rubens ramires - Programa de Pós

Transcrição

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA POLITÉCNICA
RUBENS RAMIRES SOBRINHO
MÉTODO PARA PROTEÇÃO DOS DADOS CONTRA FALHAS DE
COMUNICAÇÃO EM REDES DE SENSORES SEM FIOS
v.1
São Paulo
2007
v.1
São Paulo
2007
ESCOLA POLITÉCNICA
Tese apresentada à Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo para obtenção
do Título de Doutor em Engenharia
Área de Concentração:
Engenharia Naval e Oceânica
Orientador:
Prof. Dr. Toshi-ichi Tachibana
v.1
São Paulo
2007
ESCOLA POLITÉCNICA
v.2
São Paulo
2007
v.2
São Paulo
2007
ESCOLA POLITÉCNICA
Tese apresentada à Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo para obtenção
do Título de Doutor em Engenharia
Área de Concentração:
Engenharia Naval e Oceânica
Orientador:
Prof. Dr. Toshi-ichi Tachibana
v.2
São Paulo
2007
Em paz também me deitarei e dormirei,
porque só tu, Senhor, me fazes habitar em
segurança.
(Salmos 4, ver. 8)
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho às pessoas que são a razão e incentivo
para o meu aperfeiçoamento pessoal e técnico.
Meus queridos pais,
João Baptista Ramires (in memorian) e
Edith Fonseca Ramires (in memorian);
Minha amada esposa, Eliane Iara Corá Ramires;
Minha querida filha, Camila Corá Ramires.
Meus queridos irmãos.
Noemi Fonseca Ramires (in memorian),
Margarete Fonseca Ramires,
João Baptista Ramires Junior,
Vanessa Fonseca Apolinário e
Paulo Fonseca Apolinário.
AGRADECIMENTOS
A realização desta pesquisa tornou-se possível devido à participação
e colaboração de pessoas muito importantes, às quais o autor deseja
expressar seus sinceros agradecimentos.
Ao amigo e orientador Professor Dr. Toshi-ichi Tachibana pela
paciência, apoio, ricos ensinamentos, carinho e ter acreditado no meu
potencial, apresentando-me ao Departamento de Engenharia Naval e
Oceânica da EPUSP, cedido seu nome para obter recursos junto à FAPESP,
indubitavelmente, ações essenciais para a minha pesquisa e maturidade
científica.
Ao meu grande amigo Dr. Luiz Shiro Tachibana que confiou na minha
capacidade e contribuiu fortemente ao meu ingresso a Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo e incentivou-me na continuidade de minha
carreira profissional.
Ao amigo Dr. Sussumu Niyama que idealizou a construção do
equipamento de centrífuga no IPT, criando inúmeras oportunidades de
aprendizado, formação de consciência científica, proporcionando ao longo
destes últimos anos a obtenção do título de mestre e agora este trabalho.
Ao amigo Dr. Luiz Alexandre G. Aleixo pela contribuição indispensável
neste trabalho, sem a qual, a qualidade desejada não teria sido alcançada e
pelos preciosos conselhos.
Ao amigo Professor Dr. Linilson Rodrigues Padovese pelo apoio e
orientação no aprimoramento dos trabalhos desenvolvidos.
Ao amigo Professor Dr. Carlos Alberto Nunes Dias que vem me
acompanhando desde o mestrado, enriquecendo ainda mais, com seus
valorosos conhecimentos, o desenvolvimento deste trabalho.
Ao futuro engenheiro Diego Aliprandi pela colaboração e criatividade
indispensáveis na realização dos trabalhos.
Ao Departamento de Engenharia Naval e Oceânica da Escola
Politécnica da Universidade de São Paulo, pelo acolhimento, pelo apoio
concedido e infra-estrutura disponibilizada, ao qual tenho muito orgulho e a
satisfação de ter participado do convívio diário com seus funcionários e
professores.
À FAPESP – Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São
Paulo pelo apoio financeiro e disponibilização de seus Departamentos para a
aquisição de materiais, sem os quais dificilmente este trabalho poderia ser
realizado e concretizado.
Ao CENPES/Petrobrás por ter idealizado o projeto das âncoras
‘tartaruga’, viabilizado o trabalho de pesquisa junto ao nosso grupo de
pesquisadores e concedido material técnico para o seu enriquecimento.
A todos que direta ou indiretamente, colaboraram na execução deste
trabalho.
Finalmente, agradecer de todo meu coração ao meu Senhor DEUS
por propiciar a oportunidade de conquistar mais uma etapa importante na
minha vida.
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO,
POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E
PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, sob responsabilidade
única do autor com a anuência de seu orientador.
São Paulo, 12 de dezembro de 2007
__________________________
Assinatura do autor
__________________________
Assinatura do orientador
Catalogação na Publicação
Serviço de Documentação da Escola Politécnica
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Ramires Sobrinho, Rubens
Método para Proteção dos Dados Contra Falhas de Comunicação em Redes de
Sensores Sem Fios, R. Ramires Sobrinho, São Paulo; 2007; orientador Toshi-ichi
Tachibana. Edição Revisada.
2v.
Tese (Doutorado – Programa de Pós-Graduação em Engenharia.
Área de Concentração: Engenharia Naval e Oceânica) – Escola Politécnica da Universidade
de São Paulo.
1. Instrumentação eletrônica 2. Sensores e atuadores 3. Redes de sensores
inteligentes sem fios 4. Ensaios de modelos físicos reduzidos 5. Centrífuga para ensaios
geotécnicos 6.Engenharia Oceânica.
I. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento de
Engenharia Naval e Oceânica II.t.
i
RESUMO
RAMIRES, R.S. Método para proteção dos dados contra falhas de
comunicação em redes de sensores sem fios. 2007. 326 f. Tese
(Doutorado) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo,
2007.
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um método para
garantir a proteção dos dados contra falhas de comunicação em uma rede
de sensores sem fios, empregada nos ensaios de modelos físicos reduzidos
em centrífuga. Este sistema foi aplicado para estudar o comportamento das
âncoras ‘tartaruga’ utilizadas nas linhas de ancoragem de sistemas
oceânicos para produção de óleo e gás em águas profundas. O emprego da
tecnologia de redes de sensores sem fios tem aumentado em muitas áreas
da sociedade, principalmente na engenharia. Dessa forma, muitos
problemas estão sendo enfrentados e estudados pelos pesquisadores.
Sobretudo no que diz respeito à interferência ambiental, relação de potência
e alcance, integridade da informação, miniaturização dos dispositivos,
autonomia de energia, limitação de algoritmos e vida útil. A inserção da
tecnologia de redes de sensores sem fios nos ensaios de modelos físicos
reduzidos de estruturas oceânicas em centrífuga, além de ser inédita no
Brasil, permitirá avanços significativos na determinação de parâmetros com
maior confiabilidade que, atualmente, são de difícil obtenção com
tecnologias convencionais como os sistemas de aquisição de dados e
controle que utilizam cabos e fios. Muitas vezes depara-se com a
inconveniência do peso dos cabos e dificuldades de instalação dos
dispositivos nos modelos, pela sua pouca portabilidade.
Palavras-chave: Instrumentação, sensores, atuadores, redes de sensores
inteligentes sem fios, sistemas sem fios, ensaios de modelos físicos
reduzidos de estruturas oceânicas, centrifuga para ensaios geotécnicos.
ii
ABSTRACT
RAMIRES, R.S. Method for data protection against communication
failures in wireless smart sensors networks. 2007. Thesis (Doctoral) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007.
This work presents a method developed to guarantee the integrity of
the data in the wireless smart sensor networks, employed in centrifuge
physical modelling tests of anchors used as fixing devices for deep water
production oil and gas systems. The use of wireless smart sensor networks
technology has been increasing in many engineering areas. In spite of this
evidence, lots of problems are being faced and studied by the researchers
environmental interference, power and reach relations, integrity of the
information, miniaturization of the devices, energy autonomy, algorithms and
useful life. The use of the wireless smart sensor networks technology in the
oceanic structures reduced physical models test in centrifuge, by first time in
Brazil, will allow significant advances in the parameters determination. The
conventional instrumentation presents inconvenience of the weight cables
and difficulties of the devices in the models by limited portability.
Keywords: Instrumentation, sensors, actuators, wireless smart sensors
networks, wireless systems, oceanic structures physical modelling tests,
geotechnical tests in centrifuge.
iii
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
CAPÍTULO 1
Figura 1.1 – Ensaios de interação riser-solo............................................... 005
Figura 1.2 – Tanque de ensaios do riser-solo............................................. 005
Figura 1.3 – Ensaios em elementos de fixação.......................................... 006
Figura 1.4 – Ensaios em estacas torpedo................................................... 006
Figura 1.5 – Ensaios em estacas de sucção.............................................. 006
Figura 1.6 – Ensaios em âncoras ‘tartaruga’.............................................. 007
Figura 1.7 - Tanque de ensaios para âncoras tartaruga............................. 007
CAPÍTULO 2
Figura 2.1 - Visão de um exemplo de população de RSSF’s com nós
altamente crescidos em clusters, áreas
escassamente
povoadas, obstruídas e separadas por regiões,
(BEUTEL, 2004)..................................................................... 021
Figura 2.2 - Topologia onde existem problemas de
comunicação
devido a obstáculos, transmissão assíncrono,
(BEUTEL, 2004)..................................................................... 021
Figura 2.3 - Uma visão esquemática de operação de um algoritmo:
(a) inicialmente desconectado; (b) primeira
formação
de um piconet; (c) interconexão entre eles pelo primeiro
scatternet; (d) formação maior por scatternet e estrutura
distribuída fica visível; e (e) uma estrutura
única
formada, (BEUTEL, 2004)..................................................... 022
CAPÍTULO 4
Figura 4.1 – Configurações de instrumentação em centrífugas, adaptado
de (ZORNBERG; FRIEDRICHSEN; AVANZI, 2005)............. 044
Figura 4.2 – Configuração da instrumentação de algumas centrífugas,
adaptado de (ZORNBERG; FRIEDRICHSEN; AVANZI,
2005)...................................................................................... 045
iv
Figura 4.3 – Configuração da instrumentação das centrífugas mais
recentes, adaptado de (ZORNBERG; FRIEDRICHSEN;
AVANZI, 2005)....................................................................... 045
Figura 4.4 – Configuração da instrumentação das centrífugas mais
recentes, adaptado de (ZORNBERG; FRIEDRICHSEN;
AVANZI, 2005)....................................................................... 045
Figura 4.5 – Topologia adotada nos ensaios em centrífuga da
UC Davis, (WILSON et al., 2004).......................................... 047
Figura 4.6 – Diagrama esquemático da arquitetura usada na centrífuga
UC Davis, USA...................................................................... 047
Figura 4.7 – Disposição dos sensores sem fios no modelo e cesto
da centrífuga, adaptado de (WILSON et al., 2004)................048
Figura 4.8 – Diagrama esquemático da arquitetura usada na centrífuga
MIT, USA............................................................................... 049
Figura 4.9 – Disposição dos sensores de pressão no modelo de túnel,
adaptado de (CHEEKIRALLA, 2004)..................................... 050
Figura 4.10 –Arquitetura de redes de sensores sem fios proposta para
a centrífuga IPT..................................................................... 051
CAPÍTULO 5
Figura 5.1 – Diagrama de blocos da metodologia desenvolvida................ 057
Figura 5.2. – Fluxograma dos comandos executados no nó sensor.......... 060
Figura 5.3. – Fluxograma de comandos executados no nó gateway......... 062
Figura 5.4. – Fluxograma dos comandos executados no LabVIEW.......... 068
CAPÍTULO 6
Figura 6.1 – Valores obtidos durante a aquisição de dados do nó
sensor próximo à base........................................................... 083
sensor dentro do cesto da centrífuga sem movimento.......... 083
sensor dentro do cesto da centrífuga em movimento........... 084
v
Figura 6.4. – Montagem do modelo de âncora, sensores e atuadores....... 096
Figura 6.5. – 1ª âncora ‘tartaruga’.............................................................. 097
Figura 6.6. – 2ª âncora ‘tartaruga’.............................................................. 097
Figura 6.7. – 3ª âncora ‘tartaruga’............................................................ 098
Figura 6.8. - Sensor de Inclinação (Tilt sensor)........................................ 099
a) Detalhe do sensor de inclinação........................................099
b) Detalhe do conjunto........................................................... 099
Figura 6.9. – Condicionadores de sinais 1B31NA e fonte de
alimentação.......................................................................... 099
a) Vista dos condicionadores................................................. 099
b) Vista das fontes de alimentação........................................ 099
Figura 6.10 – Etapa de calibração do sensor de inclinação....................... 100
Figura 6.11 – Célula de carga..................................................................... 101
a) Elemento elástico............................................................. 101
b) Construção final................................................................. 101
Figura 6.12 – Calibração da célula de carga.............................................. 102
a) Detalhe da célula de carga.............................................. 102
b) Detalhe da calibração da célula....................................... 102
Figura 6.13 – Micromotor e encoder........................................................... 102
a) Calibração micromotor e encoder.................................... 102
b) Micromotor na centrífuga.................................................. 102
Figura 6.14 – Painel frontal do programa do sistema convencional........... 103
Figura 6.15 – Calibração do conjunto do sistema sem fios........................ 104
a) Amplificador e a célula de carga....................................... 104
b) Conjunto do sistema sem fios........................................... 104
Figura 6.16 – Preparação do conjunto e ensaios realizados...................... 106
a) Preparação do solo...........................................................106
b) Solo acomodado no cesto…………………………………. 106
c) Roldanas e a célula de carga........................................... 106
d) Âncora modelo no solo..................................................... 106
e) Forma de ruptura do solo................................................. 106
f) Forma de ruptura do solo.................................................. 106
vi
g) Forma de ruptura do solo................................................. 106
h) Forma de ruptura do solo................................................. 106
Figura 6.17 - Amostra Shelby extraída do cesto da centrífuga................... 107
Figura 6.18 - Ensaio de penetração de cone.............................................. 107
APÊNDICE A
Figura A.1 – Centrífuga do Laboratório Central des Ponts et
Chausèes - França, (LCPC, 2002)....................................... 151
Figura A.2 – Centrífuga da Public Works Research Institute– Japão,
(GEOTECH, 2002)................................................................ 151
Figura A.3 – Centrífuga IPT, (NIYAMA et al., 1994).................................. 152
Figura A.4 - Esquema geral dos sistemas da centrífuga IPT,
(NIYAMA et al., 1994)........................................................... 153
APÊNDICE B
Figura B.1 – Configuração e pinagem do chip CC1010,
(CHIPCON, 2004).................................................................. 172
Figura B.2 – Diagrama esquemático das funções do chip CC1010,
(CHIPCON, 2004)................................................................. 173
Figura B.3 – Placa de avaliação, (CHIPCON, 2003)................................ 174
Figura B.4 – Módulo de avaliação, (CHIPCON, 2003).............................. 174
Figura B.5 – Painel frontal do software keil µVision 3 IDE,
(CHIPCON, 2002)…........................................................... 177
Figura B.6 - Painel frontal do software Smart RF Studio,
(CHIPCON, 2002)................................................................. 177
Figura B.7 - Painel frontal do software Flash Programmer,
(CHIPCON, 2002)................................................................. 178
APÊNDICE D
Figura D.1 - Curva de alibração do cantilever, sistema sem fios...............195
Figura D.2 - Curva de calibração do cantilever, sistema convencional..... 195
Figura D.3 - Curva de calibração do eixo X, sistema convencional...........196
vii
Figura D.4 - Curva de calibração do eixo Y, sistema convencional...........196
Figura D.5 - Curva de calibração da célula de carga, sistema
convencional.......................................................................... 197
Figura D.6 - Curva de calibração do encoder, sistema convencional........ 197
Figura D.7 - Curva de calibração do eixo X, sistema sem fios.................. 198
Figura D.8 - Curva de calibração do eixo Y, sistema sem fios.................. 198
Figura D.9 - Curva de calibração da célula de carga, sistema sem fios.... 199
Figura D.10 – Curva de calibração do encoder, sistemas sem fios.......... 199
Figura D.11 – Curva de calibração da amarra do sistema de arraste....... 200
APÊNDICE E
Figura E.1 - Painel Frontal do Programa LabVIEW.................................. 202
Figura E.2 – Diagrama de Blocos do Programa LabVIEW....................... 202
APÊNDICE F
Figura F.1 - Curva de calibração da centrífuga com sistema sem fios
a 50 g..................................................................................... 204
Figura F.2 - Curva de calibração da centrífuga com sistema
convencional a 50 g............................................................... 204
convencional a 50 g............................................................... 205
convencional a 50 g............................................................... 205
a 75 g..................................................................................... 206
convencional a 75 g............................................................... 206
a 100 g................................................................................... 207
convencional a 100 g............................................................. 207
Figura F.9 - Centrífuga em repouso, com a instrumentação
viii
convencional......................................................................... 208
Figura F.10 – Aceleração da centrífuga, com instrumentação
convencional...................................................................... 208
Figura F.11 – Patamar de operação, com a instrumentação
convencional...................................................................... 209
Figura F.12 – Rampa desaceleração, com a instrumentação
convencional...................................................................... 209
Figura F.13 – Distribuição normal da curva de calibração do
sistema convencional no regime de operação da
centrífuga em 50 g............................................................... 210
Figura F.14 – Distribuição normal da curva de calibração do
sistema sem fios no regime de operação da
centrífuga em 50 g.............................................................. 210
Figura F.15 – Distribuição normal da curva de calibração
do sistema convencional no regime de operação da
centrífuga em 75 g.............................................................. 211
do sistema sem fios no regime de operação da
centrífuga em 75 g.............................................................. 211
do sistema convencional no regime de operação da
centrífuga em 100 g............................................................ 212
do sistema sem fios no regime de operação da
centrífuga em 100 g............................................................ 212
Figura F.19 – Eixo X da âncora 1, instrumentação sem fios.................... 213
Figura F.20 – Eixo X da âncora 1, instrumentação convencional............ 213
Figura F.21 – Eixo Y da âncora 1, instrumentação sem fios...................
