletivos, farm´acias de servi¸co, pontos de interesse tur´ıstico ou econ´omicos, entre outros.
A agrega¸c˜ao de servi¸cos resultar´a tamb´em em futuras funcionalidades para o utilizador como por exemplo aceder via smartphone, tablet ou computador pessoal aos conte´udos e servi¸cos de uma Smart City. Alguns dos conte´udos interativo ser˜ao por exemplo a requisi¸c˜ao e agendamento de servi¸cos, a possibilidade de reportar avarias ou anomalias locais como fugas de ´agua ou quedas de ´arvores, entre outras. As anomalias relatadas ser˜ao ent˜ao reencaminhadas para as entidades competentes como por exemplo os servi¸cos municipalizados de modo `a solu¸c˜ao da ocorrˆencia por parte dos mesmos, trazendo uma maior celeridade na resolu¸c˜ao de ocorrˆencias.
O trabalho relatado nesta disserta¸c˜ao incidiu no projeto de uma plataforma de gest˜ao da Ilumina¸c˜ao P´ublica, incluindo o desenho dos dispositivos terminais e controlo de potˆencia dos mesmos, bem como configurada a rede de comunica¸c˜oes entre os terminais e central. Foi ainda desenhado e construido o prot´otipo para as comunica¸c˜oes entre terminais e os dispositivos de controlo da sinaliza¸c˜ao rodovi´aria ao n´ıvel da sinaliza¸c˜ao de lugares de estacionamentos oferecendo assim informa¸c˜ao visual localizada sobre os parques de estacionamento de um determinado local. O sistema de controlo de ilumina¸c˜ao p´ublica (SCIP), al´em da articula¸c˜ao com os restantes servi¸cos estruturais da Smart City, deve ser capaz de receber atualiza¸c˜oes por parte do Centro de Controlo de Opera¸c˜oes(CCO), ”o c´erebro”da Smart City, onde ser˜ao definidas as regras de funcionamento do sistema de controlo bem como os processos de recupera¸c˜ao de erros. Este sistema ser´a ainda capaz de fornecer uma interface gr´afica para a gest˜ao da ilumina¸c˜ao p´ublica, uma interface remota (via World Wide Web), suporte para controlo individual de cada lumin´aria e do seu n´ıvel adequado de luminosidade.
O sistema de controlo de sinaliza¸c˜ao rodovi´aria (SSR)tem como objetivos principais dotar o sistema de gest˜ao de tr´afego desenvolvido de uma interface capaz de ser facilmente interpretada pelos utilizadores da cidade, quer seja ao n´ıvel da sinaliza¸c˜ao
4 CAP´ITULO 1. INTRODUC¸ ˜AO
do estado dos parques de estacionamento quer do servi¸co de sinaliza¸c˜ao de mensagem vari´avel a instalar na cidade. O sistema ter´a de ser capaz de comunicar eficazmente com o servi¸co criado no CCO, servi¸co este respons´avel por mostrar em tempo real o estado de ocupa¸c˜ao dos lugares de estacionamento da cidade. Mediante o estado de ocupa¸c˜ao do parque, informa¸c˜ao esta que ´e recebida do CCO ou de um dispositivo interm´edio, o sistema deve converter essa mensagem numa sinal´etica clara e simples para o utilizador, neste caso sob a forma de um c´odigo de cores.
Ambos os sistemas foram desenhados para serem o mais energicamente eficientes e dur´aveis, usando tecnologias standard, de alto rendimento e baixos consumos quer nos terminais quer nas comunica¸c˜oes implementadas.
1.2
Organiza¸c˜
ao da disserta¸c˜
ao
Esta disserta¸c˜ao encontra-se estruturada em cinco cap´ıtulos. No presente Cap´ıtulo fez-se uma introdu¸c˜ao de enquadramento e apresentou-se a motiva¸c˜ao do trabalho. O Cap´ıtulo 2 fornece informa¸c˜ao sobre o estado da arte de em termos de Ilumina¸c˜ao P´ublica e sinal´etica bem como a legisla¸c˜ao aplic´avel e pela qual se regularam os trabalhos desenvolvidos. Seguidamente faz-se uma pequena abordagem `a tecnologia LED e `as vantagens da sua utiliza¸c˜ao em Ilumina¸c˜ao P´ublica e neste projeto em particular.
No Cap´ıtulo 3 ser´a descrita a conce¸c˜ao dos sistemas em fun¸c˜ao dos requisitos identificados.
No Cap´ıtulo 4 encontram-se as informa¸c˜oes relativas ao modo de funcionamento do sistema bem como os esquem´aticos de cada um dos dispositivos desenvolvidos. Os ensaios realizados ao sistema bem como os resultados obtidos ser˜ao apresentados no Cap´ıtulo 5.
A finalizar a disserta¸c˜ao, no Cap´ıtulo 6, faz-se uma discuss˜ao dos resultados obtidos neste trabalho e apresentam-se algumas perspetivas de trabalho futuro.
2
Estado da Arte
Em termos de sistemas de sistemas de controlo de ilumina¸c˜ao p´ublica tem-se assistido nos ´ultimos anos a uma crescente procura de sistemas deste g´enero pela poupan¸ca energ´etica que adv´em da sua implementa¸c˜ao. O crescimento da procura destes sistemas deve-se tamb´em ao desenvolvimento da tecnologia LED e `as suas caracter´ısticas que favorecem a cria¸c˜ao deste tipo de sistemas. As solu¸c˜oes atuais de mercado tˆem portanto vindo a evoluir passando do obsoleto controlo sectorial ON/OFF baseado em regras temporais est´aticas para um controlo mais dinˆamico, individualizado, e em fun¸c˜ao dos requisitos da via onde se insere.
O controlo da sinaliza¸c˜ao rodovi´aria ´e um sistema que n˜ao ´e por norma implementado em grande escala numa cidade, ao contr´ario do que j´a acontece frequentemente em grandes estabelecimentos comerciais ou complexos desportivos. Nestes estabelecimentos, e devido `a densidade de tr´afego que possuem em determinados per´ıodos, justificam o uso da sinal´etica apropriada e dinˆamica para a melhor gest˜ao do volume de tr´afego ou de estacionamento.
Existem no entanto ao n´ıvel urbano encontram-se algumas aplica¸c˜oes da sinaliza¸c˜ao rodovi´aria dinˆamica mas as solu¸c˜oes tendem a ser usadas quase exclusivamente em vias p´ublicas de grande volume de tr´afego para sinalizar ocorrˆencias ou informa¸c˜oes
6 CAP´ITULO 2. ESTADO DA ARTE
importantes. Essas aplica¸c˜oes assumem a forma de pain´eis, englobados nos sinais de mensagem vari´avel.
Neste cap´ıtulo ir˜ao ser referidas as principais solu¸c˜oes de mercado, bem como uma descri¸c˜ao das tecnologias mais usadas. Ser´a ainda referida a legisla¸c˜ao relativa a cada uma das ´areas consideradas relevantes para a conce¸c˜ao dos prot´otipos.
2.1
Regulamenta¸c˜
ao aplic´
avel
No ˆambito dos trabalhos da presente disserta¸c˜ao foram seguidas v´arias normas e legisla¸c˜ao portuguesas e europeias principalmente devido ao fato de ambos os sistemas serem embutidos na via p´ublica e portanto estarem em contacto direto com uma s´erie de fatores externos que tˆem de ser levados em conta para que haja um funcionamento seguro e se mantenha a seguran¸ca dos utilizadores da via.