214
Figura F.22 – Eixo Y da âncora 1, instrumentação convencional............. 214
Figura F.23 – Força de arraste da âncora 1, instrumentação sem fios.... 215
Figura F.24 – Força de arraste da âncora 1, instrumentação
convencional....................................................................... 215
ix
Figura F.25 – Eixo X em função do tempo, âncora 1,
instrumentação sem fios..................................................... 216
instrumentação convencional............................................. 216
Figura F.27 – Eixo Y em função do tempo, âncora 1,
instrumentação sem fios.................................................... 217
Figura F.29 – Força de arraste em função do tempo, âncora 1,
Figura F.32 – Eixo X da âncora 2, instrumentação convencional............. 219
Figura F.32 – Eixo Y da âncora 2, instrumentação sem fios.................... 220
Figura F.33 – Eixo Y da âncora 2, instrumentação convencional............. 220
Figura F.34 – Força de arraste da âncora 2, instrumentação sem fios.... 221
Figura F.35 – Força de arraste da âncora 2, instrumentação
convencional....................................................................... 221
instrumentação convencional............................................ 222
instrumentação sem fios................................................... 223
instrumentação convencional........................................... 223
x
Figura F.43 – Eixo X da âncora 3, instrumentação convencional............. 225
Figura F.44 – Eixo Y da âncora 3, instrumentação sem fios.................... 226
Figura F.45 – Eixo Y da âncora 3, instrumentação convencional............ 226
Figura F.46 – Força de arraste na âncora 3, instrumentação sem fios.... 227
Figura F.47 – Força de arraste na âncora 3, instrumentação
convencional....................................................................... 227
Figura F.48 – Eixo X da âncora 3 em função do tempo,
Figura F.49 – Eixo X da âncora 3 em função do tempo,
Figura F.50 – Eixo Y da âncora 3 em função do tempo,
Figura F.51 – Eixo Y da âncora 3 em função do tempo,
Figura F.52 – Força de arraste na âncora 3 em função do tempo,
Figura F.54 – Movimentação da âncora 1 no solo, sistema sem fios......... 231
Figura F.55 – Movimentação da âncora 1 no solo, sistema convencional. 231
Figura F.56 – Movimentação da âncora 2 no solo, sistema sem fios....... 232
Figura F.57 – Movimentação da âncora 2 no solo, sistema
convencional..................................................................... 232
Figura F.58 – Movimentação da âncora 3 no solo, sistema sem fios....... 233
Figura F.59 – Movimentação da âncora 3 no solo, sistema
convencional...................................................................... 233
APÊNDICE G
Figura G.1 – Desenho esquemático da barra do cantilever...................... 235
xi
ANEXO B
Figura AB.1 -Modelo do padrão IEEE 1451 e suas partes, (CAO, 2006)... 316
Figura AB.2 -Modelo conforme padrão IEEE 1451.1, (CAO, 2006)............317
Figura AB.3 -Modelo implementado no padrão IEEE 1451.1,
(CAO, 2006)........................................................................... 317
(CAO, 2006)........................................................................... 318
(CAO, 2006)........................................................................... 319
(CAO, 2006)........................................................................... 320
Figura AB.10 - Modelo conforme padrão 1451.5, (KENNETH, 2006)........ 321
xii
LISTA DE TABELAS
CAPÍTULO 3
Tabela 3.1 – Empresas e tecnologias adotadas, (OLIVEIRA, 2006).......... 038
CAPÍTULO 6
Tabela 6.1 - Testes comparativos entre os parâmetros de tempo de
aquisição e tempo de atraso................................................. 086
Tabela 6.2. – Testes com um nó sensor e três canais do A/D................... 090
Tabela 6.3. – Teste com dois nós sensores e três canais do A/D.............. 091
Tabela 6.4. – Testes com três nós sensores e três canais do A/D............. 092
Tabela 6.5 - Comparação das medidas realizadas com os sistemas
sem fios e o convencional..................................................... 095
Tabela 6.6. – Características geométricas das âncoras ‘tartaruga’............ 097
Tabela 6.7 – Força peso das âncoras ‘tartaruga’....................................... 098
Tabela 6.8 – Resultados dos ensaios com modelos de âncora
‘tartaruga’.............................................................................. 109
Tabela 6.9 – Valores correspondentes à escala do protótipo..................... 110
CAPÍTULO 7
Tabela 7.1 – Parâmetros estatísticos dos sistemas empregados na
Centrífuga IPT........................................................................ 117
centrífuga IPT durante os ensaios com a âncora 1.............. 121
centrífuga IPT durante os ensaios com a âncora 2.............. 122
centrífuga IPT durante os ensaios com a âncora 3............... 123
xiii
APÊNDICE A
Tabela A.1 - Fatores de escala associados à modelagem física em
centrífugas, (KO, 1988).......................................................... 167
ANEXO A
Tabela AA.1. –
Avaliação de padrões sem fios................................... 298
Tabela AA.2. –
Comparação de tecnologias de RF............................. 300
xiv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
1xRTT
- Single-carrier Radio Transmission Technology
A/D
– Conversor Analógico para Digital
ADC0
- analog/digital convert 0 (canal 0 do A/D)
ADC1
ADC2
ADLS
– Advanced Life Scienc
BER
– Bit Error Ratio
CDMA
– Code Division Multiple Access
CI
– Circuito Integrado
CLP
– Controlador Lógico Programável
CPU
– Central Processing Unit
D/A
– Conversor Digital para Analógico
DC
– Direct Current
DES
– Decryption Encryption System
DSP
– Digital Signal Processing
DSSS
– Direct Sequence Spread Spectrum
EDGE
– Enhanced Data Rates for Global Evolution
FEC
– Forward Error Correction
FFD
– Full Function Device
FHSS
– Frequency Hopping Spread Spectrum
GPRS
– General Packet Radio Service
GSM
– Global System Mobile
HTTP
– Hypertext Transfer Protocol
IEEE
– Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP
– Internet Protocol
ISM
– Industrial, Scientific and Medical Radio Bands
ISO/OSI
– International Standard Organization/Open System
Interconnect
LAN
– Local Area Network
MPRG
– Mobile Portable Radio Grup
xv
MEMS
– Micro Electro Mechanical System
NCAP
– Network Capable Application
NEMS
– Nano Electro Mechanical System
NGI
– Next Generation Internet
NRZ
– Non Return to Zero
ORNL
– Oak Ridge National Laboratory
PC
– Personal Computer
Pacote
- conjunto de dados enviados de um nó a outro
RF
– Rádio Freqüência
RFD
– Reduced Function Device
RFID
– Radio Frequency Identification
RSSF
– Rede de Sensores Sem Fios
RSSI
– Received Signal Strength Indicator
SADC
– Sistemas de Aquisição de Dados e Controle
SCADA
– Supervisory Control and Data Acquisition
SDCD
– Sistema Digital de Controle Distribuído
SMTP
– Simple Mail Transfer Protocol
SNR
– Signal to Noise Ratio
SOAP
– Simple Object Access Protocol
SPP
– Single Packet Protocol
STIM
– Smart Transducer Interface Module
TCP
– Transmission Control Protocol
TEDS
– Transducers Electronic Data Sheet
UDP
– User Datagram Protocol
VLA
– Vertical Load Anchors
WLAN
–Wireless Local Area Network
WPAN
– Wireless Personal Área Network
WWAN
– Wireless Wide Area Network
xvi
LISTA DE SÍMBOLOS
Ω
– Ohms
ρ
– densidade relativa
o
– graus
A
– área
b
– bits (unidade mínima no sistema binário, 0 ou 1)
B
– byte ( conjunto de oito bits)
bits/s/Hz
– bits por segundo por Hertz
bps
– bits per second (bits por segundo)
cm
– centímetros
cm
2
– centímetros quadrados
cm
3
– centímetros cúbicos
cm4
– centímetros à quarta potência
CV
– cavalo a vapor
°C
– graus Celsius
dB
– decibéis
dBm
– decibéis médio
E
– módulo de elasticidade
fn
– freqüência natural
g
– unidade de aceleração da gravidade terrestre
g.ton
– unidade da capacidade das centrífugas para ensaios de
modelos físicos
GHz
– gigaHertz
Hz
– Hertz (unidade de freqüência)
I
– momento de inércia
kB
– quilobyte
kB/s
– quilobyte por segundo
kbaudrate
– quilobaudrate (taxa de transmissão)
kbps
– quilobits por segundo
kg
– quilograma
kgf/cm2
– quilograma força por centímetro quadrado
xvii
kHz
– quiloHertz
kN
– quiloNewton
kS/s
– quilosample per second (amostra por segundo)
L
– comprimento
m
– metros
mA
– miliÀmpere
mAh
– miliÀmpere hora
m/h
– metros por hora
Mbps
– megabits por segundo
MHz
– megaHertz
ms
– milisegundos
mW
– miliWatts
MN
– megaNewton
N
– Newton
N
– fator de escala em centrífugas
pf
– força peso
rpm
– rotações por minuto
s
- segundos
S/s
– sample per second (amostra por segundo)
ton
– tonelada
Vl
– volume
V
– Volts (unidade de tensão elétrica)
VDC
– Volts Direct Current (Volts em corrente contínua)
W
– Watts
xviii
SUMÁRIO
RESUMO....................................................................................................
i
ABSTRACT.................................................................................................
ii
LISTA DE ILUSTRAÇÕES.........................................................................
iii
LISTA DE TABELAS.................................................................................. xii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS..................................................... xiv
LISTA DE SÍMBOLOS................................................................................ xvi
SUMÁRIO................................................................................................... xviii
Capítulo 1 – INTRODUÇÃO GERAL......................................................... 001
1 INTRODUÇÃO GERAL........................................................................... 002
1.1 JUSTIFICATIVA DA PESQUISA........................................................... 004
1.2 MOTIVAÇÃO......................................................................................... 008
1.3 OBJETIVOS DA PESQUISA................................................................. 009
1.4 CONTRIBUIÇÕES DA PESQUISA....................................................... 010
1.5 METODOLOGIA DA PESQUISA ......................................................... 012
Capítulo 2 – CONTEXTUALIZAÇÃO SOBRE SENSORES
INTELIGENTES SEM FIOS................................................... 016
2 CONTEXTUALIZAÇÃO SOBRE SENSORES INTELIGENTES SEM
FIOS......................................................................................................... 017
2.1 TECNOLOGIAS PARA TRANSMISSÃO DE DADOS.......................... 017
2.2 ARQUITETURA.................................................................................... 018
2.3 TOPOLOGIA......................................................................................... 019
2.4 SEGURANÇA E PROTEÇÃO DOS DADOS........................................ 022
2.4.1 Interferências da rede de sensores sem fios e tolerância
a falhas.............................................................................................. 023
2.4.2 Interferências ambientais................................................................ 027
2.4.3 Invasões............................................................................................ 028
2.5 AUTONOMIA DE ENERGIA DE SISTEMAS EMBARCADOS............. 029
2.6 DIMENSÕES......................................................................................... 033
xix
Capítulo 3 – INTERFACES E PROTOCOLOS PARA REDES
DE SENSORES INTELIGENTES SEM FIOS........................ 035
3 INTERFACE E PROTOCOLOS PARA REDES DE SENSORES
SEM FIOS INTELIGENTES..................................................................... 036
3.1 REDES WWANs................................................................................... 037
3.2 REDES WLANs..................................................................................... 038
3.3 REDES WPANs.................................................................................... 039
3.4 INTERFACES E PROTOCOLOS PADRÕES....................................... 040
3.4.1 Protocolo padrão da família 802..................................................... 040
3.4.2 Protocolo padrão IEEE 1451........................................................... 041
Capítulo 4 – IMPLANTAÇÃO DA REDE DE SENSORES SEM FIOS NA
CENTRÍFUGA IPT................................................................. 043
4 IMPLANTAÇÃO DA REDE DE SENSORES SEM FIOS NA
CENTRÍFUGA IPT................................................................................... 044
4.1 IMPLANTAÇÃO DA RSSF E DE UM MÉTODO PARA PROTEÇÃO
DOS DADOS CONTRA FALHAS DE COMUNICAÇÃO....................... 046
Capítulo 5 - MÉTODO PARA PROTEÇÃO DOS DADOS CONTRA
FALHAS DE COMUNICAÇÃO EM RSSFs............................ 054
5 MÉTODO PARA PROTEÇÃO DOS DADOS CONTRA FALHAS
DE COMUNICAÇÃO EM RSSFs.............................................................055
5.1 SOFTWARE EMBARCADO.................................................................. 058
5.2 SOFTWARE LABVIEW PARA GERENCIAMENTO DOS DADOS....... 059
5.3 DETALHAMENTO DO SOFTWARE EMBARCADO............................. 060
5.4 MÉTODO DESENVOLVIDO NO SOFTWARE EMBARCADO............. 068
Capítulo 6 – TESTES, MATERIAIS, MÉTODOS E ENSAIOS
REALIZADOS........................................................................ 080
6 TESTES, MATERIAIS, MÉTODOS E ENSAIOS
REALIZADOS.......................................................................................... 081
6.1 TESTES DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA ADOTADO................081
xx
6.2 TESTES DE FUNCIONAMENTO DO MÉTODO DESENVOLVIDO..... 085
6.3 CIRCUITO DESENVOLVIDO............................................................... 087
6.3.1 Testes após substituição do cristal oscilador.............................. 088
6.4 TESTES COMPARATIVOS.................................................................. 093
6.5 ENSAIOS COM MODELOS DE ÂNCORAS ‘TARTARUGA’................ 095
6.5.1 Características do modelo físico das âncoras ‘tartaruga’........... 096
6.5.2 Instrumentação convencional utilizada......................................... 098
6.5.2.1 Programa do sistema convencional................................................ 103
6.5.3 Instrumentação sem fios utilizada................................................. 104
6.5.3.1 Programas do sistema sem fios...................................................... 104
6.5.4 Procedimentos................................................................................. 105
6.5.4.1 Montagem dos ensaios................................................................... 105
6.5.4.2 Descrição das etapas adotadas...................................................... 108
6.5.5 Resultados dos ensaios com as âncoras modelo........................ 109
Capítulo 7 – INTERPRETAÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS...................... 111
7 INTERPRETAÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS....................................... 112
7.1 EFICIÊNCIA DO MÉTODO DESENVOLVIDO..................................... 112
7.2 TESTES COMPARATIVOS ENTRE OS DOIS SISTEMAS.................. 113
7.3 ENSAIOS EM MODELOS DE ÂNCORAS ‘TARTARUGA’.................. 118
7.4 PARÂMETROS ESTATÍSTICOS EMPREGADOS............................... 124
Capítulo 8 – CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES................................ 127
8 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES.................................................. 128
8.1 CONCLUSÕES..................................................................................... 128
8.2 RECOMENDAÇÕES PARA PESQUISAS FUTURAS.......................... 130
REFERÊNCIAS.......................................................................................... 132
APÊNDICES
APÊNDICE A – Equipamento de centrífuga IPT......................................... 149
xxi
APÊNDICE B – Sistema sem fios adotado................................................. 170
APÊNDICE C - Software com implementação do método para proteção
dos dados contra falhas de comunicação..........................180
APÊNDICE D - Curvas de calibração (instrumentação sem fios e
convencional)..................................................................... 194
APÊNDICE E – Programa na plataforma LabVIEW................................... 201
APÊNDICE F – Calibração da centrífuga, testes e ensaios....................... 203
APÊNDICE G – Cálculo da freqüência natural do cantilever...................... 234
APÊNDICE H – Matriz de dados dos ensaios em modelos de
âncoras ‘tartaruga’........................................................... 237
ANEXOS
ANEXO A – Trabalhos e discussões sobre os protocolos para redes
de sensores inteligentes sem fios.......................................... 289
ANEXO B – Interfaces e protocolos para redes sem fios........................... 304
Capítulo 1 – Introdução Geral
2
1 INTRODUÇÃO GERAL
Historicamente, a instrumentação tem sido uma forte aliada nas
atividades humanas. No início da era industrial o homem vinha utilizando
dispositivos que de alguma maneira informava-o sobre a intensidade e a
duração dos eventos físicos permitindo o conhecimento dos processos. Em
posse destes conhecimentos atuava no processo e controlava-o para sua
otimização, obtendo assim, diversos benefícios.
Um dos sistemas mais conhecidos e aplicados até hoje em Sistema
Digital de Controle Distribuído (SDCD), nos processos industriais, é o
Sistema de Aquisição de Dados e Controle (SADC), via Personal Computer
(PC) (WARRIOR, 2001; WAYNE, 2002). Outro sistema muito utilizado nas
indústrias é o Controlador Lógico Programável (CLP). Nos últimos tempos
surgiram o FieldPoint e o FieldBus, cuja concepção funcional e arquitetura
se assemelham aos CLPs (BORGES, 2002; CRUZ, 2000; LOUREIRO et al.,
2003; ROSSI, 2003; SOUZA, 2004).