2.1.1
Ilumina¸c˜
ao P´
ublica
Para al´em das normas aplic´aveis a uma instala¸c˜ao de Ilumina¸c˜ao P´ublica, foram mantidas as normas da EDP como a DMA-C71-111/N de JUN 2010 que define as normas aplic´aveis `as lumin´arias de tecnologia LED usadas em IP bem como o esperado de um sistema de gest˜ao de IP a estas associado, aconselhando por exemplo quais os sensores a ser integrados no sistema e o modo como o servi¸co deve efetuar a gest˜ao das lumin´arias. Desta norma destacam-se os parˆametros referentes `a constitui¸c˜ao da lumin´aria segundo o documento de referencia da EDP (distribui¸c ao,2010) :
”A lumin´aria de LEDs dever´a possuir uma estrutura modular, com os seguintes constituintes:
• corpo principal;
2.1. REGULAMENTAC¸ ˜AO APLIC ´AVEL 7
• controlador de alimenta¸c˜ao (driver); • ligadores;
• equipamento de controlo;
• sensores.
Dever´a consistir em m´odulos independentes, fisicamente desacopl´aveis uns dos outros, de modo a que em caso de avaria de um m´odulo, este possa ser substitu´ıdo mantendo os restantes elementos da lumin´aria. A substitui¸c˜ao do m´odulo durante a manuten¸c˜ao dever´a ser simples e de f´acil acesso. A estrutura da lumin´aria dever´a ser composta por trˆes corpos distintos:
• corpo principal dividido em duas sec¸c˜oes:
– compartimento para fonte de alimenta¸c˜ao e controlo; – compartimento para fonte de luz (m´odulo de LEDs); • aro que recebe o vidro de prote¸c˜ao;
• estrutura de fixa¸c˜ao (garra de amarra¸c˜ao).”
Como referido, a EDP aconselha para a inclus˜ao de servi¸cos na lumin´aria de forma a que esta venha a suportar as plataformas de gest˜ao, est˜ao estes conselhos na sec¸c˜ao 14 do mesmo documento normativo com o t´ıtulo ”Servi¸cos Adicionais”:
1. Regula¸c˜ao de fluxo; 2. Sensor de movimento; 3. Sensor de estabilidade; 4. Sistema de comunica¸c˜oes;
8 CAP´ITULO 2. ESTADO DA ARTE
6. Sistema de gest˜ao dinˆamico;
7. Adapta¸c˜ao a condi¸c˜oes ambientais.
Quanto ao controlo de alimenta¸c˜ao (driver ) este deve:
• ser built-in de acordo a norma EN61347-1;
• ser alimentado por tens˜oes reduzidas de seguran¸ca (SELV ) como indicado pela norma 61347-2-3;
• alimentar um ou v´arios m´odulos LED dentro da gama de potˆencia determinada (Multiple Value Local Control Gear ) de acordo com a norma EN 62384.
2.1.2
Sinaliza¸c˜
ao Rodovi´
aria
No caso da sinaliza¸c˜ao rodovi´aria, adotaram-se para o sistema a desenvolver as normas para os sinais de mensagem vari´avel presente no Regulamento de Sinaliza¸c˜ao Rodovi´aria, constando do decreto-lei n´umero 22-A de 1998 (ANSR, 2010). Existe ainda informa¸c˜ao adicional no documento intitulado de Instru¸c˜ao T´ecnica sobre a utiliza¸c˜ao de Sinaliza¸c˜ao de Mensagem Vari´avel e que data de Julho de 2010. Este documento vem esclarecer sobre o uso e restri¸c˜oes deste tipo de sinais, suprindo algumas limita¸c˜oes existentes nos documentos anteriores.
Enquanto DL-22-A de 1998 apenas considera os Pain´eis de Mensagem Vari´avel (PMV ), este novo documento caracteriza-os segundo o tipo de mostrador e natureza da mensagem, os tipos de PMV s˜ao portanto os a1, a2, a3 e a4. O documento descreve tamb´em um tipo de sinal lateral: os Pain´eis Luminosos de Mensagem
´
Unica (PLMU ), e um sinal vertical denominado Sinais Luminosos de Afeta¸c˜ao de Vias (SLAV ).
A tabela 2.1 resume os tipos de SMV em fun¸c˜ao das suas caracter´ısticas. Uma nota importante neste documento denota que apesar de serem considerados SMV, os PLMU e SLAV s˜ao considerados aos olhos do Regulamento de Sinaliza¸c˜ao Rodovi´ario
2.1. REGULAMENTAC¸ ˜AO APLIC ´AVEL 9
como pertencendo `a sinaliza¸c˜ao luminosa (Cap´ıtulo III do RST ) e n˜ao `a sinaliza¸c˜ao de mensagem vari´avel (Cap´ıtulo II do RST ).
Tabela 2.1 – Tipos de SMV (Fonte:(ANSR,2010))
Tipo de SMV Nome Descri¸c˜ao
PMV a1 Uma ´area de apresenta¸c˜ao de sinais e uma ´area de apresenta¸c˜ao de mensagens de texto
PMV a2 Duas ´areas de apresenta¸c˜ao de sinais e uma ´area de apresenta¸c˜ao de mensagens de texto
PMV a3 Uma ´unica ´area de apresenta¸c˜ao de sinais e de mensagens de texto - pain´eis de matriz ´unica PMV a4 Uma ´unica ´area de apresenta¸c˜ao de sinais
-permite a afeta¸c˜ao dos sinais por via de trˆansito PLMU b Uma ´unica ´area de mensagem simb´olica em que ´e apresentado um sinal (ou um sinal e painel adicional).
SLAV c Sinais luminosos colocados por cima de cada uma das vias de trˆansito podendo apresentar uma luz verde (seta vertical) uma luz amarela (seta inclinada a 45o, que pode ser intermitente,
ou uma luz vermelha (cruz de St. Andr´e).
As dimens˜oes das letras e algarismos deste tipo de sinaliza¸c˜ao deve obedecer aos valores da tabela 2.2 e em termos de cor e luminˆancia devem seguir a norma EN 12966-1 que relaciona o tamanho da letra com a velocidade de circula¸c˜ao na via onde este se insere.
Os sinais apresentados s˜ao tamb´em dependentes do tipo de dispositivo SMV, e podem ser observados na tabela 2.1.2, usando os sinais presentes no Regulamento de Sinaliza¸c˜ao Rodovi´aria.
Em termos de dispositivos de SMV o RST n˜ao estabelece normas el´etricas, no entanto estes devem seguir a norma EN-12966 que ´e valido dispositivos SMV do
10 CAP´ITULO 2. ESTADO DA ARTE
Tabela 2.2 – Tamanho da letra de um SMV em fun¸c˜ao da velocidade da via. (Fonte: (ANSR,2010))
Velocidade (km/h) Altura da letra mai´uscula (1.4 ∗ altura da letra min´uscula) M´ınima(mm) Recomendada(mm)
>= 110 320 400
90 200 250
60 125 160
<= 50 100 125
Tabela 2.3 – Tipos de mensagem em fun¸c˜ao do tipo de equipamento em SMV. (Fonte: (ANSR,2010) )
Tipo de mensagem
Perigo Regulamenta¸c˜ao Informa¸c˜ao PMV
PLMU SLAV
tipo vertical.
Todos os dispositivos de sinaliza¸c˜ao e respetivos controlos presentes na via p´ublica inerentes ao desenvolvimento deste sistema seguem as normas aplic´aveis a instala¸c˜oes de baixa tens˜ao na via p´ublica devem respeitar as normas aplic´aveis a um dispositivo eletr´onico de alimenta¸c˜ao em tens˜oes reduzidas de seguran¸ca. Nomeadamente:
• deve possuir uma fonte de alimenta¸c˜ao resistente a curto-circuitos de acordo com a norma EN 61558;
• transformadores de classe II de isolamento;
2.2. SOLUC¸ ˜OES E TECNOLOGIAS NO MERCADO 11
2.2
Solu¸c˜
oes e tecnologias no mercado
Nesta sec¸c˜ao ir˜ao ser abordadas as solu¸c˜oes mais utilizadas atualmente em sistemas de controlo de Ilumina¸c˜ao P´ublica e na sinaliza¸c˜ao recorrendo `a tecnologia LED. Para melhor perceber as grandezas referidas, as defini¸c˜oes das unidades fotom´etricas s˜ao resumidas sendo:
Candela: Um candela (abreviatura: cd) ´e definido no SI como a intensidade luminosa emitida por uma fonte, numa dada dire¸c˜ao, de luz monocrom´atica de frequˆencia 540 T Hz e cuja intensidade de radia¸c˜ao ´e de 1/683 watts por esterradiano. Essa frequˆencia ´e percebida como luz verde, para a qual o olho humano possui a melhor capacidade de absor¸c˜ao.
L´umen: L´umen (abreviatura: lm) ´e a unidade de medida de fluxo luminoso. Um l´umen equivale ao fluxo luminoso dentro de um cone de 1 esterradiano, emitido
por um ponto luminoso com intensidade de 1 candela (em todas as direc¸c˜oes)(Louren¸co,
2010).
Para melhor perceber as grandezas fotom´etricas referidas elas foram resumidas na figura 2.1 que ilustra a forma de medi¸c˜ao das mesmas.
2.2.1
Solu¸c˜
oes de Controlo de Ilumina¸c˜
ao P´
ublica
Podemos enumerar v´arios sistemas que foram surgindo, quanto `a sua complexidade e metodologia de controlo, funcionando eles por controlo individualizado de cada lumin´aria, ou controlando um setor de lumin´arias.
12 CAP´ITULO 2. ESTADO DA ARTE
Figura 2.1– Medi¸c˜ao das grandezas fotom´etricas.(Fonte:(Louren¸co, 2010))
Sistemas de controlo sectorial: 1. Controlo ON/OFF :
Os sistemas deste tipo s˜ao os mais comuns por serem os mais antigos, capazes apenas de manter o sistema em dois estados: ligado ou desligado.
Neste tipo de sistema, as lumin´arias s˜ao normalmente associadas em setores. O controlo ´e feito a partir do circuito do QGBT (Quadro Geral de Baixa Tens˜ao) ou respetivo ponto de entrega (arm´ario de distribui¸c˜ao de IP). Os setores s˜ao ent˜ao ligados ou desligados, em fun¸c˜ao de um rel´ogio astron´omico, de um sensor crepuscular ou um simples temporizador embutido no quadro de ilumina¸c˜ao. A instru¸c˜ao de ligar/desligar pode ainda ser remota, embora este cen´ario n˜ao seja normalmente usado.
2. Controlo por N´ıvel de Tens˜ao:
Os sistemas deste tipo s˜ao caracterizados por um abaixamento do n´ıvel de tens˜ao dos setores a controlar. Apesar da efetiva redu¸c˜ao do consumo (cerca de 30% (F. R. Blazquez and C. A. Platero, 2012)) e do brilho da lumin´aria, este m´etodo tem v´arias limita¸c˜oes quer ao n´ıvel da poupan¸ca quer a n´ıvel de
2.2. SOLUC¸ ˜OES E TECNOLOGIAS NO MERCADO 13
seguran¸ca.
Ao efetuar-se o abaixamento da tenso de todo o sector e devido ao fen´omeno da queda de tens˜ao em fun¸c˜ao da distˆancia,corre-se por vezes o risco de ter nas zonas mais afastadas, tens˜oes demasiado reduzidas para que as lumin´arias atinjam o normal funcionamento. Tal deve-se ao facto de os sistemas deste g´enero estarem normalmente associados a lˆampadas de VSAP (vapores de s´odio de alta press˜ao) e estas terem um limite m´ınimo pratic´avel de 70% da sua tens˜ao nominal de funcionamento (SEPA, 2011). Ao n´ıvel de seguran¸ca tamb´em existem implica¸c˜oes ao n´ıvel da redu¸c˜ao da tens˜ao pois aumenta o tempo de corte da prote¸c˜ao do sistema para valores acima dos quais foi projetado (equa¸c˜ao 2.1 e2.2) e podendo inclusive exceder os 5 segundos tidos usualmente como seguros.
Icc = Us R (2.1) IB = P UScos(φ) (2.2)
Sistemas Controlo Individualizado
Estes sistema de controlo permitem por norma ambos os tipos de controlo aplicados anteriormente, ligando ou desligando por completo a lumin´aria ou ainda variando o seu fluxo luminoso segundo as regras de funcionamento definidas pela central de controlo. Este tipo de controlo consegue suportar um maior n´umero de funcionalidades como a monitoriza¸c˜ao em tempo real de cada lumin´aria, atrav´es de um conjunto de sensores instalado nas mesmas, possibilidade de reorganiza¸c˜ao da rede e regula¸c˜ao do fluxo luminoso diferenciado para cada lumin´aria. Entre os sistemas de controlo individualizado podemos distingui-los quanto ao tipo de comunica¸c˜oes utilizado:
1. Controlo por Power Line Communication(PLC):
14 CAP´ITULO 2. ESTADO DA ARTE
formam uma via de comunica¸c˜ao entre elas e a central de controlo. Recorrendo a um m´odulo de comunica¸c˜oes PLC em cada lumin´aria ´e poss´ıvel o controlo individual das lumin´arias (Vaz, 2010). Este sistema, apesar de ter vantagens como usar a pr´opria rede el´etrica para efetuar as comunica¸c˜oes, sofre de alguns problemas, nomeadamente no que toca a recupera¸c˜ao em caso de falhas. Caso um tro¸co entre lumin´arias se encontre danificado, como por exemplo um curto circuito, ou falha no modem PLC comunica¸c˜oes de toda a linha podem ser inviabilizadas. Outra desvantagem prende-se com os custos dos dispositivos PLC em compara¸c˜ao com os dispositivos wireless.