Os sistemas de automação e controle cada vez mais têm se apoiado
em redes de comunicação industriais, seja pela crescente complexidade dos
processos industriais, seja pela distribuição geográfica que se tem
acentuado nas novas instalações. Assim, praticamente não têm sido
implementados sistemas que não incluam alguma forma de comunicação de
dados, seja local, por meio de redes industriais, seja remota, implementadas
em sistemas Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) (CHEN;
LEE, 1998, LEE; SCHNEEMAN, 1999; LIM, 2001; WOODS; LEE, 1996;
WUNNAYA; HOO, 1999).
Hoje, os modelos mais empregados nas redes são o Foundation
Fieldbus, WorldFIP, ControlNet e DeviceNet, que apresentam uma rede
eficiente quanto à maximização de troca de dados, além de um aumento de
flexibilidade. Ainda, dentro do perfil de aplicativos de supervisão, encontramse vários fabricantes como: WIZCON e WIZFACTORY - PC Soft
International Inc., RSI - Rockwell Automation, LabVIEW - National
3
Instruments e ELIPSE WINDOWS - Elipse Software Ltd (ALAN, 2001;
AMIRI, 2001; ANDREW, 2001; DAVID; STEVEN, 2001; NATIONAL
INSTRUMENTS, 2005).
Com os avanços da computação, o conhecimento atual em
microprocessadores e microcontroladores permitiram que a instrumentação
também
se
tornasse
inteligente.
Internamente
nesses
transdutores
constituem os condicionadores de sinais, os conversores A/D e as tabelas
de dados eletrônicos. Destaca-se que estes sistemas ainda utilizam cabos
de conexão, exigindo muitas vezes a utilização de grande comprimento de
cabos na planta da indústria, encarecendo muitas vezes o projeto de
instalação. A comunicação da instrumentação esteve muito tempo limitada
em termos de conexões com fios entre o elemento sensor, o sistema de
aquisição de dados (SAD) e o controle, seja em relação aos protocolos de
comunicações proprietários, e principalmente, pelo conjunto destes ser muito
caro (KEVAN, 2002; LE; 2005; LOUREIRO et al., 2003; MARK; LYN, 2002;
STEVE, 2001; YARVIS, 2002).
Atualmente vêm surgindo sistemas bastante interessantes que
diminuem ou até dispensam a utilização de cabos, minimizando os efeitos da
sua inconveniência (AXISA; DITTMAR; DELHOMME, 2003; CHEN; LEE
1998; FLORENCE, 2001; FLORENZANO, 2001; GLENN; STEPHEN, 2002;
LICHT; BRUEL; KJAER, 2000; LICHT, 2003). O progresso foi mais
significativo quando o acesso às redes de medição passou a ser feito com
tecnologia sem fios, permitindo uma leitura mais rápida às variáveis dos
processos ou o monitoramento das condições dos ensaios.
A atual evolução permite criar redes de sensores inteligentes sem fios
para serem empregados em diversas aplicações, dentre as quais podem ser
citadas as atividades em ensaios de modelos físicos reduzidos e,
principalmente, em centrífugas. Dois trabalhos utilizaram a tecnologia de
redes de sensores inteligentes sem fios (RSSFs) em centrífugas,
(CHEEKIRALLA, 2004; WILSON et al. , 2004), embora a conclusão do
trabalho de (CHEEKIRALLA, 2004) informar insucessos com o emprego.
4
Os ensaios de modelos físicos reduzidos desenvolvidos com a
centrífuga IPT empregam a tecnologia de instrumentação convencional que
consiste de um sistema de aquisição de dados e controle (SADC) que utiliza
cabos para a transferência dos dados (ver os detalhes do equipamento e
seus subsistemas no Apêndice A). Os resultados obtidos são, às vezes, de
difícil interpretação, havendo a necessidade de repetir o que é de difícil
compreensão, de forma que sejam comparáveis com as estimativas prévias
realizadas com a modelagem numérica.
Em muitos casos é necessário desenvolver dispositivos auxiliares
para diminuir os efeitos da instrumentação no meio em estudo.
1.1 JUSTIFICATIVA DA PESQUISA
O emprego da tecnologia de redes de sensores sem fios se dá pela
busca de métodos e procedimentos que permitam a simplificação das
operações na instalação dos instrumentos nos ensaios de modelos físicos
reduzidos. Com isto, a aquisição dos dados torna-se mais fácil, atendendo
com agilidade e qualidade à demanda extensa de programas de pesquisa na
área de exploração em campos petrolíferos e de gás natural, que requer
também
o
emprego
de
tecnologias
e
procedimentos
operacionais
específicos em campo. Os programas de pesquisas são conduzidos por
empresas do setor, universidades e instituições de pesquisa, para viabilizar
os trabalhos de campo, garantindo a segurança dos processos e
minimizando os eventuais impactos ambientais e econômicos decorrentes
das instalações de sistemas para produção de óleo e gás.
Vários projetos são desenvolvidos no IPT desde 1999 como:
- Análise da interação riser-solo, simulando os esforços aos quais os risers
são submetidos em virtude das movimentações do mar (ensaios realizados
em um tanque de provas, Figuras 1.1 e 1.2);
5
- Estudos do comportamento de pontos de fixação Vertical Load Anchors
(VLAs), simulando os esforços produzidos pelos sistemas flutuantes de
produção de óleo e gás na estrutura de ancoragem, após sua instalação no
solo, em águas profundas (ensaios realizados em um tanque de provas);
- Comportamento de estacas ‘torpedo’, simulando a sua cravação e
arrancamento para empregar como ancoragem de sistemas flutuantes de
produção de óleo e gás em águas profundas (ensaios realizados em um
tanque de provas, Figuras 1.3 e 1.4);
- Estudos de elementos de fixação (estacas de sucção), simulando a
cravação e arrancamento desta estrutura de ancoragem para empregar em
sistemas flutuantes de produção de óleo e gás em águas profundas (ensaios
realizados na centrífuga IPT, Figura 1.5); e
- Estudos da interação solo-duto com deslocamentos elevados, simulando
movimentos de dutos aquecidos no leito marinho, ensaios realizados em
tanque de provas.
O trabalho sobre estacas ‘torpedo’ contribuiu para a decisão do tipo
de ancoragem adotado na instalação da plataforma P-50, no campo de
Albacora, Bacia de Campos - RJ.
Figura 1.1 – Ensaios de Interação
Figura 1.2 – Tanque de ensaios do
riser-solo
riser-solo
6
Figura 1.4 – Ensaios em estacas
‘torpedo’
Figura 1.3 – Ensaios em elementos
de fixação
Figura 1.5 – Ensaios em estacas de sucção
Uma das alternativas de fixação, atualmente em estudo, é a chamada
âncora ‘tartaruga’, que se caracteriza por ser um elemento de fácil
penetração no solo e elevada capacidade de resistência a esforços verticais.
Esta âncora se assemelha muito com o comportamento das âncoras VLA’s,
diferenciando apenas na adição de lastros em sua estrutura e na alteração
das dimensões das abas laterais para ajudar na sua penetração no solo. O
comportamento destas âncoras vem sendo estudado por meio de modelos
numéricos e por ensaios em modelos físicos reduzidos convencionais,
conforme Figuras 1.6 e 1.7.
7
Figura 1.6 – Ensaios em âncoras
Figura 1.7 – Tanque de ensaios
‘tartaruga’
para âncoras ‘tartaruga’
Os resultados mostraram a necessidade de reproduzir os níveis de
tensão atingidos no campo, fator este de extrema relevância para a
avaliação do comportamento das ancoragens.
Assim, tendo em vista o estado atual de conhecimento destes
elementos, com emprego da centrífuga, torna-se possível reproduzir os
efeitos das tensões atuantes no contato solo-âncora, bem como os efeitos
resultantes da ação de espessas lâminas d’água sobre os elementos. Para
esclarecimento, no Apêndice A são abordados conceitos de modelagem
física, nele é possível entender as vantagens de utilizar centrífugas em
ensaios de modelos físicos.
Um dos objetivos a ser alcançado no escopo de um projeto mais
amplo, envolvendo áreas multidisciplinares e diversas instituições, é
identificar, por meio de ensaios em diferentes elementos, as geometrias das
âncoras que conduzem à maior penetração e mais elevada capacidade de
suporte, a fim de orientar a produção deste sistema de ancoragem em
escala real.
8
Neste sentido, um programa de pesquisa vem sendo realizado com o
IPT, CENPES/Petrobrás e FINEP, desde agosto de 2006 (FINEP, 2005),
com previsão de conclusão em julho de 2008, para desenvolver ensaios em
centrífuga com modelos destas âncoras e fornecer resultados de forma
satisfatória.
Das necessidades apontadas, surge então a motivação deste
trabalho.
1.2 MOTIVAÇÃO
Quando se trata de modelagem física em centrífuga é necessário
tomar vários cuidados para representar os fenômenos físicos envolvidos na
escala do protótipo. Tanto que vários autores discutem questões referentes
às leis de semelhança para que as incertezas fiquem somente no âmbito da
medida que, por sua vez, é muito mais fácil de resolver. Na modelagem
física em centrífugas a instrumentação é uma parte muito importante, pois é
quem fornece os valores dos fenômenos físicos envolvidos. Se existirem
interferências durante as simulações nos ensaios, a instrumentação passa a
não ser uma solução de monitoramento, e sim, mais um problema não
previsto durante a concepção dos experimentos.
Por se tratarem de modelos físicos reduzidos, os valores observados
nos ensaios são calculados para a escala do protótipo. Os resultados podem
ser
falseados
quando
erros
forem
associados
à
interferência
da
instrumentação, comprometendo o entendimento sobre os fenômenos físicos
medidos, o que significaria dúvidas na interpretação ou sua aceitação de
forma equivocada.
Neste sentido, entende-se que com a introdução da instrumentação
sem fios poderá evitar ou diminuir estes efeitos. Contudo, alguns
questionamentos são imperativos quando se pensa em introduzir um novo
conceito de instrumentação e este trabalho pretende dirimi-los.
9
1. A instrumentação inteligente sem fios evita ou diminui a interferência nos
ensaios de modelos físicos em centrífuga?
2. Caso existam interferências é possível quantificar e compará-las com a
instrumentação convencional?
3. Quais as incertezas decorrentes da inserção desta nova tecnologia?
Além dos questionamentos anteriores, outras preocupações são
destaques nesta pesquisa, que de alguma maneira se sobrepõe às questões
mencionadas.
Por exemplo, quanto à proteção dos dados obtidos dos sensores
durante a sua captura e transferência, visto que a tecnologia de sensores
sem fios opera como rede aberta e está suscetível a interferências de
diversas ordens. Quanto à topologia, qual a mais adequada para aplicações
em ensaios em centrífuga?
Os protocolos empregados em redes de sensores sem fios garantem
os dados contra falhas de comunicação? Estes protocolos oferecem
desempenho satisfatório, segurança e interoperabilidade?
De acordo com o exposto, foram definidos os objetivos desta
pesquisa.
1.3 OBJETIVOS DA PESQUISA
O objetivo principal deste trabalho foi inserir a tecnologia de redes de
sensores sem fios nos ensaios de modelos físicos reduzidos em centrífuga.
Após a definição dos dispositivos a serem empregados nesta rede,
vários testes foram realizados, das quais observaram-se falhas de
comunicação entre os elementos da rede com perdas significativas de
dados.
As incertezas apontadas no item anterior estiveram muito presentes
durante a realização destes testes resultando em novos objetivos que
consistiram em:
10
1. Desenvolver um método para proteção dos dados contra falhas de
comunicação em redes de sensores inteligentes sem fios.
2. Introduzir o algoritmo nos elementos da rede, realizar testes com essa
rede e comparar os resultados com o sistema convencional já existente
na centrífuga IPT.
3. Realização de ensaios de modelos físicos reduzidos de âncoras
‘tartaruga’ com os sistemas sem fios e convencional e comparar a
qualidade dos sinais de ambas as instrumentações.
1.4 CONTRIBUIÇÃO DA PESQUISA
A inserção da tecnologia de redes de sensores sem fios nas
atividades de ensaios de modelos físicos reduzidos permitiu a capacitação
técnica, tornando possível, com a experiência adquirida, empregar esta
tecnologia em outras aplicações, adequando-as para cada propósito.
Pelo ineditismo, foram encontrados problemas relacionados às perdas
significativas de dados no processo de transmissão de um dispositivo para
outro, preocupações estas mencionadas no item 1.2. Ressalta-se que a
perda destes dados resulta na falta de informações em eventos de interesse.
Nos ensaios de modelos físicos, todos os instantes são importantes para
avaliação do comportamento dos elementos em estudo. Sem estas
informações não é possível ter idéia de como o mecanismo físico ocorre e,
com isto, não se obtém uma análise completa do problema.
Neste sentido, foi necessário desenvolver um método para proteção
dos dados contra falhas de comunicação. Apesar de existirem diversas
técnicas desenvolvidas por outros pesquisadores (BEUTEL et al., 2004;
BEUTEL, 2005; CHATZIGIANNAKIS et al., 2003; CHESSA; SANTI, 2001,
2002; DIAZ; PETIT; SERNA, 2003; MANJESHWAR; AGRAWALL , 2002;
11
PERKINS, 2001; RAO et al., 2003; SPIRAKIS, 2004; YEN; CHANG;
CHENG, 2005), que utilizam a inserção de elementos redundantes na rede,
algoritmos de auto-configuração para adaptação automática da rede,
algoritmos de busca por dispositivos defeituosos, entre outras, elas não
garantem uma eficiência de 100%, por isto, optou-se não utilizá-las.
Com a criação e a implantação do método para proteção dos dados
contra falhas de comunicação nas redes de sensores inteligentes sem fios,
diversas aplicações podem vir a ser beneficiadas, dispensando o uso de
sensores redundantes, fazendo com que sejam formadas topologias
‘otimizadas’ para a monitoração dos fenômenos físicos de interesse,
reduzindo os custos de instalação e de manutenção.
Além da formação de redes otimizadas, elas passam a ser confiáveis,
mesmo que um dos dispositivos falhe na comunicação, esses dados serão
recuperados em um instante futuro.
Para aplicações que dependam de respostas em tempo real, o
hardware utilizado nesta tese pode não atender satisfatoriamente. Em
aplicações que envolvam eventos com tempo de resposta superior a 10 ms,
o hardware atual, adotado neste trabalho, dá o suporte necessário.
Com o desenvolvimento de novos dispositivos, com maiores
velocidades de processamento, a magnitude de tempo pode ser reduzida,
permitindo que este método passe a atender o maior número de aplicações
possível.
12
1.5 METODOLOGIA DA PESQUISA
Para o desenvolvimento deste trabalho foram realizadas as etapas
conforme segue:
A. Pesquisa bibliográfica:
Foi desenvolvido um programa de pesquisa sobre instrumentação
para avaliação do comportamento de estacas de sucção para ancoragem de
sistemas flutuantes de produção de óleo e gás, utilizando-se o equipamento
de centrífuga, no âmbito da dissertação de mestrado deste mesmo autor
(RAMIRES, 2002), dando ênfase à instrumentação utilizada.
Assim,
dando
continuidade
ao
tema
de
instrumentação
e
complementando os estudos da pesquisa já desenvolvida, este trabalho
apresenta as pesquisas mais recentes sobre redes de sensores inteligentes
sem fios, sua utilização nos ensaios de modelos físicos em centrífuga,
introduzindo-os num estudo sobre outra estrutura especial para ancoragem
de sistemas para produção de óleo e gás em águas profundas.
B. Instrumentação inteligente sem fios:
Foi desenvolvida uma instrumentação inteligente sem fios contando
com um dispositivo já existente no mercado internacional.
Projetou-se um sistema mais otimizado, porém, sem a miniaturização
desejada que atendesse satisfatoriamente as necessidades destes ensaios.
Durante os estudos de uma nova concepção do dispositivo, buscouse desenvolver um método para garantir a integridade dos dados obtidos
dos sensores a serem instalados.
C. Ensaios em modelos físicos reduzidos:
Foram realizados testes preliminares antes dos ensaios de modelos
reduzidos das âncoras ‘tartaruga’ em centrífuga, utilizando a instrumentação
sem fios desenvolvida e a instrumentação convencional. Nesses testes e
ensaios procurou-se estabelecer de forma comparativa, a relação entre a
13
instrumentação sem fios e a instrumentação convencional, além da obtenção
das incertezas destas medidas.
O trabalho desenvolvido é apresentado em oito (08) capítulos, oito
(08) apêndices e dois (02) anexos.
Os oito Capítulos são distribuídos da seguinte forma:
O capítulo inicial apresenta o cenário atual sobre redes de sensores
inteligentes sem fios, destacando a importância da instrumentação
inteligente sem fios nas atividades produtivas e sua inserção nos ensaios de
modelos físicos reduzidos em centrífuga. Neste capítulo são discutidas as
justificativas da pesquisa, os objetivos, a motivação, a contribuição da
pesquisa, assim como a metodologia empregada.
Capítulo 2 – Contextualização sobre Sensores Inteligentes Sem Fios
Com o objetivo de desenvolver uma instrumentação inteligente sem
fios para os ensaios de modelos reduzidos em centrífuga e desenvolver um
método que garanta a integridade dos dados desses dispositivos, este
capítulo
apresenta
uma
revisão
bibliográfica
sobre
as
principais
características de redes de sensores sem fios, discutindo as tecnologias
para a transmissão de dados, arquitetura de redes de sensores, topologia,
segurança e proteção dos dados, interferência da rede de sensores e
tolerância às falhas, interferências ambientais, invasões, autonomia de
energia de sistemas embarcados e dimensões.