2. Sistemas de Controlo Wireless:
Atrav´es do uso de sistemas de comunica¸c˜ao Wireless, o controlo dos sistemas torna-se verdadeiramente individualizado, aumentando a sua consistˆencia perante falhas parciais do sistema. Existem diversas tecnologias no mercado capazes de satisfazer as necessidades deste tipo de aplica¸c˜ao estando entre elas as que usam os protocolos IEEE 802.15.4, WiMAX, ou GSM, sendo os dois ´ultimos mais utilizados quando a distˆancia entre a central de controlo e o primeiro ponto da rede a controlar ´e elevada. No entanto, os custos associados ao GSM e WiMAX tem sido um dos fatores que tˆem levado a procurar solu¸c˜oes baseadas em tecnologias mais econ´omicas e com baixos consumos energ´eticos. Devido `a sua adaptabilidade e baixo consumo energ´etico, o IEEE 802.15.4, que j´a tem provas dadas tamb´em na ´area das Wireless Sensor Network (WSN), tem vindo a destacar-se como o protocolo de elei¸c˜ao para as redes de comunica¸c˜ao dos sistemas de controlo de Ilumina¸c˜ao P´ublica. Fazendo uso da sua rede mesh, este protocolo consegue regenerar a rede em caso de falha e assim manter o sistema em funcionamento uma vez que a liga¸c˜ao entre dois n´os, que atinge 100m quando em linha de vista, consegue fazer com que cada lumin´aria tenha a capacidade de se ligar a uma de at´e 3 lumin´arias a montante ou a jusante de si mesmo. O alcance de cada um dos n´os pode ser ainda aumentado at´e 1km (Lee et al., 2006).
2.2. SOLUC¸ ˜OES E TECNOLOGIAS NO MERCADO 15
2.2.2
Solu¸c˜
oes de Sinaliza¸c˜
ao Rodovi´
aria
O constante desenvolvimento tecnol´ogico e a necessidade de automatiza¸c˜ao dos servi¸cos tem provocado grandes altera¸c˜oes em termos de sinaliza¸c˜ao rodovi´aria. O desenvolvimento da sinaliza¸c˜ao tende a ser pautado pelas raz˜oes de funcionalidade mas tamb´em pela seguran¸ca que oferece aos utilizadores da via.
A utiliza¸c˜ao de pain´eis de mensagem vari´avel tem verificado um grande crescimento e hoje torna-se cada vez mais presente nas vias principais de Portugal. Este tipo de dispositivo torna-se especialmente ´util por alertar para condi¸c˜oes tempor´arias da via, por exemplo obstru¸c˜ao por acidente ou causas naturais. Os dispositivos mais utilizados neste tipo de aplica¸c˜ao s˜ao os PMV do tipo a1 e a2 da tabela 2.1 e a2 e um outro obsoleto com duas ´areas de apresenta¸c˜ao de mensagens simb´olicas, uma de cada lado da ´area de apresenta¸c˜ao de mensagens de texto.
Estes pain´eis s˜ao diferentes entre si pela uma vez que s˜ao constitu´ıdos por v´arias ´areas de apresenta¸c˜ao, para texto ou para representa¸c˜ao de s´ımbolos. A ´area de texto tem por norma uma resolu¸c˜ao bastante baixa mas de alta luminˆancia enquanto as ´areas para s´ımbolos apresentam uma resolu¸c˜ao e n´umero de cores superior, embora normalmente com menor contraste.
As figuras2.2,2.3 e 2.4 representam a apresenta¸c˜ao dos PMV do tipo a1, a2 e a3, respetivamente.
Figura 2.2– PMV do tipo a1.(Fonte:(ANSR,2010) )
16 CAP´ITULO 2. ESTADO DA ARTE
Figura 2.3– PMV do tipo a2.(Fonte: (ANSR,2010) )
Figura 2.4 – PMV do tipo a3. (Fonte: (ANSR,2010) )
`a ponte Vasco da Gama, s˜ao usados para usar a afeta¸c˜ao ou supress˜ao de via. S˜ao dispositivos de dimens˜ao m´edias (maior que 1m∗1m) e com baixa resolu¸c˜ao e n´umero de cores mas de alto brilho. Quanto aos PLMU, estes possuem dimens˜oes reduzidas (cerca de 1m ∗ 1m) e com uma resolu¸c˜ao mediana e alto brilho, s˜ao utilizados normalmente no acesso a t´uneis (ANSR, 2010). Os sinais referidos anteriormente s˜ao constru´ıdos com base em matrizes LED de baixa ou m´edia resolu¸c˜ao (conforme ´area destinada a texto ou a s´ımbolos) e com alto brilho, de modo a serem facilmente vis´ıveis de dia. No entanto o novo PMV do tipo a3 conta com matrizes de LED com alto brilho e resolu¸c˜oes superiores, formando um painel ´unico onde as ´areas de texto ou s´ımbolos podem ser definidas dinamicamente por software. A utiliza¸c˜ao de pain´eis ´unicos pode ser estendida aos SLAV, obtendo em ambos os casos sinais dinˆamicos e controlados por software de gest˜ao de tr´afego como o desenvolvido ao longo deste projeto.
2.2. SOLUC¸ ˜OES E TECNOLOGIAS NO MERCADO 17
2.2.3
Georreferencia¸c˜
ao
Os sistemas atuais de gest˜ao de IP preveem a inclus˜ao das coordenadas geogr´aficas na base de dados das lumin´arias, tornando mais f´acil o controlo por ruas, por sec¸c˜oes ou individual de cada lumin´aria.
A georreferenciar˜ao assenta em bases de dados com capacidade para Sistemas de Informa¸c˜ao Geogr´afica (SIG), fornecendo, al´em das coordenadas das lumin´arias, informa¸c˜oes sobre o espa¸co envolvente das mesmas e o PT ao qual est˜ao associadas, desenhando-as sobre um mapa para ser mostrado numa interface web. Associados a cada lumin´aria est˜ao ainda todos os seus dados funcionais (potˆencia, tipo, altura de fixa¸c˜ao, estado, dados recolhidos pelos sensores, entre outros).
Atualmente os sistemas de gest˜ao que suportam as bibliotecas de (SIG) s˜ao capazes de mostrar o estado das mesmas e de oferecer uma visualiza¸c˜ao em tempo real das lumin´arias sob a forma de pontos no mapa. Estes sistemas s˜ao ainda escassos e a sua implementa¸c˜ao ainda ´e relativamente recente de modo que os dados geogr´aficos das lumin´arias p´ublicas muitas das vezes n˜ao existem ou s˜ao de acesso exclusivo da entidade propriet´aria. ´E necess´ario em certas zonas proceder a um levantamento das carater´ısticas das lumin´arias e assim proceder `a sua georreferencia¸c˜ao para uso futuro neste tipo de sistemas de gest˜ao.
Em Portugal a georeferencia¸c˜ao tem sido um servi¸co cada vez mais prestado a entidades p´ublicas como autarquias e institui¸c˜oes governamentais e contam com gabinetes t´ecnicos especializados para o efeito (Grancho, 2003).
As tecnologias mais usadas recorrem ao QuantumGIS ou ao ArcGIS, aplica¸c˜oes destinadas ao levantamento de pontos, pol´ıgonos ou linhas com recurso a interface gr´afica. Os elementos criados s˜ao posteriormente guardados em bases de dados, por exemplo em PostgreSQL.
O PosgreSQL ´e um Sistema de Gest˜ao de Bases de Dados (SGBD) com manipula¸c˜ao de SQL open-source, com interfaces de programa¸c˜ao nativas para uma vasta gama
18 CAP´ITULO 2. ESTADO DA ARTE
de linguagens 1. O suporte a SIG est´a inclu´ıdo no PostgreSQL atrav´es do plugin
PostGIS e que confere ao SGBD a capacidade de manipular geometrias.