Capítulo 3 – Interfaces e Protocolos para Redes de Sensores Sem Fios
Em se tratando de redes de sensores inteligentes sem fios, é
necessário que haja uma tecnologia de comunicação entre esses
dispositivos,
como
ocorre
com
as
redes
utilizadas
em
sistemas
computacionais.
As redes de sensores inteligentes sem fios empregam técnicas
semelhantes aos sistemas computacionais. São empregados protocolos e
interfaces de comunicação para que as informações possam ser trocadas
14
mutuamente entre os dispositivos incorporados a essa rede. Neste sentido,
esse capítulo apresenta as interfaces, os protocolos e padrões existentes
para as redes de sensores inteligentes sem fios.
Capítulo 4 – Implantação de uma Rede de Sensores Sem Fios na Centrífuga
IPT
São apresentadas, as configurações das centrífugas existentes no
mundo, cada qual com suas particularidades. São discutidos dois trabalhos
que empregaram redes de sensores sem fios nos ensaios em centrífuga. É
feita uma abordagem sobre a topologia adotada e o sistema implantado na
centrífuga IPT para realização de ensaios de modelos físicos.
Capítulo 5 – Método
para
Proteção
dos
Dados
Contra
Falhas
de
Comunicação em RSSFs
Neste Capítulo são apresentados os problemas enfrentados com
perdas de dados durante os testes com o sistema adotado para a formação
de redes de sensores sem fios. É apresentado também o método
desenvolvido para proteção dos dados contra falhas de comunicação.
Capítulo 6 – Testes, Materiais, Métodos e Ensaios Realizados
São descritos os testes realizados com o sistema adquirido para
entender seu princípio de funcionamento. Estudando este sistema deparouse com problemas de perdas de dados. Um projeto de otimização e
miniaturização do mesmo foi desenvolvido e é apresentado neste Capítulo.
São relatados também a calibração da centrífuga e os ensaios de modelos
físicos reduzidos de âncoras ‘tartaruga’.
Capítulo 7 – Interpretação e Análise dos Dados
Com base nos resultados experimentais foi possível comparar as
duas instrumentações, fazendo análise dos dados bem como a interpretação
para os sistemas sem fios e convencional.
15
Capítulo 8 – Conclusões e Recomendações
Finalizando a pesquisa apresentam-se as conclusões obtidas e
objetivos alcançados. Também são apresentadas recomendações de
utilização da tecnologia de redes de sensores sem fios em várias aplicações,
formação de redes ‘otimizadas’ e confiáveis em futuros trabalhos.
16
CONTEXTUALIZAÇÃO SOBRE SENSORES INTELIGENTES
SEM FIOS
“O entusiasmo é o pão diário da juventude. O
ceticismo é o vinho cotidiano da velhice”
(Pearl Buck)
Capítulo 2 – Contextualização sobre Sensores Inteligentes sem Fios
17
2 CONTEXTUALIZAÇÃO SOBRE SENSORES INTELIGENTES
SEM FIOS
A tecnologia de redes de sensores sem fios vem tornando-se uma
ferramenta muito promissora para as mais diversas atividades humanas,
tanto que, segundo (VIEIRA et al., 2004), vários fabricantes de sensores
estão passando a utilizar essa tecnologia em suas linhas de produtos,
aproveitando a infra-estrutura de redes já disponível e o protocolo para
monitoramento, muito disseminado, chamado Single Object Access Protocol
(SOAP).
Mas em se tratando de redes de sensores sem fios (RSSFs), os
desenvolvedores (fabricantes de sensores, universidades, empresas do
setor e pesquisadores) se deparam com as diversas particularidades e
características desta tecnologia que serão abordadas daqui para frente.
As peculiaridades mais importantes para uma rede de sensores sem
fios vão desde a tecnologia de transmissão dos dados, arquitetura,
topologia, segurança e proteção dos dados, autonomia de energia de
sistemas embarcados, até suas dimensões.
2.1 TECNOLOGIAS PARA TRANSMISSÃO DE DADOS
As tecnologias para transmissão de dados sem fios hoje em dia estão
bastante difundidas, podendo citar a comunicação via estrutura celular que
deixou de ser apenas um serviço telefônico (voz) e passou a ofertar aos
seus usuários e clientes condições para o tráfego de dados.
Assim, desde a primeira geração até a terceira geração da rede
celular, muitos investimentos contribuíram para a evolução desta tecnologia.
18
As tecnologias de redes WWANs permitem uma comunicação sem
fios à longa distância, centenas de quilômetros. A infra-estrutura instalada já
é bastante satisfatória, apenas em áreas mais inóspitas é que não se dispõe
destes recursos, porém, em poucos anos, estes locais também poderão
estar sendo atendidos (OLIVEIRA, 2006; SANTOS, 2006; SCHLEEF; HESS,
2005; SOUZA, 2004).
As tecnologias para redes WLANs também já estão disponíveis,
podendo alcançar áreas de algumas centenas de metros.
Hoje, a infra-estrutura instalada permite facilmente a aplicação de
comunicação de dados de instrumentação, não havendo a necessidade de
grandes investimentos para infra-estrutura, pode-se citar a tecnologia IEEE802.11 e suas famílias como sendo a principal atuação nesta área.
Já para redes WPANs, cujo alcance permite atingir até 100 metros,
são citadas as tecnologias Bluetooth (IEEE 802.15.1) e o ZigBee (IEEE
802.15.4) (ERIC, 2001; GRIFFA, 2005; LINS, 2001; SOKOLOV, 2006).
2.2 ARQUITETURA
As RSSFs podem possuir um grande número de elementos
distribuídos ou apenas alguns elementos que se comunicam. Numa rede de
sensores sem fios destacam-se os nós sensores, nós gateways e as
interfaces de comunicação sem fios (OLIVEIRA, 2006; VIEIRA et al, 2004).
Os elementos de uma rede podem ser móveis ou não, podem se
comunicar entre si ou diretamente com o controle central. As redes que se
comunicam entre si são chamadas de ad hoc ou simplesmente MANETs1
(LOUREIRO; MATEUS, 1998; NAKAMURA, 2003).
As MANETs têm a função de fornecer suporte à comunicação entre
os elementos, podendo ou não executar tarefas distintas. As redes de
1
MANETs (Mobile Ad hoc Networks)
19
sensores podem ser homogêneas ou heterogêneas (NAKAMURA, 2003;
SOHRABI et. al, 2000).
No caso das redes de sensores homogêneas, os nós sensores são
idênticos entre si em termos de autonomia de energia, hardware,
funcionalidades, sendo um deles ou mais adotados como nó gateway.
Já as redes de sensores heterogêneas possuem características
diferentes entre si, ou seja, sendo dois ou mais tipos de nós com diferentes
autonomias de energia e funcionalidades (OLIVEIRA, 2006).
As redes de sensores são classificadas quanto ao modo de
roteamento (single-hop (simples-salto) ou multi-hop (multi-salto)). No caso
das redes em single-hop a comunicação é feita direta com o líder do grupo
(nó gateway), enquanto que para redes que operam em multi-hop a
comunicação se dá entre os nós sensores de um grupo (cluster) até chegar
ao líder de grupo (nó gateway) (BERNI, 2004; CROWLEY et al., 2005;
JIANG; MANIYANNAN, 2005; OLIVEIRA, 2006).
2.3 TOPOLOGIA
Topologia é o estudo da distribuição geográfica de uma rede de
sensores e atuadores ou de computadores, dispositivos de informática e
telefonia celular. Esta topologia depende do projeto das operações, da
confiabilidade e do custo operacional (ROMBALDI, 1994; SOUZA, 1994;
TAVARES, 2002).
A topologia de sensores sem fios é a mesma que das redes de
computadores e telefonia celular e ela pode ter as características de ligação
ponto a ponto e multiponto.
Combinando-se os dois tipos básicos formam-se redes mais
complexas, as chamadas estruturas mistas do tipo estrela, barra,
hierárquica, anel e distribuída.
20
A topologia deve ser flexível a ponto de prever a possibilidade de
adição de novos nós sensores após a sua disposição inicial, seja para
reposição de nós sensores com problemas, seja por destruição ou por falta
de energia. A adição desses novos nós tende a fazer a topologia da rede
modificar-se dinamicamente (TAVARES, 2002).
Os estudos atuais sobre topologias de redes de sensores sem fios
mostram que pouco foi feito para avaliar a sua eficiência pelas estruturas
apresentadas.
Em alguns trabalhos são destacadas somente as idiossincrasias
(maneira própria sensorial ou atuação de um elemento) de redes multi-hop e
ad hoc quando implementados em dispositivos reais (BEUTEL, 2004, 2005;
CERPA; ESTRIN, 2001; SIMON et al., 2004; SZEWCZYK; MAINWARING;
CULLER, 2004; ZHANG et a., 2004).
Outros dão ênfase na formação de topologias do tipo Bluetooth
Scatternet, tendo diferentes algoritmos criados para as estruturas do tipo
barra utilizando o padrão Bluetooth (BASAGNI et al., 2004), como a estrela
(PETRIOLI; BASAGNI; CHLAMTAC, 2003), ou topologias distribuídas
(ZÁRUBA; BASAGNI; CHLAMTAC, 2001).
Outro trabalho realizado recentemente (LAW; MEHTA; SIU, 2003)
descreve um algoritmo proposto para estrutura distribuída com uma maior
complexidade, e que foi validado por simulações e por estudo comparativo
(BASAGNI et al., 2004).
Num estudo recente (BEUTEL, 2004) foi empregada uma plataforma
de prototipagem denominada ‘BTnode’, utilizada experimentalmente a fim de
desvendar e aferir a eficiência das redes multi-hop, cuja topologia adotada
foi a distribuída, muito robusta, do tipo Bluetooth Scatternet2, com
propriedades de auto-configuração e algoritmo apropriado.
Nas Figuras 2.1 e 2.2 são mostrados os cenários de uma população
de RSSFs estudados por este autor.
2
Scatternet é uma configuração de várias piconets que podem operar numa mesma área de cobertura
21
Figura 2.1 - Visão de um exemplo de população de RSSFs com nós
altamente crescidos em clusters, áreas escassamente povoadas, obstruídas
e separadas por regiões, (BEUTEL, 2004)
Figura 2.2 - Topologia onde existem problemas de comunicação devido a
obstáculos, transmissão assíncrona, (BEUTEL, 2004)
Ainda, segundo (BEUTEL, 2004), para que todos os nós possam se
comunicar, eles precisam formar topologias multi-hop em uma ou outra
malha, de tal forma que as estruturas formem os tipos estrela ou distribuída
conforme a Figura 2.3.
22
Figura 2.3 - Uma visão esquemática de operação de um algoritmo: (a)
inicialmente desconectado; (b) primeira formação de um piconet3; (c)
interconexão entre eles pelo primeiro scatternets; (d) formação maior por
scatternet na qual a estrutura distribuída fica visível; e (e) uma estrutura
única formada, (BEUTEL, 2004).
Por meio deste trabalho será possível criar topologias automáticas
distribuídas ou tipo estrela com auto-configuração e com o uso do Bluetooth
Scatternet, com programação muito simples.
Segundo (NIU; VARSHNEY; CHENG , 2005), os modelos e métodos
atuais para o projeto de sistemas de RSSFs não fornecem garantias para
operações com incertezas, como por exemplo, falhas em links, intervalos
inconsistentes ou operações não realizadas.
2.4 SEGURANÇA E PROTEÇÃO DOS DADOS
Em se tratando de RSSFs que são redes abertas, os dados dos
sensores podem sofrer diversas ameaças que vão desde as invasões
propositais ou não propositais e perdas acidentais de dados, interferências
da própria rede e interferência ambiental.
Segurança é um termo de ordem geral em sistemas de redes de
computadores, e proteção quer dizer mecanismos específicos para designar
a salvaguarda dos dados dos sistemas (TANENBAUM, 1996). Este conceito
se estende às RSSFs. Do ponto de vista da segurança em sistemas
computacionais, deve haver confiabilidade nos dados (mantendo-os secretos
3
Piconet é um tipo de comunicação que permite qualquer dispositivo operar como mestre ou escravo
23
de alguma maneira), integridade dos mesmos (apenas dispositivos ou
pessoas autorizadas podem ter acesso aos dados) e disponibilidade do
sistema (o qual não pode sofrer perturbações internas e/ou externas que
possam deixar os dados inutilizáveis) (NIU; VARSHNEY; CHENG, 2005).
Em se tratando de invasores, algumas vezes chamados de
adversários em algumas literaturas, os mesmos podem agir de duas
maneiras diferentes. Os invasores passivos: querem apenas ter acesso aos
dados sem ter a autorização para tal e os invasores ativos: são aqueles mais
nocivos porque querem, além de ter acesso, alterar os dados disponíveis
(TANENBAUM, 1996).
No que diz respeito à interferência da própria rede de sensores sem
fios e interferência ambiental, as abordagens nas literaturas são mais
incisivas, necessitando de subitens adicionais para dar ênfase aos quais os
temas exigem.
2.4.1 Interferência da rede de sensores sem fios e tolerância a falhas
Numa rede de sensores sem fios, os sensores podem sofrer inúmeras
interferências da rede ou do próprio sensor, destacando-se falta de energia,
falta de visada direta com o outro nó sensor ou nó gateway da rede, ou até
mesmo por algum dano físico. Como eles são dispostos em grandes
quantidades no campo a ser monitorado, a falha pode ou não atrapalhar o
funcionamento dos demais elementos (AKYILDIZ et al.; 2002; HEIDEMANN;
ESTRIN, 2002; HEINZELMAN; CHANDRAKASAN; BALAKRISHNAN, 2000;
INTANAGONWIWAT et al., 2003; SOHRABI et al., 2002; SSU; CHOU;
CHIU, 2005).
Segundo os autores supracitados, foram desenvolvidos diferentes
níveis de tolerância à falha para algoritmos de controle da rede, cada um
mais adequado para uma determinada aplicação.
O número de nós de uma rede de sensores sem fios pode variar das
centenas aos milhares, dependendo do nível de redundância que se deseja
24
ter para evitar perdas de dados em uma determinada região ou pela
relevância do fenômeno físico envolvido. As arquiteturas e topologias devem
ser capazes não somente de lidar com este número de nós, mas também de
utilizá-los em todo o seu potencial. Isto também tem a ver com a densidade
com que os sensores estão espalhados na região a ser monitorada (ASADA
et al, 1997, 1998; BULT et al., 1996; CHANG; TASSIULAS, 2000; DONG;
YUNG; KAISER, 1997; KAISER; BULT; BURSTEIN, 1996; LIN et al.,
2000;TAVARES, 2002).
Quanto à perda de sinal de um nó para outro, esta pode ser tão alta
quanto à distância entre eles. Mesmo assim, a comunicação em Rádio
Freqüência (RF) é preferida na maioria dos estudos em redes de sensores
sem fios devido à pequena quantidade de dados a serem passados, isto
graças às pequenas distâncias de comunicação. Essas características
tornam possível a utilização de circuitos RF de baixo consumo já utilizados,
por exemplo, o Bluetooth. O principal problema é que tais transmissores
ainda gastam muita energia no início de uma transmissão/recepção, algo
que numa rede de sensores é muito importante (SSU; CHOU; CHIU, 2005;
TAVARES, 2002; YEN; CHANG; CHENG, 2005).
Os trabalhos de (INTANAGONWIWAT et al., 2000; KARP, 2000)
abordam os problemas de interferências próprias das redes de sensores
sem fios, dando ênfase às falhas por falta de energia do nó sensor ou por
falhas de colisão nos tráfegos de dados e comandos.
Uma das poucas atenções que vem sendo dada, por exemplo, é
relativa a falhas por inconsistência dos dados que ocorrem num pacote de
dados durante o processo de transmissão. Num evento desse tipo, um nó
defeituoso pode produzir dados incorretos e transmiti-los para outros
sensores. Conseqüentemente, os resultados errados são propagados ao
longo da rede e poderá levar à decisões impróprias como resultado. Alguns
estudos (PERKINS, 2001; RAO et al., 2003; SPIRAKIS, 2004) têm proposto
mecanismos que permitem tolerar e localizar falhas de inconsistência de
dados em redes de sensores sem fios por meio de algumas técnicas de
algoritmos de comunicação para redes. Os resultados de avaliação desses
25
trabalhos demonstram a habilidade desses mecanismos para identificar
eficazmente os nós defeituosos com despesas de tempo e dinheiro
limitados.
Segundo estes mesmos autores, alguns dos algoritmos apresentam
eficiência de 99,99% para pacotes de dados incompatíveis que foram
descobertos com sucesso.
Vários
protocolos
também
foram
propostos
para
permitirem
tolerâncias a falhas de energia e falha de ‘colisão’ de rota. Esses protocolos
descobrem as falhas dos nós e identificam uma rota alternativa pela qual a
transmissão dos dados pode ser feita com sucesso (CHATZIGIANNAKIS et
al., 2002, 2003, 2004, 2005; YEN; CHANG; CHENG , 2005).
Um estudo recente (SSU; CHOU; CHIU, 2005) apresenta um
mecanismo de rota que não só tolera erros de inconsistência de dados, mas
também identifica os nós defeituosos.
O mecanismo desenvolvido emprega uma estratégia de caminhos
redundantes dos nós “desunidos” para transmitir seus dados. Uma falha é
descoberta se os dados reproduzidos e recebidos pelo sistema não são
idênticos.