Figura 2.5 – Constitui¸c˜ao de um SIG.(Fonte:(InfoPortugal,2013))
A figura 2.5 representa a a forma como ´e composto um SIG.
O modelo atual de gest˜ao de IP baseia-se num controlo setorial, em que as lumin´aria s˜ao controladas diretamente do PT ou do quadro de ilumina¸c˜ao p´ublica correspondente sendo portanto necess´ario criar na base de dados a referencia sobre que lumin´arias se encontram ligadas a qual quadro ou PT e para tal ´e necess´ario que haja tamb´em um levantamento da localiza¸c˜ao dos PT. A localiza¸c˜ao desses PT pode ser conhecida quando cedidos os dados pela entidade propriet´aria, no entanto estes n˜ao s˜ao tornados p´ublicos e ter˜ao de ser recolhidos dados sobre os mesmos.
1
O PostgreSQL suporta nativemente tecnologias como C/C++, Java, .Net, Perl, Python, Ruby,
2.2. SOLUC¸ ˜OES E TECNOLOGIAS NO MERCADO 19
Por forma a realizar uma melhor gest˜ao e incluir futuros servi¸cos `a Smart City deve ainda ser realizado um levantamento das coordenadas e carater´ısticas dos dispositivos de sinaliza¸c˜ao implementados de forma a um controlo e monitoriza¸c˜ao em tempo real do sistema de sinaliza¸c˜ao rodovi´aria.
2.2.4
Tecnologia LED
A tecnologia LED tem vindo a sofrer grandes avan¸cos desde a sua descoberta no inicio do s´eculo XX, quando foram descritos pela primeira vez fen´omenos de eletroluminescˆencia. No in´ıcio da utiliza¸c˜ao desta tecnologia os dispositivos LED eram usados em aplica¸c˜oes de pequenas dimens˜oes devido tamb´em `a baixa potˆencia e eficiˆencia dos dispositivos de ent˜ao (Louren¸co, 2010). Recentemente, e com a evolu¸c˜ao das t´ecnicas de fabrico, foi poss´ıvel produzir v´arias gamas de radia¸c˜ao vis´ıvel e invis´ıvel.
Desde a cria¸c˜ao dos LED de cores frias como o azul e o verde foi poss´ıvel come¸car a produzir LED de cor branca e ent˜ao passou tamb´em a ser poss´ıvel usar o LED em aplica¸c˜oes de ilumina¸c˜ao. No in´ıcio as lumin´arias LED tinham no entanto algumas limita¸c˜oes devido `a dificuldade de manter os LED eficazmente alimentados sem que fossem atingidas temperaturas de rutura no interior deste e que limitavam portanto a obten¸c˜ao de LED de potˆencias elevadas.
A corrente de funcionamento permite aferir da dissipa¸c˜ao t´ermica necess´aria ao LED para o normal funcionamento, sendo que correntes maiores sugerem o emprego de LED com um tamanho superior. O n´umero e potˆencia dos LED por lumin´aria tamb´em varia conforme o fabricante. Alguns dos fabricantes defendem um menor n´umero de LED de alta potˆencia e por sua vez exigindo maior dissipa¸c˜ao t´ermica, outros fabricantes defendem um maior n´umero de LED permitindo reduzir a necessidade de dissipa¸c˜ao t´ermica e obtendo uma luz mais difusa.
Al´em da corrente de funcionamento, alguns dos parˆametros a considerar na tecnologia LED aquando da sua implementa¸c˜ao em aplica¸c˜oes de Ilumina¸c˜ao P´ublica s˜ao a sua temperatura de cor, ´Indice de Reprodu¸c˜ao de Cor (CRI ) e potˆencia luminosa.
20 CAP´ITULO 2. ESTADO DA ARTE
Figura 2.6 – Diagrama crom´atico CIE. (Fonte:(BLC,2010))
Estes parˆametros permitem aferir sobre a qualidade e eficiˆencia de uma lumin´aria. Por exemplo quando se fala na potˆencia luminosa em lm/W , valor que permite aferir sobre a capacidade da lumin´aria LED converter um watt `a sua entrada num determinado fluxo luminoso.
Quanto `a temperatura de cor de uma lumin´aria para aplica¸c˜ao em IP deve optar-se por cores frias, ditas acima dos 3600K pois estas permitem ao olho humano reconhecer as cores e formas mais facilmente que cores mais quentes para valores de luminosidade semelhantes. A figura 2.2.4 representa o diagrama crom´atico CIE (of Energy, 2012).
O ´Indice de Reprodu¸c˜ao de Cor (CRI ) diz respeito `a perce¸c˜ao da cor refletida por um objeto quando este se encontra iluminado por uma determinada fonte luminosa.
2.2. SOLUC¸ ˜OES E TECNOLOGIAS NO MERCADO 21
Figura 2.7– Compara¸c˜ao de v´arios ´ındices de reprodu¸c˜ao de cor. (Fonte:(Lithology))
Este parˆametro deve ser o mais pr´oximo poss´ıvel da unidade, demonstrando uma aproxima¸c˜ao fidedigna da cor refletida `a cor real do objeto.
Com a constante evolu¸c˜ao tecnol´ogica ´e poss´ıvel atualmente atingir os 200lm/W , valores cerca de 10 vezes superiores aos das lˆampadas incandescentes ou quase duas vezes superiores aos das suas concorrentes diretas na Ilumina¸c˜ao P´ublica, as lˆampadas VSAP. Uma outra grande vantagem do LED em rela¸c˜ao `as restantes tecnologias tem a ver com a sua longevidade, que atinge as 85000-100000 horas 1.
2.2.5
Drivers LED
Existem v´arias abordagens quanto ao controlo da corrente no LED, utilizando diferentes formas de onda, desde a alimenta¸c˜ao em DC dos LED de baixa potˆencia (na ordem dos mA), `as forma de onda pulsadas dos LED de alto brilho (Sauerlander et al., 2006). O emprego de ondas pulsadas aumenta o desempenho t´ermico do LED, um parˆametro extremamente importante no projeto de um a aplica¸c˜ao com LEDs de alta potˆencia pois o rendimento luminoso diminui com a temperatura e a
1
O tempo de vida de uma Lumin´aria LED mede se com recurso `a taxa de manuten¸c˜ao dos Lumens emitidos, respetivamente 90%, 70% e 50%, o valor apresentado pelo fabricante deve ser o L70, que corresponde ao n´umero de horas a partir do qual o fluxo luminoso passa a ser de 70% do original.
22 CAP´ITULO 2. ESTADO DA ARTE
temperatura da jun¸c˜ao do LED atinge frequentemente temperaturas elevadas (Biber,
2008). De forma tirar uma melhor rendimento do LED e por forma a efetuar um melhor controlo dos mesmos e com dispositivos de pequenas dimens˜oes, surgiu a necessidade de desenvolvimento de driver de alimenta¸c˜ao (Van der Broeck et al.,
2007).
Os drivers s˜ao dispositivos eletr´onicos capazes de fornecer uma corrente de funcionamento constante ao LED ou string de LEDs. Os valores de corrente de funcionamento mais usuais s˜ao os 350mA, 700mA, 1A e 1.5A, enquanto que em termos de potˆencia esta depende da associa¸c˜ao dos LEDs da lumin´aria chegando `as centenas de watt. O rendimento dos driver tende a diminuir conforme a potˆencia fornecida e pode rondar a unidade para potencias reduzidas.
Os drivers mais recentes permitem a regula¸c˜ao do fluxo atrav´es da sa´ıda modulada por PWM (Pulse Width Modulation), em fun¸c˜ao de uma entrada de dimming. Devido `as potencias envolvidas, alguns drivers incluem ainda mecanismos para reduzir o impacto da comuta¸c˜ao no restante circuito atrav´es um shift da fase do PWM, evitando a situa¸c˜ao em que todos os LED de uma linha s˜ao simultaneamente ligados ou desligados e que provocaria uma transi¸c˜ao demasiado brusca (Hu and Jovanovic, 2008).
Os drivers desenhados para poder suportar strings de LEDs e incluem ainda dete¸c˜ao de falha ou de remo¸c˜ao/adi¸c˜ao de carga, impedindo picos de corrente transit´orios recorrendo `a monitoriza¸c˜ao da corrente da carga (current sensing).
Em suma podem resumir-se as principais caracter´ısticas de um bom driver LED:
• Entrada de dimming ;
• Thermal Shutdown;
• Current Sensing ;
• PWM Phase Shift ;
2.2. SOLUC¸ ˜OES E TECNOLOGIAS NO MERCADO 23
• Fator de potˆencia pr´oximo da unidade; • Rendimento Elevado.
2.2.6
Tecnologias de Comunica¸c˜
ao
Existem v´arias tecnologias usadas nas comunica¸c˜oes de um sistema de IP, quer usando cabos ou sendo wireless. Ao longo deste projeto foram usadas v´arias tecnologias de comunica¸c˜ao como as que ser˜ao descritas ao longo desta sec¸c˜ao.
IEEE 802.15.4
O IEEE 802.15.4 ´e um protocolo de comunica¸c˜ao de curto alcance e desenhado para o baixo consumo. O XBee ´e um dispositivo comercializado atualmente pela Digi e que implementa este protocolo. Este dispositivo ´e capaz de comunica¸c˜oes at´e 100 metros mantendo consumos e dimens˜oes reduzidas. Estas carater´ısticas fazem dele um protocolo largamente utilizado em redes de sensores sem fios.
O XBee opera a 3.3V e consome 1.2mW a 2mW quando em funcionamento na vers˜ao base enquanto na vers˜ao ”Pro”consome at´e 63mW . A sua interface r´adio opera a 2.4GHz e 250Kbps. Tem mecanismos de modula¸c˜ao Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) epermite escolher entre 16 canais de r´adio. Permite ainda encripta¸c˜ao AES de 128-bit (Digi,2011).
O Xbee permite ainda v´arias topologias de rede, nomeadamente permite a associa¸c˜ao em redes mesh.
A figura 2.2.6 representa uma rede mesh implementada com uso ao Xbee.
Controller Area Network (CAN)
O CAN ´e um protocolo que define as duas camadas mais baixas do modelo OSI. O d´ebito do CAN depende do bit rate, da prioridade da mensagem e da carga do bus
24 CAP´ITULO 2. ESTADO DA ARTE
Figura 2.8 – Rede mesh com XBee. (Fonte:(DIGI))
de dados mas no geral pode dizer-se que tem uma taxa de transferˆencia m´axima de 1Mbps.
Uma particularidade do CAN ´e que n˜ao h´a n´umero m´aximo de n´os, h´a apenas a limita¸c˜ao de que quanto maior o tamanho do bus menores s˜ao as taxas de d´ebito. Por exemplo o tamanho m´aximo para que o bus de dados funcione a 1Mbps ´e 50m, para os 50Kbps ´e 100m, continuando a diminuir a taxa de d´ebito com a distˆancia. No CAN o endere¸camento n˜ao ´e efetuado em termos de emissor-recetor mas em termos de conte´udo. Para tal disp˜oe de um processo de filtragem de mensagens, em que cada n´o, baseado numa mascara pr´e definida determina se lˆe a mensagem ou n˜ao. No CAN1.0 os identificadores possuem 11 bit ao passo que o CAN2.0 usa identificadores com 29 bit.
Outra caracter´ıstica do CAN ´e a forma como este gere o acesso ao meio e as colis˜oes. O CAN espera que o bus esteja livre para transmitir, caso o CAN envia um ’1’ e detetar um ’0’ no bus deteta que houve uma colis˜ao. Ao detetar a colis˜ao volta a tentar transmitir mas atendendo a qual das mensagens a transmitir ´e a mais priorit´aria (Thompson et al.,1999). A estrutura de uma mensagem CAN (frame) ´e mostrada na figura2.2.6.
2.2. SOLUC¸ ˜OES E TECNOLOGIAS NO MERCADO 25
Figura 2.9 – Estrutura de uma mensagem CAN. (Fonte:(Stackexchange.com))
IEEE 802.11
O IEEE 802.11 ´e a norma que define as redes sem fios de ´area local (WLAN) pelo que a sua cobertura se limita a algumas dezenas de metros (Ergen, 2002). Permite v´arios tipos de encripta¸c˜ao de dados e suporta velocidades at´e 600Mbps no caso do IEEE 802.11n.
Esta norma continua a ser trabalhada da forma que surgem frequentemente novos avan¸cos como a proposta do IEEE 802.11ac que visa chegar aos 6.77Gbps e que estava planeado ser introduzida em 2012-2013.
A norma IEEE 802.11 opera em frequˆencias livres de custos de opera¸c˜ao e tem sido usado em grande escala em computadores pessoais, smartphones, cˆamaras fotogr´aficas, impressoras, entre outros.
A tabela 2.2.6 mostra as caracter´ısticas da norma IEEE 802.11ac, incluindo as t´ecnicas de modula¸c˜ao e acesso ao meio.
26 CAP´ITULO 2. ESTADO DA ARTE
Operation Frequency 5GHz unlicensed band only Bandwith 20, 40 and 80MHZ (optional) Modulation Schemes BPSK, QPSK, 16QAM ,
64QAM, 256QAM(optional)
Forward error correction coding Convolutional or LDPC (optional) with a coding rate of 1/2, 2/3,3/4, 5/6 MIMO Space time coding, single user MIMO,
multi-user MIMO (all optional) Spatial Streams Up to eight (optional)
Beamforming Respond to transmit beamforming sounding (optional)
Aggregated MPOU (A-MPDU) 1.048.576 octets(65.535 octets in 802.11n) Guard Interval Normal guard interval,
Short guard interval (optional)
IEEE 802.16
O IEEE 802.16 ou WiMAX como ´e vulgarmente conhecido, ´e um protocolo de comunica¸c˜oes de alto d´ebito e longas distˆancias. E frequentemente usado para´ criar links que cobrem alguns quil´ometros de distˆancia usando tecnologias de d´ebito elevado e livres de custos de operador (dependendo da frequˆencia usada).
A figura 2.2.6 representa a topologia onde normalmente ´e aplicado o WiMAX, com um link entre aparelhos do fornecedor de servi¸cos e que extende o link at´e ao dispositivo de cliente.