Um trabalho (CHESSA; SANTI, 2001) apresenta o desenvolvimento
de um mecanismo de detecção de falhas de colisão. Os mesmos autores
também apresentam um modelo de diagnóstico que por sua vez é baseado
em paradigmas de comunicação de um-para-muitos.
Em redes de sensores ad hoc, técnicas de rota multipontos são
geralmente usadas para melhorar a confiabilidade da transmissão (ISHIDA;
KAKUDA, 1992).
Em (IVENGAR; JAYASIMBA; NADIG, 1994; IVENGAR; SHARNA;
NADIG, 1992) são encontrados estudos relacionados à investigação e a
implementação de rotas confiáveis usando topologias de redes arbitrárias,
(PRASAD et al, 1991) estudaram a caracterização de modalidades de falha
do sensor, já a cobertura da grade de vigilância e alvos locais em redes de
sensores distribuídos foi abordada por (CHAKRABARTY et al., 2002).
26
Os trabalhos de (CLARE; POTTIE; AGRE, 1999; CORSON;
FREEBERSYSER; SASTRY, 1999; LOUREIRO et al., 2003; POTTIE;
KAISER, 2000; SOHRABI et al., 2000) estudam as RSSFs que utilizam
algoritmos de cooperação entre os nós, e atuam de uma maneira autoconfigurável, para melhorar o desempenho dos serviços de sensoriamento e
aumentar o tempo de vida útil da rede.
O estudo de algoritmos para a coordenação e auto-configuração de
nós em RSSFs tem sido muito importante nos últimos anos. Isto pode ser
constatado observando o grande número de referências recolhidas no
levantamento bibliográfico desta pesquisa.
O trabalho de (ESTRIN et al., 1999) está relacionado com o estudo de
algoritmos que permitem de forma autônoma, fazer com que os nós se
adaptem de acordo com as dificuldades de interconexão entre os pares. Os
autores discutem a hipótese de que as aplicações de coordenação em
RSSFs precisam ser tratadas diferentemente das aplicações para as redes
tradicionais. Em particular, é defendida a tese de que algoritmos localizados
(sub-redes), nas quais os nós interagem somente entre si para atingir um
determinado objetivo, podem (e devem) ser utilizados nesse tipo de rede.
No trabalho de (CUNHA; LOUREIRO, 2006; INTANAGONWIWAT et
al., 2000, 2003), é feita uma descrição do mencionado tipo de algoritmo, e é
apresentada uma técnica chamada de difusão direcionada (directed
diffusion) para RSSFs.
O trabalho de (BULUSU; ESTRIN; GIROD, 2001) também trata do
problema de coordenação em RSSFs. Explorando três temas importantes
para o projeto de redes de sensores: controle de densidade dos nós visando
equilibrar a qualidade operacional com o tempo de vida da rede; utilização
de múltiplos sensores para obter medidas mais confiáveis; e exploração de
características ambientais fixas, que serão discutidas no próximo item. O
problema de localização dos nós, que requer coordenação entre os mesmos
é estudo por (OLARIU; XU, 2005).
Os trabalhos de (BLAZEVIC et al., 2000, 2001; BUTTYAN; HUBAUX,
2003; HUBAUX et al., 2001) tratam do problema da auto-configuração dos
27
nós em redes ad hoc genéricas. Os trabalhos de (BULUSU et al., 2003;
SUBRAMANIAN; KATZ, 2000) tratam do problema da auto-configuração
utilizados em redes tradicionais de sensores sem fios.
No trabalho de (CERPA; ESTRIN, 2001), é apresentado o algoritmo
ASCENT e os resultados dos testes experimentais realizados com o mesmo.
2.4.2 Interferências ambientais
As redes de sensores geralmente são projetadas para operarem em
locais inóspitos. Podem ser listados como principais exemplos: no interior de
grandes maquinarias, no fundo do oceano, dentro de furacões, tempestades,
na superfície do oceano, em um campo contaminado biológica ou
quimicamente, em uma casa ou edifício, em armazéns, junto a animais e a
veículos em movimento.
A partir das condições acima, pode-se projetar o que uma rede de
sensores tem por enfrentar. Operarando nos ambientes mais inóspitos,
sujeita a ruído, ao calor ou frio extremo. Pelos motivos expostos é importante
que a rede seja capaz de realizar uma auto-configuração, adaptando-se às
condições impostas, de forma que consiga continuar a prestar o serviço a
qual se destina, conforme afirmam (CHACZCO; AHMAD; MAHADEVAN,
2005; HEILZELMAN; KULIC; BALAKRISHNAN, 1999; PAPADOPOULI;
SCHULZRINNE, 1999; SCHULZRINNE, 1995).
No item 2.3 foram citados diversos trabalhos sobre algoritmos de
adaptação das topologias, devido aos diversos fatores intervenientes, que
contribuem para dificultar a formação das redes de sensores sem fios, sendo
uma delas a interferência ambiental.
De forma simplificada, o conceito de auto-configuração se refere a
sistemas que autonomamente se adaptam à dinâmica dos parâmetros
ambientais, sem a necessidade de pré-configuração ou re-configuração
manual, de forma a permitir uma distribuição ad hoc e proporcionando
28
robustez ao sistema (BASAGNI et al., 2004; BEUTEL et al., 2004; BULUSU
et al., 2003; LAW; MEHTA; SIU, 2003; LIM et al., 2001; MARTI et al., 2000).
2.4.3. Invasões
Uma das maiores preocupações na engenharia da computação e
informática é manter as informações que trafegam na sua rede com a
máxima segurança possível. Baseado nesse pensamento, dúvidas sobre a
segurança em redes sem fios levam muitos administradores a evitá-las em
determinadas áreas de atuação, apesar das vantagens que possam trazer.
Isso explica o fato de que em redes cabeadas é conhecido o caminho da
informação de forma mais precisa, sendo mais difícil alguém conseguir
intervir no meio físico para se apossar de uma informação que não lhe
pertença. Enquanto que em redes sem fios, o meio sendo o ar, torna muito
mais fácil o acesso a essas informações e muito mais difícil a percepção do
ataque.
As redes sem fios utilizam, na maioria dos casos, ondas de rádio para
transmitir informações, estas ondas podem viajar além das paredes do
escritório ou do prédio, fazendo com que atinjam áreas que podem ser
perigosas. Com redes sem fios, as bordas da rede crescem. Traçando um
paralelo com a rede cabeada, quando se instala uma rede sem fios, sem
medir o alcance do sinal, seria equivalente a colocar portas Ethernet em todo
lugar, incluindo locais públicos e estacionamentos (TAVARES, 2002).
Além do correto dimensionamento da rede, muitos investimentos
estão sendo feitos nessa área para tentar diminuir a insegurança no que diz
respeito a redes sem fios. Existem vários protocolos, chaves e regras para
tentar minimizar o problema, assim como as falhas já conhecidas, e
possíveis soluções a serem encontradas (CISCO, 2006).
Utilização de técnicas de criptografia, ID (Identity) dinâmica e
protocolos de comunicação com suas diversas especificidades, estão sendo
29
empregadas, porém, nenhuma delas garante segurança absoluta, segundo
(CUNHA; LOUREIRO, 2003).
2.5 AUTONOMIA DE ENERGIA DE SISTEMAS EMBARCADOS
O consumo de energia numa rede de sensores sem fios é um fator
fundamental em um projeto. Por serem escassas as fontes de energia e
muitas vezes não substituíveis, métodos de economia de energia estão
sendo utilizados. É justamente por isso que muitas pesquisas têm sido feitas
para
melhorar
os
algoritmos
responsáveis
pela
transmissão
e
encaminhamento dos dados na rede, além da criação de novos tipos de
transmissores mais eficazes quanto à utilização de energia (BRIAN, 2001;
TAVARES, 2002).
Segundo (AKYILDIZ; SU; SANKARASUBRAMANIAM, 2002) pode-se
dividir o consumo de energia em três domínios numa rede de sensores sem
fios: sensoriamento, comunicação e processamento de dados. No que tange
ao sensoriamento deve-se levar em consideração o ambiente de operação
da rede como discutido no item 2.4.2. Quanto à comunicação, alguns fatores
são levados em conta. Os nós sensores gastam a maior parte da energia na
transmissão e recepção de dados (BRIAN, 2001).
Para comunicações em pequenas distâncias a quantidade de energia
que se gasta para transmissão e recepção é quase a mesma do que para
longas distâncias (WAYNE; GENN, 2001). Todos os componentes do
circuito transceiver consomem energia valiosa do sistema. Numa rede de
sensores sem fios, mesmo o tamanho dos pacotes de dados sendo
pequeno, esse consumo passa a dominar a energia total gasta do sistema
de transmissão.
Já no processamento de dados, mesmo diante do contínuo
surgimento de novos processadores, cada vez mais poderosos, tem-se o
fator de consumo de energia como sendo fundamental. Alguns autores
30
argumentam que deveriam ser criadas estratégias de organização dos
processadores nos quais a principal preocupação seria a energia gasta.
Métodos de economia de energia estão sendo empregados sempre que
possível nos processadores dos nós sensores (TAVARES, 2002; WAYNE;
GENN, 2001).
Diversos trabalhos apresentam técnicas que permitem a otimização
no consumo de energia, não apenas na qualidade da bateria que compõe o
sensor, mas também formas de capturar energia para ser reaproveitada no
sistema do sensor sem fios.
Os trabalhos de (BELLIS et al., 2005; MAXWELL; WILLIAMSOM,
2002; SCHILLER; LIERS; RITTER, 2005) apresentam algumas soluções de
como aumentar a vida da bateria, cujo escopo é consumo de energia.
Segundo os quais, para a maior parte dos dispositivos que dependem da
tecnologia das baterias, a vida é uma função de quanto eficiente o projeto
deve ser em relação ao consumo de energia dos componentes, devendo
estar na ordem de mW por hora.
De acordo com os autores citados, algumas das aproximações
disponíveis para um projetista gerenciar a vida da bateria incluem a coleta
de energia, a administração da energia, a inteligência embutida, entre outros
como: projetos cujos componentes sejam de baixo consumo, tecnologia da
bateria e a capacidade da bateria. Alguns destes interagem com os outros,
assim a aproximação destes sistemas é necessária para um projeto ser
viável.
Uma alternativa é apresentada no trabalho de (WAYNE; GENN,
2001), a célula solar (fotovoltaica), uma forma mais familiar de dispositivo
para coletar energia do ambiente. Outros projetos de coleta de energia: a de
vibração (utilização de um dispositivo piezo-elétrico), gradiente de
temperatura, campos eletromagnéticos (antenas inteligentes) e a presença
de substâncias químicas (polímeros reagentes).
O projeto para um navio da Marinha dos EUA incluiu um Application
Specific Integrated Circuit (ASIC) que aperfeiçoa o uso da energia dos
31
sensores sem fios baseados na fonte de energia e carga (CHRISTOPHER;
DAVE, 2001; PERRY, 2001).
O objetivo é a energia ser aproveitada de diversas fontes (vibração,
luz e etc.) e fornecer energia às cargas (sensores, atuadores, receptores e
transmissores). Projetar sensores sem fios para aumentar a vida da bateria é
talvez uma das alternativas mais viáveis atualmente. A idéia de que a
quantidade de dados transmitidos afeta diretamente a vida da bateria,
parece ser consenso na maioria da literatura. A tecnologia de inteligência
implementada, no entanto, pode escoar a bateria mais rápido que o
transmissor. Uma nova geração de chips de baixa energia chamada Digital
Signal Processing (DSP) oferece redução de energia necessária em um
sensor inteligente. As técnicas descritas não só melhoram a vida da bateria,
mas também podem reduzir a energia de transmissão necessária para uma
faixa especificada ao longo de um determinado caminho do sinal (BELLIS et
al. 2005; SCHILLER et al., 2005).
Segundo (WAYNE; GENN, 2001; CHRISTOPHER, 2001), as técnicas
acima citadas reduzem a probabilidade de interferência, outro atributo
importante para sistemas industriais sem fios. A tendência desses sistemas
é transmitir a informação com o mais baixo nível de energia possível. Outra
técnica apresentada pelos autores é utilizar uma rede de multi pontos (a
Internet). O problema é onde armazenar os dados. Se o nó que contém a
tabela de trajeto ficar inalcançável, a rede inteira poderá ser afetada.
Pesquisas em linhas de antenas inteligentes indicam que a vida da
bateria pode ser estendida muito mais. Sofisticados projetos de transmissão,
vem aumentando o ganho direcional. Podem ser usados sinais de controle
de energia ativos para reduzir a energia do transmissor remoto exceto a
energia da bateria, mas isto requer a comunicação de dois caminhos em
todos os nós (WAYNE; GENN, 2001).
O telefone celular e indústrias da Internet sem fios estão conduzindo
as atividades nessas áreas. O Grupo de Rádio Móvel e Portátil (Móbile
Portable Ratio Group- MPRG) na Virgínia Polytechnic Institute & State
32
University desenvolveu pesquisas extensas em antenas inteligentes para
projetos e suporte de algumas das maiores empresas no mercado mundial.
Um dos principais problemas enfrentados pelos pesquisadores é o
armazenamento de energia durante a manutenção dos sensores (por
exemplo, a substituição do sensor). O custo inicial de uma célula é
geralmente baixo, mas se o sensor deve ser retirado para conserto ou
substituir uma bateria descarregada, o custo de manutenção pode ser
inaceitável.
Pesquisas sobre materiais como o níquel cádmio, hidrído de metal de
níquel, íon de lítium, e outras químicas, prosseguem até hoje e devem
avançar por mais alguns anos. Baterias com novas técnicas de fabricação
permitem conformidades maiores nas quais, por exemplo, células podem ser
formadas por estruturas de filmes finos (muito semelhantes à fabricação de
circuitos integrados do tipo semicondutores) nas formas necessárias para
cada aplicação específica. Promessas estão sendo feitas para a fabricação
de sensores sem fios pequenos nos quais a bateria pode ser colocada em
um substrato, como se fosse o próprio CI.
Segundo (MAXWELL; WILLIAMSOM, 2002), a Integrated Power
Soluctions Inc. recebeu licença para comercializar uma nova tecnologia de
bateria desenvolvida pela Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Filmes
finos, de células de líthium recarregáveis oferecem dezenas de milhares de
ciclos sem degradação da capacidade. A companhia está muito interessada
no mercado de sensores sem fios para suas novas células.
Várias organizações estão desenvolvendo um modelo empresarial
que inclui sensores que são virtualmente livres. Dando aos sensores
informações via Web. O modelo empresarial Graviton incorpora algumas
dessas idéias. A chave para esta estratégia é adquirir a fabricação e o
desenvolvimento a custos baixos o quanto possível, assegurando dados
seguros ao cliente.
O trabalho dos (MAXWELL; WILLIAMSOM, 2002) comenta que a
Defense Advanced Research Projects Agency desenvolveu a Internet como
a primeira geração permitindo as pessoas se comunicarem mundialmente
33
digitando comandos complexos. A segunda geração da Internet estava
baseada no ‘browser de Web’.
A Próxima Geração da Internet (Next Generation Internet - NGI) será
informação sensorial. Essa geração fará com que os eletrodomésticos sejam
monitorados online. A idéia é fazer os sensores tornarem-se baratos e
poderem ser integrados em produtos com custo pequeno para o consumidor
(IBRAHIM; KRONSTEINER; KOTSIS, 2005).
2.6 DIMENSÕES
Em se tratando de sensores inteligentes sem fios, uma necessidade a
ser atendida é que as funções de sensoriamento, atuação, condicionamento
de sinais, amplificação, conversão A/D e D/A, microcontrolador, memória,
transmissão RF, energia, gerenciamento de energia e inteligência, estejam
embutidas num único encapsulamento para que este dispositivo satisfaça
todas as necessidades das mais diversas aplicações. Inclusive daquelas que
necessitam de portabilidade decorrente do pouco espaço disponível ou o
fenômeno físico ocorre num ponto infinitesimal da área a ser estudada. Até
onde foi possível, a microeletrônica possibilitou avanços significativos para
atingir a miniaturização de dispositivos ou o encapsulamento parcial destas
funções em um único dispositivo de estado sólido em uma escala
micrométrica (PATRICK; MEMSCAP, 2002).
As
necessidades
atuais
estão
exigindo
cada
vez
mais
a
miniaturização dos dispositivos, porém, para atender essa demanda,
mudanças de paradigmas, descobertas de novos materiais revolucionários e
concepções
simples
devem
fazer
parte
do
cotidiano,
podendo
posteriormente, apresentar soluções plausíveis que foram difíceis de
conseguir em tempos não muito distantes (PATRICK; MEMSCAP, 2002).
Com o advento da nanotecnologia, novos conceitos estão surgindo,
permitindo que novos dispositivos, materiais e concepções de projetos
34
substituam as tradicionais atividades de atuação e sensoriamento na
engenharia.
Apesar da miniaturização contribuir significativamente para algumas
aplicações, nem sempre é vista de forma positiva por alguns cientistas, visto
que a miniaturização pode chegar ao ponto de trabalhar com divisões
subatômicas, causando outros problemas a serem enfrentados.
Muitos trabalhos apresentam técnicas, concepções e emprego dos
dispositivos Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). Atualmente estão
surgindo trabalhos sobre os Nano Electro Mechanical Systems (NEMS),
tecnologias para contribuir com os esforços dos desenvolvedores na
miniaturização dos sensores e atuadores.