As velocidades das comunica¸c˜oes ultrapassam os 75 Mbps e distancias at´e 50 quil´ometros em linha de vista (LOS) e 6 a 10 quil´ometros quando n˜ao existe linha de vista (NLOS).
A tabela 2.2.6 refere-se `a compara¸c˜ao entre as tecnologias de comunica¸c˜ao sem fio referidas anteriormente, a WiFi(802.11) e o WiMAX(802.16) (Banerji and Chowdhury,
2.2. SOLUC¸ ˜OES E TECNOLOGIAS NO MERCADO 27
Figura 2.10 – Aplica¸c˜ao de WiMAX para extender um link de ISP. (Fonte:(MegaPath))
incluindo metodologias de acesso ao meio, t´ecnicas de encripta¸c˜ao de dados e caracter´ısticas das interfaces r´adio como a modula¸c˜ao e a frequˆencia bem como as distˆancias alcan¸cadas.
2.2.7
Java
O Java ´e uma tecnologia tecnologia nascida da vontade de obter uma linguagem de programa¸c˜ao orientada a objetos que fosse poss´ıvel correr em dispositivos de baixo processamento como televisores e aparelhos de multim´edia tal como se fosse escrito para correr num computador pessoal. Esta filosofia deu origem `a linguagem Java e `a plataforma Java, onde se inclui a m´aquina virtual Java(JVM) e que originou a c´elebre m´axima ”Write Once Run Anywhere”usada pela Sun MicroSystems.
A m´aquina virtual Java permite a portabilidade do c´odigo uma vez que ´e capaz de interpretar o c´odigo JAVA como opcodes e a partir da´ı correr as instru¸c˜oes em qualquer dispositivo onde seja poss´ıvel instalar a JVM. Esta portabilidade permitiu
28 CAP´ITULO 2. ESTADO DA ARTE
que a tecnologia fosse rapidamente adotada pelos distribuidores de conte´udo online. Com a evolu¸c˜ao do Java a plataforma tem englobado cada vez mais ferramentas e APIs (Application Programming Interface) tˆem surgido, com variadis tipos de conte´udo, especialmente aqueles voltados para os dispositivos m´oveis e para conte´udos Internet, quer a correr no servidor quer no browser (Egyedi, 2001).
A plataforma Java ´e de c´odigo aberto, o que facilitou a sua implanta¸c˜ao e suporte pela comunidade open-source.
2.2.8
JSP
A tecnologia JSP ´e uma tecnologia usada para o desenvolvimento de aplica¸c˜oes web e foi desenhada para correr do lado do servidor. Estes comandos extendem a linguagem HTML. Os comandos JSP s˜ao processados pelo servidor antes de a visualiza¸c˜ao de se a p´agina ser descarregada.
O JSP baseia-se na tecnologia Java pelo ´e poss´ıvel a sua execu¸c˜ao em diversos sistemas operativos.
As funcionalidades trazidas pelo JSP v˜ao desde a acesso a bases de dados, manipula¸c˜ao de (alguns) ficheiros, manipula¸c˜ao de formul´arios e de informa¸c˜oes de sess˜ao.
O JSP permite por exemplo requisi¸c˜oes de parˆametros `a base de dados do pr´oprio servidor e apresentar os mesmos de uma forma dinˆamica na p´agina web.
O JSP permite ainda a instancia¸c˜ao de 9 tipos de objetos nativos: 1. request: javax. servlet. ServletRequest
2. response: javax. servlet. ServletResponse 3. pageContext: javax. servlet. jsp. PageContext 4. session: javax. servlet. http. HttpSession 5. application: javax. servlet. servletContext
2.2. SOLUC¸ ˜OES E TECNOLOGIAS NO MERCADO 29
6. out: javax. servlet. jsp. JspWriter 7. config: javax. servlet. ServletConfig 8. page: java. lang. Object
9. exception: java. lang. Throwable
Entre outros, estes objetos permitem lidar com a parˆametros de sess˜ao, exce¸c˜oes e manipular pedidos JSP.
Figura 2.11 – Arquitetura do JSP. (Fonte:(Roneclei Campos dos Santos,2008))
A figura 2.2.8 representa a arquitetura do JSP e a maneira como se processa um pedido ao servidor de JSP.
2.2.9
Java Script
O JavaScript ´e uma linguagem de programa¸c˜ao interpretada e orientada a objetos baseada em prot´otipos, mais conhecida como a linguagem de script da Web.
30 CAP´ITULO 2. ESTADO DA ARTE
A escrita do c´odigo JavaScript ´e complementar a outras linguagens como o HTML, e vem por sua vez fornecer um conjunto de ferramentas que vai complementar as ferramentas nativas dessa linguagem.
Quando adicionados scripts escritos em JavaScript ao HTML podem adicionar-se a este fun¸c˜oes como opera¸c˜oes aritm´eticas entre outras, altera¸c˜ao de propriedades de p´agina como a cor de fundo, dinamicamente na mesma p´agina, fun¸c˜oes que seriam imposs´ıveis se se usasse simplesmente o HTML.
O JavaScript ´e ainda uma importante ferramenta ao n´ıvel do design de p´aginas, sendo poss´ıvel incluir no projeto plugins e bibliotecas de modo a facilitar o desenvolvimento web (Network, 2012) .
2.2.10
Google Maps API
A Google Maps API ´e um conjunto de ferramentas de desenvolvimento (Application Programming Interface) que permite desenvolver aplica¸c˜oes que interajam diretamente com os mapas da Google (Google Maps).
O uso desta API ´e gratuito desde que as aplica¸c˜oes que o usam tamb´em sejam de acesso gratuito.
Esta API originalmente deu suporte a duas linguagens: JavaScript e ActionSript. Hoje em dia tamb´em suporta tecnologias m´oveis como por exemplo o sistema operativo Android.
Do lado do cliente esta API veio possibilitar que o os pontos fossem visualizados sobre o mapa sem que o utilizador tivesse de instalar qualquer plugin, bastando ter o JavaScript habilitado (Robert E. Roth,2009).
A figura2.2.10mostra uma visualiza¸c˜ao do Google Maps com um marcador assinalado. Os marcadores s˜ao assinalado refere-se `a pesquisa no Google Maps pelo termo: ”Utad”. O marcador ´e assinalado no mapa com recurso a ferramentas da Google Maps API. A visualiza¸c˜ao do mapa ´e feita atrav´es de um browser que por sua vez
2.2. SOLUC¸ ˜OES E TECNOLOGIAS NO MERCADO 31
Figura 2.12– Exemplo de visualiza¸c˜ao do Google Maps com marcadores obtidos atrav´es da Google Maps API.
corre um script escrito em JavaScript.
2.2.11
Sistemas embebidos Linux
O Linux ´e um sistema operativo de c´odigo aberto baseado no kernel criado por Linus Torvalds enquanto estudante.
Este sistema operativo teve o apoio da maioria da comunidade open-source que, como no caso do JAVA lhe d˜ao suporte e contribuem com c´odigo fonte aberto. Hoje em dia existe um grande n´umero de distribui¸c˜oes baseadas em Linux e este pode ser encontrado em terminais de v´arios tipos desde computadores pessoais e
32 CAP´ITULO 2. ESTADO DA ARTE
supercomputadores at´e sistemas embebidos.