As tecnologias MEMS combinam a eletrônica com conceitos
mecânicos, ópticos, eletromagnéticos, termais e fluídicos, para produzirem
sistemas integrados na estrutura de um chip de computador, capaz de
desempenhar funções tanto de sensor quanto de atuador.
Os MEMS são atualmente utilizados em um grande número de
aplicações, da indústria automobilística (sensores de airbags, por exemplo),
indústria de periféricos de computador (cabeças de impressão a jato de
tinta), até a indústria de equipamentos médicos e aeroespaciais.
Quando as dimensões desses dispositivos ficam abaixo de um
mícron, eles são designados pelo termo NEMS. O problema é que, abaixo
de certo tamanho, é necessário empregar-se técnicas de produção
totalmente diferentes: de um lado, devido aos fortes efeitos superficiais do
material, que são difíceis de controlar; por outro, porque a física dos
fenômenos se altera no nível quântico.
35
INTERFACES E PROTOCOLOS PARA REDES DE SENSORES
INTELIGENTES SEM FIOS
“A
ciência
convida
à
dúvida.
Ela
pode
desenvolver-se ou progredir não só porque é
fragmentária, mas também porque nenhuma
proposição sua é em si mesma absolutamente
certa, e assim o processo de correção pode
operar quando encontramos provas mais
adequadas” (Cohen)
Capítulo 3 – Interfaces e Protocolos para Redes de Sensores Inteligentes sem Fios
36
3 INTEFACES E PROTOCOLOS PARA REDES DE SENSORES
INTELIGENTES SEM FIOS
A tecnologia sem fios vem sendo comumente utilizada no meio da
informática para designar as tecnologias que permitem comunicação sem
conexão física direta entre os equipamentos. A primeira idéia que se tem é a
utilização de rádio para comunicação, que é realmente o meio mais popular.
Entretanto, é importante salientar que transmissões sem fios englobam
outros meios de comunicação, como o uso de raios de luz infravermelha e
raio laser, menos populares devido às limitações como impossibilidade de
haver qualquer tipo de barreira física entre os pontos de comunicação.
Sendo assim, a utilização da RF tem sido o meio mais difundido na
transmissão de dados sem fios. Uma rede local ligada à outra rede local, ou
rede local com acesso à Internet provida de tecnologia sem fios é dita um
sistema flexível de comunicação de dados. Assim sendo, pode-se dizer que
utilizando a tecnologia de rádio freqüência, redes sem fios transmitem e
recebem dados através do ar, minimizando a necessidade de conexões
cabeadas (LUHARUKA et al., 2003; ZYWIETZ; JOSEPH; FISHER, 2000).
Os dispositivos clientes podem ser desde computadores desktop,
passando por palmtops e até celulares. No caso de celulares existem vários
protocolos concorrentes, como o Wireless Application Protocol (WAP)
(CHACZKO; AHMAD; MAHADEVAN, 2005; ENRILE, 2005; LEE, 2005;
WOODS et al., 1999).
As tecnologias sem fios podem ser diferenciadas por diversas
características, tais como aplicação e consumo. Dessas tecnologias, o fator
mais importante é o alcance. As redes são classificadas em termos de
alcance como Wide Area Network (WAN), Local Area Network (LAN) e
Personal Area Network (PAN). Para as redes sem fios são aplicados o
prefixo W (wireless): WWAN, WLAN e WPAN.
A WWAN tem alcance de vários quilômetros um exemplo nessa área
é o Code Division Multiple Access (CDMA) (muito presente no Brasil e EUA),
37
outros exemplos são General Packet Radio Service (GPRS) e Global
System Mobile (GSM) (mais presentes na Europa, Ásia e recentemente no
Brasil).
A WLAN, a distância é da ordem de centenas de metros, sendo o
protocolo IEEE 802.11 o mais empregado.
Já a WPAN tem alcance muito restrito, da ordem de metros, categoria
na qual os protocolos Bluetooth e o ZigBee se encontram.
3.1 REDES WWANs
As redes WWANs possuem duas tecnologias principais GPRS e
CDMA. A tecnologia GPRS é um serviço disponibilizado para os usuários da
tecnologia GSM, que disponibiliza uma capacidade de transmissão de dados
de até 40kbps.
A vantagem do uso dessas tecnologias é o baixo custo de tarifa por
Megabyte. A conexão pode ser feita com os mesmos protocolos usados na
Internet (User Datagram Protocol (UDP), Transmission Control Protocol
(TCP), Hypertext Transfer Protocol (HTTP), Simple Mail Transfer Protocol
(SMTP)).
As principais características das WWANs são: taxa de transporte de
dados de 26 a 40 kbps, podendo chegar, na teoria, a 171,2 kbps, conexão
de dados sem a necessidade de estabelecer um circuito telefônico, o que
permite a cobrança por utilização e não por tempo de conexão e faz com
que, teoricamente, o serviço esteja sempre disponível para o usuário.
A implantação implica em pequenas modificações na infra-estrutura
instalada, o que facilita a sua adoção pelos operadores de GSM; e
padronização para transporte de dados definidos pelos protocolos Internet
Protocol (IP) e X.25. O EDGE é uma evolução imediata do GSM (GPRS), no
qual a taxa de transmissão é três vezes maior que a da rede GPRS. A taxa
de transmissão de dados típica é de 100 a 130kbps.
38
As redes CDMA que possui o padrão Single-carrier Radio
Transmission Technology (1xRTT) também é uma tecnologia disponibilizada
para transmissão de dados. Em São Paulo esta tecnologia é utilizada pela
operadora Vivo.
O CDMA possui uma tecnologia 3G que é o 1xEV-DO que possui alta
performance para transmissão de dados que atinge de 300 a 500 kbps.
Basicamente, o 1xEV-DO é um sistema de dados sem fios com alta
velocidade e alta capacidade que combina a conveniência da mobilidade
com o desempenho de uma rede de dados fixa. Permite a transmissão de
dados de até 2 Mbps e ao mesmo tempo permite o serviço de dados
multimídia bastante avançados. A Tabela 3.1 apresenta as empresas e o
tipo de tecnologia adotada para transmissão de dados conforme (OLIVEIRA,
2006).
Tabela 3.1 – Empresas e tecnologias adotadas, (OLIVEIRA, 2006)
OPERADORA
TECNOLOGIA
Vivo
CDMA 1Xrtt
Claro
GPRS ou EDGE (GSM)
TIM
GPRS ou EDGE (GSM)
Oi
GPRS (GSM)
Amazônia Celular
GPRS ou EDGE (GSM)
Telemig Celular
GPRS ou EDGE (GSM)
Brasil Telecom GSM
GPRS (GSM)
CTBC Telecom
GPRS (GSM)
3.2 REDES WLANs
Os padrões de redes sem fios para as redes WLANs são
predominantemente do Institute of Electrical and Electronics Engineers
(IEEE) que é utilizada basicamente para compor uma rede móvel de
39
computadores. Esta tecnologia vem sendo estudada e desenvolvida pelo
grupo IEEE 802.11 e várias versões já foram desenvolvidas. Os três
principais padrões são o 802.11a, 802.11b e 802.11g, com taxa de
transmissão, respectivamente de 54, 11 e 54 Mbps. A família IEEE 802.11 é
uma camada física do modelo International Standard Organization/Open
System Interconect (ISO/OSI), um padrão para redes locais sem fios
WLANs, ou seja, conforme já citado, pode atingir um alcance de centenas de
metros. A vantagem de utilizar esta tecnologia é operar a uma banda de 2,4
GHz a 5 GHz reduzindo consideravelmente a suscetibilidade a interferências
eletromagnéticas (ONO, 2004).
3.3 REDES WPANs
As redes WPANs possuem duas tecnologias que são o Bluetooth
(IEEE 802.15.1) e o ZigBee (IEEE 802.15.4), ambas permitem a conexão de
dispositivos em redes ad hoc, operando em uma faixa de freqüência de 2,4
GHz (ISM) com alcance de 10 a 100 metros, com taxa de transmissão de 1
Mbps e 250 kbps, respectivamente (FERLINE, 2003; ZIGBEE ALLIANCE,
2005). A vantagem consiste em operar com baixo consumo de energia em
relação às outras tecnologias. A comunicação entre os dispositivos se dá de
forma mestre-escravo e cada mestre se comunica com até sete escravos
ativos. Qualquer dispositivo pode operar como mestre ou escravo, sendo
definido dinamicamente na conexão. Este tipo de comunicação chama-se
piconet. Várias piconets podem operar numa mesma área de cobertura,
neste sentido, esta configuração é chamada de scatternet, conforme descrito
no Capítulo 2.
No Anexo A são apresentados diversos trabalhos que discutem as
tecnologias citadas acima para maior compreensão.
40
3.4 INTERFACES E PROTOCOLOS PADRÕES
3.4.1. Protocolo padrão família IEEE 802
As empresas vem atingindo um grau de maturidade elevado com
relação às capacidades de cada tecnologia e as necessidades dos clientes.
Agora cada tecnologia está sendo dirigida às aplicações ao qual podem
apresentar maiores eficiências.
A Bluetooth, por exemplo, está presente em dispositivos a qual existe
a necessidade de uma conexão rápida, aproveitando seu baixo consumo de
energia, podendo ser empregado dispositivos à bateria, protocolo eficiente e
preços baixos (AKYILDIZ; SU, 2002; ANDREW, 2002; HEIDEMANN;
ESTRIN, 2002; VIEIRA et al, 2004).
Já o protocolo 802.11 está sendo utilizado em aplicações ao qual o
deslocamento não seja freqüente, aproveitando dispositivos para redes com
fios, grandes volumes de dados, e com consumo maior de energia.
A Bluetooth (IEEE 802.15.1) utiliza a transmissão por Frequency
Hopping Spread Spectrum. Existem implementações para os layers TCP/IP,
aumentando a compatibilidade. O curto alcance da Bluetooth também reduz
o consumo de energia permitindo seu uso em uma grande variedade de
dispositivos.
O protocolo 802.11 utiliza o mesmo espectro de freqüência que a
Bluetooth, 2,4 GHz, porém a transmissão é feita usando o Direct Sequence
Spread Spectrum. Os dados são transmitidos a uma taxa de 11 Mbps,
porém essa taxa pode cair automaticamente para 5,2 ou 1 Mbps,
dependendo de diversos fatores, como distância e ruído. O alcance chega
até 100 m, mas em ambientes fechados, como escritórios, essa distância cai
consideravelmente.
Como a Bluetooth, o 802.11 também possui implementações para
TCP/IP, sendo assim, compatível com diversos sistemas operacionais. Pela
41
vantagem de ter alta taxa de transmissão e um alcance considerável, muitas
aplicações foram implementadas para o 802.11.
O uso de pontos de acesso integrados a redes locais permite aos
dispositivos 802.11 uma grande flexibilidade, tendo praticamente o mesmo
comportamento do uso em rede local.
Dentre os protocolos da família IEEE 802, além do Bluetooth (IEEE
802.15.1), o que tem sido mais empregado em redes de sensores sem fios é
o IEEE 802.11 (AKYILDIZ; ESTRIN, 2002; ANDREW, 2002; JIANG;
MANIVANNAN, 2005). No Anexo B são descritas as principais diretrizes
empregadas para os dispositivos que utilizam redes e os novos padrões
dentro da família IEEE 802 que definem a comunicação em redes sem fios.
3.4.2 Protocolo padrão IEEE 1451
O padrão IEEE-1451, que trata especificamente dos transdutores
inteligentes, foi criado com o intuito de minimizar os impactos gerados pelas
dificuldades de integração dos sistemas de diversos fabricantes de
transdutores.
A elaboração desse padrão não propõe formar outra rede de controle,
mas uma interface padrão para transdutores inteligentes definindo para o
usuário a escolha de transdutores e a escolha de redes. A família é
composta conforme lista abaixo:
- Padrão IEEE-P4-1451-0, está sendo criado com o objetivo de ter uma
diretriz que sirva de base para todas as outras especificações da família
1451.
- Padrão IEEE 1451-1, 1999 – (Network Capable Application Processor
Information Model for Smart Transducers), criado com o objetivo de
padronizar o software de interface entre processadores de aplicação para
4
A letra P significa que o padrão está em fase de Proposta
42
operar em redes de controle. Possibilitou a independência entre o nó de rede
e o protocolo de comunicação da rede.
-
Padrão
IEEE
1451-2,
1997,
-
(Transducer
to
Microprocessor
Communication Protocols and Transducers Electronic Data Sheet (TEDS)
Formats), criado com o objetivo de padronizar a interface entre o transdutor
e processadores de rede, definindo também o Módulo de Interface para
Transdutores Inteligentes (Smart Transducer Interface Module- STIM), a
Interface
Independente
para
Transdutores
(Transducer
Independent
Interface- TII) e uma maneira de serem consideradas as especificações de
transdutores em um formato eletrônico dos dados do transdutor (TEDS Transducer Electronic Data Sheet).
- Padrão IEEE 1451-3, 2003 – (Digital Communication and Transducer
Electronic Data Sheet (TEDS) Formats for Distributed Multidrop Systems),
criado para especificar a forma de comunicação para um arranjo de vários
transdutores distribuídos, cujas informações precisam ser lidas de forma
sincronizada por um barramento conectado ao NCAP.
- Padrão IEEE 1451-4, 2004 – (Mixed-mode Communication Protocols and
Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) Formats), criado para especificar
como os sinais analógicos ou digitais de um transdutor podem ser
disponibilizados a uma mesma interface com o NCAP.
- Padrão IEEE - P-1451-5 – (Wireless Communication Protocols and
Transducer Electronic Data Sheet), será criado com o objetivo de direcionar
as aplicações do padrão IEEE 1451 em ambientes de rede sem fio.
- Padrão IEEE-P-1451-6 – (A High-speed CANopen-based Transducer
Network
Interface
for
Intrinsically
Safe
and
Non-intrinsically
Safe
Applications), sendo criado com o objetivo do uso de uma rede de alta
velocidade baseada no sistema CAN-open com diversos módulos contendo
transdutores e a definição de uma camada de segurança no modelo de
comunicação.
No Anexo B são descritas as principais características de cada um
dos padrões da família IEEE-1451, retiradas de seus próprios textos.
43
IMPLANTAÇÃO DA REDE DE SENSORES SEM FIOS NA
CENTRÍFUGA IPT
“Pode-se afirmar, em geral, que não há
questões esgotadas, senão homens esgotados
nas questões”
(Ramón Y Cajal)
Capítulo 4 – Implantação de uma Rede de Sensores Sem Fios na Centrífuga IPT
44
4 IMPLANTAÇÃO DE UMA REDE DE SENSORES SEM FIOS
NA CENTRÍFUGA IPT
A instrumentação utilizada nos ensaios em centrífuga tem sido
discutida em diversos trabalhos. A maioria destes trabalhos apresenta além
dos resultados obtidos, os problemas enfrentados para ter dados confiáveis.
(ZORNBERG; FRIEDRICHSEN; AVANZI, 2005) apresentam um estudo
sobre instrumentação e o meio de transmissão dos dados, em diversas
configurações, bem como o desempenho nas centrífugas existentes.
Uma das configurações mais comuns pode ser vista na Figura 4.1, os
sinais dos sensores são conectados aos condicionadores de sinais e, logo
após, são enviados para o meio externo por meio de um slip ring. Os sinais
analógicos são enviados para um computador para digitalização e posterior
tratamento matemático (ZORNBERG; FRIEDRICHSEN; AVANZI, 2005).
Esta configuração é utilizada na centrífuga do IPT, denominada de
instrumentação convencional (NIYAMA, 1994).
Figura 4.1 – Configuração de instrumentação em centrífugas, adaptada de
(ZORNBERG; FRIEDRICHSEN; AVANZI, 2005)
Na Figura 4.2, é apresentada uma configuração baseada em
sensores conectados aos condicionadores de sinais e a um sistema de
aquisição de dados para digitalização, o armazenamento dos dados é feito
no interior da centrífuga. Após a realização do ensaio, os dados são
capturados pelo operador para posterior tratamento. Neste tipo de
45
configuração consegue-se eliminar o problema de ruído na transmissão
como ocorre no caso da configuração anterior quando da utilização de slip
ring.
Figura 4.2 – Configuração da instrumentação de algumas centrífugas,
adaptado de (ZORNBERG; FRIEDRICHSEN; AVANZI, 2005)
Outras centrífugas utilizam dois tipos de configurações, conforme as
Figuras 4.3 e 4.4, cuja intenção é eliminar os problemas de ruídos nos sinais
para o meio externo da centrífuga. No primeiro caso (Figura 4.3), a
digitalização é feita no interior da centrífuga por um computador e os sinais
são transmitidos, pela porta serial RS 232, até um slip ring e, posteriormente,
conectado a outro computador externo pelo mesmo tipo de porta.
Figura 4.3 – Configuração da instrumentação das centrífugas mais recentes,
Figura 4.4 – Configuração da instrumentação das centrífugas mais recentes,
46
A segunda configuração (Figura 4.4) utiliza a tecnologia de telemetria,
os sinais dos sensores passam por condicionamento de sinais e são
digitalizados por um computador interno à centrífuga e, posteriormente, os
sinais digitalizados são enviados para um modem interno para transmissão
RF e por uma antena instalada no eixo central da centrífuga. O computador
externo também é dotado de um modem e antena para a captura do sinal e
converte estes sinais para tratamento matemático.
Apesar dessas configurações serem mais avançadas em relação às
demais, em termos de custos, são muito caras. Com a inserção das redes
de sensores inteligentes sem fios, estes custos caem abruptamente,
tornando bastante atraente neste tipo de aplicação.