Um sistema embutido (embedded system), ´e uma combina¸c˜ao de hardware, software e perif´ericos dedicados a realizar uma determinada tarefa (STIVAL, 2003).
Pode tamb´em ser acoplado a um sistema maior para realizar uma fun¸c˜ao espec´ıfica como controlar um processo robotizado.
Um exemplo comum do uso de sistemas embebidos s˜ao os routers e pontos de acesso, na sua maioria equipados com um processador ARM e capaz de correr o Linux na vers˜ao espec´ıfica para essa arquitetura.
Recentemente e principalmente com projetos de Open Hardware como o Arduino surgiu a aspira¸c˜ao de produzir em s´erie dispositivos dotados com algum poder de processamento mas com um custo suficientemente baixo para ser comercializado quer para uso em escolas como para um melhor acesso por parte de pa´ıses em desenvolvimento. Esta motiva¸c˜ao levou a que fosse criado o projeto do RaspBerry Pi e que hoje em dia deu origem `a RaspBerry Pi Fundation (Fundation).
Al´em do RaspBerry Pi existe um vasto leque de op¸c˜oes no que toca a sistemas embebidos como por exemplo o BeagleBone e o recentemente anunciado Arduino Tre, e o Arduino Galileo sendo que apenas o ultimo dos referidos tem uma arquitetura IntelX86 enquanto os restantes apresentam uma arquitetura ARM.
2.2. SOLUC¸ ˜OES E TECNOLOGIAS NO MERCADO 33
Tabela 2.4 – Compara¸c˜ao entre o WiFi (802.11) e WiMAX (802.16). Fonte: (Banerji and Chowdhury,2013)
Caracter´ıstica WiMAX (802.16a) Wi-Fi (802.11b)
WiFi (802.11a/g) Aplica¸c˜ao Principal Wireless Banda Larga LAN wireless LAN wireless
Frequˆencia 2 a 11 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz e 5 GHz Largura de Canal Ajust´avel de 1.25 a 20
MHz
25 MHz 20MHz
Half/Full Duplex Full Half Half
R´adio OFDM(256 canais) DS-SS OFDM(64 canais) Eficiˆencia Espectral <= 5bps/Hz <= 0.44bps/Hz <= 2.7bps/Hz
Modula¸c˜ao BPSK, QPSK, 16-, 64-, 256-QAM
QPSK BPSK, QPSK, 16-,
64-QAM Corre¸c˜ao de erros Convolu¸c˜ao de c´odigo,
Reed-Solomon
N˜ao Convolu¸c˜ao de c´odigo Encripta¸c˜ao Mandatory- 3DES,
Optional- Encripta¸c˜ao AES Optional- RC4 (AES in 802.11i) Optional- RC4 (AES in 802.11i)
Mobilidade Mobile WiMAX (802.16e)
Em
desenvolvimento
Em desenvolvimento
Mesh Sim Implementa¸c˜ao
propriet´aria
Implementa¸c˜ao propriet´aria M´etodo de Acesso Request/Grant CSMA/CA CSMA/CA
3
Conce¸c˜
ao
Neste cap´ıtulo ser˜ao abordados os requisitos identificados aquando do projeto do sistema e a arquitetura encontrada de modo a cumprir esses requisitos.
Como referido anteriormente, os sistemas desenvolvidos neste trabalho s˜ao parte integrante do projeto de um sistema mais abrangente, a cria¸c˜ao de uma Smart City, pelo que alguns elementos como o Centro de Controlo de opera¸c˜oes e sistemas, sistemas de dete¸c˜ao de viaturas e ser˜ao implementados em parceria com os restantes colaboradores do projeto bem como o design de alguns esquemas de comunica¸c˜ao. Alguns dos sistemas desenvolvidos neste projeto est˜ao implementados em laborat´orio at´e `a data de escrita deste documento, no entanto, devido `a complexidade do sistema, alguns dos seus componentes encontram-se em fase de estudo, sendo portanto aqui apresentadas apenas as especifica¸c˜oes funcionais e t´ecnicas e o desenho da arquitetura.
3.1
Arquitetura do Sistema de Controlo de IP
O sistema de controlo de IP tem por base a economia sem comprometer o conforto e a qualidade do servi¸co oferecido. Este sistema foi desenhado com forte orienta¸c˜ao para
36 CAP´ITULO 3. CONCEC¸ ˜AO
a presta¸c˜ao de servi¸co, valorizando a rede de ilumina¸c˜ao p´ublica como uma mais-valia para a popula¸c˜ao e para o espa¸co em que se insere. Assim sendo predominam as regras que incidem sobre o uso real da via, um ajuste dinˆamico `as condi¸c˜oes climat´ericas e ambientais. Foram tamb´em pensados os esquemas de recupera¸c˜ao de erros e interfaces gr´aficas user-friendly para uma mais f´acil, e portanto mais r´apida, manuten¸c˜ao por parte do t´ecnico respons´avel.
A figura 3.1 representa a arquitetura base do sistema de controlo de IP, onde se podem ver os seus grupos m´odulos ou grupos modulares principais. A hierarquia do sistema de gest˜ao vai desde o Centro de Controlo de Opera¸c˜ao (CCO), os N´os Interm´edios Inteligentes, que interligam ao CCO via Internet, e por ´ultimo os N´os Terminais que controlam diretamente cada uma das lumin´arias.
3.1. ARQUITETURA DO SISTEMA DE CONTROLO DE IP 37
3.1.1
Centro de Controlo de Opera¸c˜
oes
O CCO ´e a base de toda a Smart City, neste est˜ao alojadas as bases de dados com os dados e regras de funcionamento de todos os sistemas da cidade. No que diz respeito ao sistema de gest˜ao de IP est˜ao inclu´ıdas nas bases do CCO todos os dados geogr´aficas de cada uma das lumin´arias e as suas regras de funcionamento. De entre as regras de funcionamento constam aquelas relacionadas com a utiliza¸c˜ao efetiva da via e as introduzidas manualmente pelo operador, uma vez que ´e no CCO que vai estar alojada a interface gr´afica central, quer para acesso local quer acedida via Internet.
Na p´agina web de controlo do sistema, o utilizador deve ter a possibilidade de aceder ao estado da lumin´aria ou conjunto de lumin´arias pretendidas e assim alterar o seu estado bem como permitir ajustar as regras de funcionamento sem no entanto necessitar de profundo conhecimento sobre a implementa¸c˜ao do sistema. O CCO conhece ainda em tempo real o estado de cada lumin´aria em fun¸c˜ao dos seus dados dos sensores, podendo ajustar ou mesmo desligar a lumin´aria de forma preventiva.
Figura 3.2– Entradas e sa´ıdas do CCO.
Os sensores dos mais variados tipos espalhados pela cidade fazem chegar ao CCO uma quantidade de dados relevante, de entre os quais regras, dados meteorol´ogicos e ambientais cuja periodicidade e prioridade pode ser considerada baixa, mas tamb´em mensagens de alerta como as de alerta de mudan¸ca de sentido de via ou algum evento que despolete alarme, sendo estas mensagens de prioridade elevada e que n˜ao podem ser perdidas ou atendidas para al´em do seu tempo ´util ou v´alido.