4.1 IMPLANTAÇÃO DA RSSFs E DE UM MÉTODO PARA PROTEÇÃO
DOS DADOS CONTRA FALHAS DE COMUNICAÇÃO
A intenção inicial deste trabalho era propor a implantação da
tecnologia de redes de sensores inteligentes sem fios, o que difere muito das
configurações apresentadas até agora.
Porém, conforme mencionado no Capítulo 1, há dois trabalhos
divulgados que já empregaram a tecnologia de redes de sensores sem fios
nos ensaios em centrífuga até o presente momento. O trabalho desenvolvido
por (WILSON et al., 2004), na UC Davis - University of California Davis,
apresenta uma topologia conforme a Figura 4.5.
47
Figura 4.5 – Topologia adotada nos ensaios em centrífuga da UC Davis,
(WILSON et al., 2004)
A topologia apresenta uma interconexão entre os nós sensores de
dentro da centrífuga e um nó gateway fora da centrífuga, podendo ser
melhor entendida no diagrama esquemático da Figura 4.6.
Figura 4.6 – Diagrama esquemático da arquitetura usada na centrífuga UC
Davis, USA.
48
A rede de sensores sem fios foi desenvolvida para monitorar a
simulação de terremotos em maciços de solos a uma aceleração centrípeta
de 100 g. Foram usados somente sensores do tipo poro-pressão e
acelerômetros (todos com tecnologia MEMS) nas redes de sensores sem
fios, perfazendo um total de 48 sensores conforme a Figura 4.7.
Figura 4.7 – Disposição dos sensores sem fios no modelo e cesto da
centrífuga, (WILSON et al., 2004)
Os autores comentam que o uso de redes densas de sensores pôde
oferecer respostas significativas às necessidades de suas pesquisas.
As vantagens na utilização de redes densas de sensores sem fios em
relação à instrumentação convencional com fios se baseiam nos custos mais
baixos por unidade.
O tamanho dos dispositivos da instrumentação convencional com fios
é muito robusto em relação aos sem fios comprometendo o desempenho
nos ensaios de modelos reduzidos.
Cabos e fios também contribuem na baixa qualidade dos resultados
da instrumentação, além de sua instalação e operação demandarem
adaptações muito complexas.
Os (WILSON et al., 2004) ressaltam que os custos dos dispositivos
MEMS ainda são muito elevados em relação aos benefícios oferecidos.
Segundo esses autores, os fabricantes de sensores baseados em
MEMS ainda não atingiram as eficiências desejadas, e que os resultados
49
obtidos foram interessantes, permitindo novas investidas no futuro com a
utilização de sensores mais eficientes.
Outro trabalho desenvolvido por (CHEEKIRALLA, 2004), no MIT Massachusets Institute Technology apresenta precariamente a topologia
adotada não sendo possível sua reprodução neste texto.
Porém essa topologia é apresentada conforme esquema na Figura
4.8, esse trabalho informa que foram utilizados dispositivos denominados de
MICA, da Crossbow Technology Inc.
O ensaio realizado por (CHEEKIRALLA, 2004) teve o propósito de
monitorar o desempenho de diversos projetos de túneis urbanos enterrados.
Os sensores utilizados nesses ensaios foram basicamente os de
pressão e ultra-sônicos. O sensor de pressão é baseado na tecnologia de
estado sólido com propriedades piezo-resistivas.
Figura 4.8 – Diagrama esquemático da arquitetura usada na centrífuga MIT,
USA
O sensor ultra-sônico possui tecnologia de silício dopado com
propriedades piezo-elétricas. Os sensores de pressão foram utilizados para
monitorar as linhas de pressão de ar no interior do túnel conforme a Figura
4.9.
50
Figura 4.9 – Disposição dos sensores de pressão ao longo do modelo de
túnel, adaptado de (CHEEKIRALLA, 2004)
Estes sensores ultra-sônicos foram utilizados para monitorar os
deslocamentos de duas seções transversais do túnel, sendo obtida a
posição inicial antes do vôo, os valores eram obtidos em tempos diferentes
durante o ensaio.
Segundo
(CHEEKIRALLA,
2004),
diversos
problemas
foram
encontrados durante os ensaios. A instabilidade das medidas de
deslocamento fornecidas pelos sensores ultra-sônicos foi um dos exemplos.
As prováveis razões que levaram a essa instabilidade foram, o peso
dos sensores e a quantidade excessiva inicial dos mesmos no modelo,
sendo reduzidos a apenas dois sensores, um por seção.
É informado nesse trabalho que não foi possível obter valores em
tempo real, comprometendo o desempenho do ensaio, isto ocorreu porque
os cálculos dependiam dos dados para atuar na linha de pressão no interior
do túnel.
(CHEEKIRALLA, 2004) conclui ainda que mesmo assim, existe um
futuro muito promissor para o desenvolvimento de sensores sem fios o que
trará benefícios para a monitoração distribuída em infra-estruturas.
51
Baseando-se nos trabalhos de (CHEEKIRALLA, 2004; WILSON et al.,
2004), foi possível reavaliar a utilização da tecnologia de redes de sensores
inteligentes sem fios nos ensaios com a centrífuga IPT.
O projeto da topologia desenvolvido para a centrífuga IPT foi
concebido antes destes trabalhos terem sido encontrados e estudados.
Coincidentemente, a topologia adotada foi semelhante com uma das
apresentadas nestes dois trabalhos.
Essa topologia é muito parecida com a do trabalho desenvolvido pelo
grupo da University of California Davis, diferenciando-se apenas na
quantidade muito inferior de sensores.
Na Figura 4.10 é apresentada a topologia empregada.
Figura 4.10 – Arquitetura de redes de sensores sem fios proposta para a
centrífuga do IPT
Como informado no trabalho de (CHEEKIRALLA, 2004), foram
utilizados vários sensores sem fios para a realização dos ensaios em
52
centrífuga, sendo a topologia semelhante às técnicas discutidas no Capítulo
2, aos quais apresentam topologias de redes densas, com sensores
redundantes sem fios.
Nesse
trabalho,
é
mencionado
que
os
resultados
foram
comprometidos pelo excesso de sensores utilizados, foi necessário reduzir o
número de sensores para obter sucesso, deparou-se com outro problema,
os dados não eram fornecidos em tempo real para alimentar o programa que
fornecia subsídios para atuação no modelo durante os ensaios.
O grupo da University of California Davis utilizou também redes
densas de sensores redundantes sem fios nos ensaios em centrífuga, porém
incorporaram sensores MEMS que são miniaturizados para diminuir o
impacto da quantidade instalada no modelo reduzido.
Ambos os trabalhos apresentados (CHEEKIRALLA, 2004; WILSON et
al., 2004), não optaram por outros recursos que evitassem perdas de dados
sem a necessidade de criar topologias densas para o controle de suas
redes.
O número excessivo de sensores pode interferir significativamente
nos modelos reduzidos em centrífuga, principalmente se a distribuição é feita
em um cesto muito pequeno.
No caso do cesto da centrífuga da University of California Davis
possuir grandes dimensões (comprimento de 1,65 m, largura de 0,79 m,
altura de 0,58 m), podem não ter se deparado com tais problemas. Porém,
as dimensões do cesto do IPT (comprimento de 0,30 m, largura de 0,13 m,
altura de 0,25 m) são muito restritivas para se apoiar nesses recursos (redes
densas e sensores redundantes). Conseqüentemente, este trabalho foi
desenvolvido com uma nova concepção de topologia chamada ‘otimizada’
constituída apenas de sensores suficientes para obter os parâmetros de
interesse. Sabendo-se da existência de falhas de comunicação, foi preciso
desenvolver um método que garantisse a proteção dos dados mesmo com a
ocorrência destas falhas.
Ressalta-se que a intenção do desenvolvimento do mencionado
método não foi de contrapor-se às técnicas apresentadas nos trabalhos
53
discutidos no Capítulo 2 e nem dos trabalhos aqui expostos. Porém, propor
uma alternativa que permita simplificar e evitar o uso de redes densas,
devido às condições existentes na centrífuga IPT.
54
MÉTODO PARA PROTEÇÃO DOS DADOS CONTRA FALHAS
DE COMUNICAÇÃO EM RSSFs
“Pode-se afirmar, em geral, que não há
questões esgotadas, senão homens esgotados
nas questões”
(Ramón Y Cajal)
Capítulo 5 – Método para Proteção dos Dados Contra Falhas de Comunicação em
RSSFs
55
5 MÉTODO PARA PROTEÇÃO DOS DADOS CONTRA
FALHAS DE COMUNICAÇÃO EM RSSFs
A topologia adotada nesta tese apresenta um nó gateway e três nós
sensores concentrados numa região próxima ao cesto da centrífuga. São
suficientes para atender os propósitos dos trabalhos com as âncoras
‘tartaruga’ e da maioria dos trabalhos com a centrífuga do IPT, podendo
ampliar para até 16 nós sensores.
Foi adquirido um sistema de fabricação da Chipcon AS, subsidiária da
Texas Instruments na Noruega, cujas características podem ser consultadas
no Apêndice B. Utilizando o referido sistema nos testes preliminares para
conhecer o princípio de funcionamento, no laboratório do IPT e empregando
softwares simples de aquisição, observou-se os LEDs de controle da placa
(Evaluation Board), especificamente o LED verde (utilizado para verificar o
recebimento dos dados), que ocorriam falhas de comunicação com
conseqüentes perdas de informação.
Além disso, empregando o HyperTerminal do Windows para
observação dos dados aquisitados, observavam-se inconsistências de
tempo entre as leituras. Tal ocorrência é devido aos softwares não preverem
o armazenamento dos dados para envios futuros. Os testes são
apresentados no Capítulo 6.
Essas ocorrências, fez com que o desenvolvimento de um método
para evitar perdas de dados tornasse cada vez mais necessário, visto que
para os ensaios de modelos físicos em centrífuga, perdas de informações
durante sua realização não são aceitáveis.
O método foi desenvolvido do kit de desenvolvimento da Chipcon AS,
podendo ser estendido para qualquer outro sistema, transcrevendo apenas o
pseudo-código para a linguagem de outra plataforma.
O método baseou-se na tecnologia de comunicação via Internet,
sendo as atualizações das telas do computador mediante o envio de pacotes
RSSFs
56
inteiros das informações contidas numa página de website, durante vários
ciclos de transmissão.
Na ocorrência de falha de comunicação num determinado ciclo, o
pacote inteiro é reenviado num outro ciclo e assim sucessivamente até que
se tenha recebido a página inteira e as suas funções específicas (links,
endereços de e-mails, etc).
A diferença do método desenvolvido neste trabalho para essa
tecnologia consiste no envio do pacote de dados sempre atualizado, ou
modificado por novos valores monitorados dos sensores acoplados nos
canais do A/D, a cada ciclo de comunicação, chamado de vetor dinâmico de
dados.
Esse método é baseado na construção de um vetor de dados dentro
do nó sensor a ser enviado ao nó gateway em ciclos de transmissão.
Esse vetor é modificado ou atualizado de acordo com a taxa de
amostragem do A/D e com o processamento do programa na fase de
transmissão do vetor anterior.
O algoritmo implementado no nó sensor (SENSOR) consiste em
aguardar uma liberação do RF (acknowledge) para o pacote ser enviado.
Os valores do conversor A/D são lidos e armazenados na memória
RAM do chip CC1010, no nó sensor.
No momento em que esse pacote de valores do conversor A/D é
liberado, e em processo de envio, é montado um vetor com esses valores,
além dos últimos dois valores da iteração anterior (dos canais do conversor
e do tempo).
Esses dois últimos valores são uma forma de checagem de que não
houve perdas durante as transmissões, mesmo que tenham ocorrido falhas
de comunicação. Esta checagem é feita pelo software de gerenciamento
desenvolvido na plataforma denominada de LabVIEW.
Com o vetor pronto, à medida que não ocorre a sua liberação para o
envio, acontecem novas aquisições que serão montadas em novas linhas
deste vetor e enviadas na próxima iteração.
RSSFs
57
Assim, os dois últimos valores dessa última iteração são incorporados
no novo vetor.
No nó gateway este vetor é transformado em uma matriz de dados e
enviado ao computador.
Após essa implementação, outros testes são realizados para verificar
se houve aumento do tempo de atraso e conseqüentemente perdas de
pacotes de dados.
Na Figura 5.1 é apresentado o método na forma de diagrama de
blocos.
Figura 5.1 – Diagrama de blocos da metodologia desenvolvida
Para o método funcionar foram desenvolvidos dois softwares, sendo o
primeiro (software embarcado), em linguagem C, para a monitoração de três
canais do A/D do nó sensor e controle pelo nó gateway. O segundo, na
plataforma LabVIEW, para gerenciamento dos dados do sistema sem fios,
sendo os softwares complemento do outro para que o método possa
RSSFs
58
funcionar e garantir a integridade dos dados contra falhas de comunicação
(transmissão e recepção dos sinais de RF).
5.1 SOFTWARE EMBARCADO
O desenvolvimento do programa para os nós sensor e gateway
passou por diversas versões devido aos vários problemas enfrentados com
atrasos e perdas significativas de dados, até obter um algoritmo mais
eficiente. Foram mantidas algumas implementações das primeiras versões,
as quais funcionavam adequadamente. No início do programa foram
implantadas todas as bibliotecas disponíveis e necessárias para o
desenvolvimento. São definidas e declaradas todas as variáveis globais
utilizadas, algumas gravadas na memória RAM externa, outras na interna.
Além dessas variáveis, foram definidos os endereços de memória
reservados para criptografia e interrupção de Timer 2, sendo essa última
utilizada para contagem de tempo.
A decisão do uso da técnica de criptografia e de um protocolo de
comunicação sem fio chamado SPP (utilizada também como interface para
diversas outras tecnologias como o Bluetooth e Zig Bee e implementada no
IEEE-P-1451-5) foi de evitar invasões indesejáveis. Não foi possível
introduzir nenhuma das tecnologias como o Bluetooth (IEEE 802.15.1), Zig
Bee (IEEE 802.15.4) e o IEEE 802.11, descritas no Capítulo 3 desta tese,
pois o sistema da Chipcon opera na banda de 868 MHz, muito abaixo da
banda de freqüência destes protocolos. No Apêndice C o programa é
apresentado na sua íntegra, sendo a parte relativa ao método em detalhes
contendo explicações de cada linha de programação nos itens 5.3 e 5.4
deste capítulo.
A seguir é apresentado o programa de gerenciamento dos dados pelo
microcomputador,
desenvolvido
na
plataforma
LabVIEW,
complemento do programa embarcado nos nós sensor e gateway.
sendo
59
RSSFs
5.2 SOFTWARE LABVIEW PARA GERENCIAMENTO DOS DADOS
O
programa
desenvolvido
na
plataforma
LabVIEW
para
o
gerenciamento dos dados obtidos pelo sistema sem fios foi baseado na
tecnologia de instrumentação virtual bastante empregada no meio
acadêmico-científico e industrial.
É atualmente uma tecnologia de ponta que permite avanços
significativos na automação e instrumentação em diversas áreas de atuação
da sociedade.
Esta tecnologia disponibiliza diversos recursos automáticos com
implementações das normas e padrões IEEE – 1451.
O programa captura os dados pela porta serial (como ocorre com o
HyperTerminal do Windows) separando os valores de cada canal e o tempo.
Verifica se houve perda de pacotes de dados pela checagem dos
dados repetidos de cada iteração, informa quantos pacotes foram perdidos,
monta os dados em uma tabela, grava-os em um arquivo definido pelo
usuário no disco rígido e finalmente apresenta os dados em displays digitais
e gráficos na tela do computador.
No Apêndice E, este programa está apresentado por uma tela
interativa na Figura E.1 e o diagrama de seus comandos na Figura E.2. Na
Figura 5.2 é apresentado um fluxograma que permite visualizar os
comandos de controle do programa.
RSSFs
60
Figura 5.2. – Fluxograma dos comandos executados no LabVIEW
5.3 DETALHAMENTO DO SOFTWARE EMBARCADO
No início do programa foi feita a prototipagem das funções a serem
utilizadas no restante da programação. A seguir foram definidas todas as
constantes que serão utilizadas ao longo de toda a programação.
O programa principal é dividido em diversas partes distintas descritas
a seguir:
- Configuração e ajustes da rádio freqüência: para o cristal oscilador de
22,1184 MHz, freqüência de 868,2772 MHz para transmissão e recepção, foi
configurada a taxa de dados de 38,4 kbaudrate de RF, formato de dados
NRZ, potência de saída de 4dBm e RSSI desabilitado.
RSSFs
61
- Definição de periféricos: apagam-se os LEDs da Evaluation Board, bem
como se desabilita o Watchdog do sistema (nó sensor e gateway).
- Macros para ajustes de velocidade e potência: os ajustes foram feitos
para maior velocidade possível de processamento e consumo de potência
máxima (40 mA).
- Configuração do conversor A/D: foi selecionado o modo de conversão
contínuo normal, com referência de tensão de alimentação do nó (3 Volts),
tendo como base de tempo a freqüência do cristal (22,1184 MHz). Após esta
configuração, apenas liga-se o conversor e inicia-se a aquisição de dados.
Vale ressaltar que são duas situações distintas, ligar o conversor e depois
aquisitar os dados. Caso seja feita apenas o ajuste para iniciar a aquisição,
sem fazê-lo aquisitar, não será possível ler os valores dos canais desse
conversor.
- Configuração do SPP: configuração do modo de envio e recepção dos
dados. Foi utilizado o formato SPP (protocolo simples de comunicação sem
fios, descrito no Capítulo 3), que está disponível em uma das bibliotecas
utilizadas pelo programa. Nessa parte do programa são associados alguns
parâmetros às configurações desse modo de comunicação, tais como o
endereço na memória onde os dados recebidos serão armazenados, o
tamanho do dado a ser transmitido, o intervalo máximo de espera para que
seja feita a recepção, tempo de reconhecimento de transmissão, número de
bytes transmitidos, tamanho máximo da informação e flags de comunicação.
- Configuração e inicialização do Timer 2: foi utilizada a interrupção de
Timer 2 para gerar uma base de tempo de 1 ms, o qual será aproveitado
para contagem do tempo entre amostras dos conversores. Este tempo é
considerado o mesmo para a amostra dos três canais do A/D.
- Configuração da comunicação serial: foi configurado para 115.200 bps,
freqüência de clock do cristal (22,1184 MHz), sem paridade para
transmissão e recepção, habilita o flag para checar se o byte transmitido já
chegou ao seu destino.
O programa foi construído para realização de tarefas no nó gateway
(BASE) e ao nó sensor (SENSOR).
RSSFs
62
O método para proteção dos dados contra falhas de comunicação
está detalhada abaixo e as linhas de programação se encontram no item a
seguir e ao final deste Apêndice. Na Figura C.1 é apresentado o fluxograma
dos comandos executados no nó sensor.
Figura 5.3. – Fluxograma dos comandos executados no nó sensor
Na linha 1 é apresentado um texto introduzindo a rotina de
transmissão. Na linha 2 é usada uma sintaxe de envio de dados pelo
protocolo SPP. Da linha 3 até a linha 29 é um controle que utiliza a estrutura
(do-while) ao qual se realiza as aquisições dos valores dos canais ADC0,
ADC 1, e ADC2 do A/D (velocidade é de 1004 S/s por canal), no qual o
controle não utiliza toda a velocidade disponível, bem como o tempo de cada
aquisição. Na linha 30 é apresentado um texto explicando as rotinas da linha
seguinte. Na linha 31 é uma condição para que a estrutura do, da linha 3,
possa ser executada, ou seja, enquanto o nó sensor não estiver pronto para
transmitir, a estrutura (do) constrói o vetor de dados. Na linha 32 é a
RSSFs
63
inicialização do contador usado na estrutura (for-to-do) abaixo de sua linha,
descrito a seguir.
Na linha 33 até 39 há uma estrutura (for-to-do) para realizar a
inserção dos dois últimos valores aquisitados (ADC0, ADC1 ADC2 e o
tempo) nas duas primeiras linhas do vetor subseqüente. Nas linhas 40 a 72
é criada uma estrutura (for-to-do) para reagrupar no vetor que recebeu as
duas linhas iniciais com os dois últimos valores da interação anterior, os
novos valores aquisitados. Na linha 73 é preparada a transmissão do
número de valores aquisitados na rotina de transmissão.
Na linha 74 existe uma instrução que envia o endereço de onde está
armazenado o segredo da criptografia na memória RAM que será detalhado
mais adiante. Nas linhas 75 e 76 é preparado o envio de todos os dados
relativos aos valores do A/D e o tempo, separados em bytes. Das linhas 77 a
82 ocorre uma rotina que armazena os dois últimos valores aquisitados na
atual iteração para serem enviados na próxima iteração no vetor novo. Na
linha 83 é apresentado um texto indicando o final da rotina de transmissão.
Como dito anteriormente, para garantir a integridade dos dados contra
a possível invasão indesejável, foi introduzida a técnica de criptografia em
conjunto com o protocolo SPP. A Chipcon permite utilizar a criptografia de
dois modos: a simples e a tripla. Foi adotado o modo simples de criptografia,
disponível em uma das bibliotecas do chip, pois como o sistema possui um
protocolo (SPP) que já garante alguma segurança.
Conforme orientação do fabricante, para realizar a criptografia, devese atribuir um endereço da memória RAM do chip CC1010, múltiplos de 8
(bytes) para o endereço de dados e outro endereço dessa mesma memória,
também múltiplos de 8 para os bytes do segredo da criptografia. É
importante salientar, de antemão, que os endereços dos dados e do
segredo, bem como as posições de memória devem ser idênticos, tanto para
o nó sensor quanto para o nó gateway. Além disso, é importante observar
que os dados criptografados, são escritos na memória RAM, a partir da
posição pré-estabelecida, são sobrescritos em sua própria variável. A seguir
RSSFs
64
são descritas as sintaxes para as funções de criptografia e do protocolo que
vai da linha 84 até 103.
Na linha 84 é apresentado um texto fazendo uma citação do que as
instruções abaixo representam. Nas linhas 85 e 86 são definidas duas
constantes e seus respectivos tamanhos para a criptografia. Na linha 87
outro texto faz uma citação do que as linhas subseqüentes realizam. Nas
linhas 88 e 89 são definidos dois endereços na memória RAM para a
criptografia, sendo o primeiro para os dados e o segundo para o segredo. Na
linha 90 é apresentado um texto citando as tarefas das linhas abaixo. Nas
linhas 91 e 92 são ajustados os tamanhos dos endereços dos buffers da
memória RAM de acordo com o tamanho das constantes definidas.
Na linha 93 outro texto faz citação às linhas subjacentes. Nas linhas
94 e 95 são criadas variáveis com tamanho definido pelas constantes de
criptografia. Na linha 96 há outro texto citando que o que os comandos das
linhas adjacentes realizam na programação do nó sensor. Nas linhas 97 e 98
é criada uma estrutura (for-to-do) para gerar o segredo, que inicialmente é
atribuído o valor zero (0). Na linha 99 alocam-se na memória RAM os
valores do segredo associando-os ao respectivo buffer.
Na linha 100 alocam-se, na memória RAM, os dados criptografados
associando-os ao respectivo buffer. Na linha 101 possui o comando que faz
a criptografia dos dados usando o modo simples. Nas linhas 102 e 103
ocorrem as rotinas para preparar o envio desses dados criptografados
conforme escrito também nas linhas 70 a 72, já explicados anteriormente.
No nó gateway (BASE), foi desenvolvida a recepção desses dados
bem como o processamento dos mesmos, ou seja, o pacote quando enviado
pelo nó sensor é recebido como um vetor no nó gateway, tendo que ser
transformado em uma matriz de dados, como já mencionado anteriormente.
No nó sensor leva-se um determinado tempo para a liberação do
pacote, nesse momento são realizadas as aquisições dos dados. Da mesma
forma acontece com a BASE, quanto ao tempo para a aceitação do pacote,
nesse instante os valores aceitos anteriormente são exibidos na tela do
computador. Este procedimento deve ser realizado uma vez apenas por
RSSFs
65
pacote, será exibida no computador a mesma informação várias vezes.
Como dito anteriormente, o registro dos nós é muito importante para
identificação na rede de sensores, para que não haja conflito entre os
mesmos. Para registrar os nós, deve-se abrir o HyperTerminal do Windows,
apertar a tecla ‘n’ e digitar o nome desejado ao nó até o limite de 20
caracteres.
Na linha 104 é apresentado um texto indicando que as linhas abaixo é
a programação para o nó gateway. Nas linhas 105 e 106 ocorrem rotinas
para preparar a recepção dos dados ainda criptografados. Nas linhas 107 e
108 é criada uma estrutura (for-to-do) para gerar o segredo para a recepção,
é atribuído o valor zero (0), conforme criado no envio. Nas linhas 109 e 110
ocorrem as mesmas operações das linhas 99 e 100 só que para a
decriptografia. Na linha 111 é o comando que faz a decriptografia dos dados
usando o modo simples.
Na linha 112 é apresentado um texto que indica as tarefas definidas
nas linhas abaixo. Nas linhas 113 a 115 são constantes para uso do
protocolo SPP, tanto para transmissão como para recepção.
Na linha 116 é apresentado um texto sobre as rotinas transcritas nas
linhas abaixo. Nas linhas 117 a 121 são definidas as variáveis que serão
utilizadas na aplicação do protocolo. Na linha 122 é comentado o início do
programa principal para os nós sensor e gateway. Das linhas 123 a 131 são
informadas as respectivas configurações definidas no software Smart RF
Studio para os nós sensor e gateway. Das linhas 132 a 146 são definidos os
parâmetros de configuração da RF definidos também no software Smart RF
Studio. As linhas 147 até 157 são definidas as configurações do SPP
definidas
somente
para
este
programa.
Depois
é
apresentado
o
complemento das instruções de transmissão dos dados do nó sensor para o
nó gateway, e transcritos no próximo item e ao final deste Apêndice.
Nas linhas 158 a 167, existe um texto resumido, pelas linhas de
comando, informando o que é realizado no nó sensor e no nó gateway.
Na linha 168 apresenta-se o comando que recebe o pacote de dados
enviados, fazendo uso do protocolo SPP. Logo após, na linha 169 é iniciada
RSSFs
66
uma sub-rotina do-while que vai até a linha 207. Essa sub-rotina faz com que
os valores aquisitados na iteração anterior sejam exibidos na tela, pela porta
serial.
Dentro dessa estrutura, na linha 171 é verificado se houve a prévia
exibição dos valores aquisitados, para que não sejam exibidos os mesmos
valores várias vezes nesta iteração. Conforme comentário da linha 173, o nó
gateway realiza uma varredura de todos os nós sensores que enviam dados,
e exibe-os na tela para cada um desses nós.
Na linha 174 até 177 é feita uma checagem para saber se a
identidade do nó sensor é válida ou se o nó em questão é o gateway. Caso
seja um desses dois casos, o valor na tela não é exibido.
Da linha 178 até 205, os valores do A/D aquisitados, bem como o
tempo recebido são exibidos na tela do computador, no software
desenvolvido no LabVIEW, e na linha 206 é zerada a variável após os
valores terem sido exibidos na tela. Na linha 207 a estrutura do-while
termina, conforme citado acima.
Na linha 208, é ajustada novamente a variável ‘JaFeito’ para exibição
dos valores da próxima iteração. Após, o LED amarelo é aceso, e caso a
recepção seja bem sucedida, acende-se o LED verde da placa BASE
(comandos descritos nas linhas 209 a 212).
Na linha 213 ocorre um texto explicativo das linhas subseqüentes. Já
na linha 214 a 233 é feita a recepção da identidade do nó e o índice (ordem
de registro do nó na rede). Caso o nó não esteja registrado na rede, o
programa atribui uma identidade não utilizada, ao qual não serão exibidos os
valores enviados por este nó sensor no computador. Todos os nós devem
ter nomes diferentes e serem registrados e reconhecidos pela rede. Na linha
234 possui um texto explicando as linhas abaixo. Nas linhas 235 e 236,
recebe-se o nome do nó, dado pelo HyperTerminal do Windows.
Encerrando essa etapa, na linha 237, é recebido o número de valores
enviados para realizar cálculos sobre quantos valores devem ser tratados e
exibidos.
RSSFs
67
Na linha 238 é criado um ponteiro que armazenará os valores
criptografados recebidos, num local da memória RAM. Esse ponteiro tem a
função de indicar o lugar aos quais os dados serão alocados. Na linha 239
possui um texto que explica as linhas abaixo dele.
Da linha 240 a 242, é feito um cálculo para recepção de todos os
valores dos conversores e do tempo.
Nas linhas 244 e 245 é criada uma sub-rotina para receber a chave da
criptografia (para que seja possível decriptografar os dados).
Da linha 246 a 248 é alocada na memória RAM os valores dos dados
criptografados e os já decriptografados.
Na linha 249 e 250 zeram-se duas variáveis que serão utilizadas na
recepção dos valores. Da linha 251 a 276, separam-se os valores
aquisitados
(sub-rotina
for-to-do),
na
ordem
dos
valores
enviados
(primeiramente o ADC1, depois o ADC0, seguido pelo ADC2 e finalizando
com o tempo da aquisição).
A montagem da matriz é feita da seguinte forma: são montados
vetores com quatro valores, que serão exibidos na próxima iteração, um
após o outro, com uma quebra de linha entre eles.
Nas linhas 277 a 279 é feito um cálculo para que sejam exibidos todos
os valores da aquisição, pela variável ‘aux6’.
A linha 280 é o final do processamento dos dados quando o pacote
recebido for válido. Caso isto não ocorra, nas linhas 281 e 282, o LED verde
é apagado. Encerra-se a sub-rotina de recepção na linha 283.
Na Figura 5.4 são apresentados os comandos executados no nó
gateway, dando seqüência nas explicações das demais linhas de comando
do programa.
RSSFs
68
Figura 5.4 – Fluxograma de comandos executados no nó gateway
5.4 MÉTODO DESENVOLVIDO NO SOFTWARE EMBARCADO
•
Método Proposto:
1)
// Transmite a temperatura
2)
sppSend(&TXI); /* Envia */
3)
do
4)
5)
6)
{
// Indicação transmissão
YLED = LED_ON;
ADC_SELECT_INPUT(ADC_INPUT_AD1); /* Seleciona AD1 e
amostra seu valor */
7)
ADC_RUN(TRUE);
RSSFs
8)
9)
69
halWait (22, CC1010EB_CLKFREQ);
temp = ADC_GET_SAMPLE_10BIT(); /* Obtém a última amostra com
resolução de 10 bits (máxima) */
10)
TemperaturaNo[0][b] = temp;
/* Armazena o valor da amostra
(AD1) */
11)
printf("Valor1 = %d\n", TemperaturaNo[0][b]);
12)
b++;
13)
14)
ADC_RUN(TRUE);
15)
16)
temp = ADC_GET_SAMPLE_10BIT(); /* Obtém a última
amostra com resolução de 10 bits (máxima) */
17)
(AD0) */
18)
b++;
19)
20)
ADC_RUN(TRUE);
21)
22)
23)
(AD2) */
24)
b++;
25)
TemperaturaNo[0][b] = Contagem;
26)
27)
b++;
28)
YLED = LED_OFF; /* Apaga o LED amarelo */
29)
}
30)
/* Espera enquanto não estiver pronto para transmitir */
31)
while (sppStatus() != SPP_IDLE_MODE);
RSSFs
70
32)
contador2 = 0; /* Inicializa contador2 em 0 */
33)
for (xis=0; xis<8; xis++) /* Transmite últimos valores (medida anterior)
*/
34)
{
35)
rndData[contador2] = (UltimoValor[xis] >> 8);
36)
rndData[contador2 + 1] = UltimoValor[xis];
37)
//printf("UltimoValor[%d%d] = %d\n",xis,xis,UltimoValor[xis]);
38)
contador2 += 2;
39)
}
40)
for (xis=0; xis<b; xis++) /* Transmite novos valores (linhas após os
últimos valores) */
41)
{
42)
if ((xis%4)==0)
43)
{
44)
rndData[contador2] = (TemperaturaNo[0][xis] >> 8);
45)
rndData[contador2 + 1] = TemperaturaNo[0][xis];
46)
a++;
47)
}
48)
else
49)
{
50)
if (((xis-1)%4)==0)
51)
{
52)
rndData[contador2] = (TemperaturaNo[0][xis] >>
8) ;
53)
54)
h++;
55)
}
56)
else
57)
{
58)
if (((xis-2)%4)==0)
59)
{
RSSFs
60)
rndData[contador2]
71
=
(TemperaturaNo[0][xis] >> 8);
61)
rndData[contador2
+
1]
=
TemperaturaNo[0][xis];
62)
z++;
63)
}
64)
else
65)
{
66)
rndData[contador2]
=
67)
rndData[contador2
+
1]
=
68)
}
69)
}
70)
}
71)
contador2 += 2;
72)
}
73)
BufferTransmissao[ID_MAIS_NOME] = b & 0xFF;
74)
BufferTransmissao[ID_MAIS_NOME + 1] = CRPKEY & 0xFF;
75)
for (xis=0; xis<(contador2); xis++)
76)
BufferTransmissao[ID_MAIS_NOME + xis + 2] = rndData[xis] & 0xFF;
77)
for (xis=0; xis<8; xis++) /* Armazena os últimos valores atuais para
serem passados na próxima tabela*/
78)
{
79)
UltimoValor[xis] = TemperaturaNo[0][b-8];
80)
//printf("UltimoValor[%d] = %d\n",xis,UltimoValor[xis]);
81)
b++;
82)
}
83) } // Transmite
•
Criptografia:
84) // Constantes de criptografia
RSSFs
72
85) #define RND_LENGTH 220
86) #define KEY_LENGTH 8
87) // Definindo os endereços para criptografia
88) #define RAMBUF_ADDRESS 0x0000
89) #define CRPKEY_ADDRESS 0x0150
90) // Ajustes dos buffers de RAM para criptografia
91) byte xdata ramBuf[RND_LENGTH] _at_ RAMBUF_ADDRESS;
92) byte xdata keyBuf[KEY_LENGTH] _at_ CRPKEY_ADDRESS;
93) // Arrays que serão inicializadas com bytes randômicos
94) byte xdata rndData[RND_LENGTH];
95) byte xdata rndKeys[KEY_LENGTH];
96) // Programa no nó sensor
97)
for (xis=0; xis<KEY_LENGTH; xis++)
98)
rndKeys[xis]=0x00;
99)
memcpy(keyBuf, rndKeys, KEY_LENGTH);
100) memcpy(ramBuf, rndData, RND_LENGTH);
101) halDES(DES_SINGLE_DES | DES_ENCRYPT | DES_CFB_MODE,
&ramBuf, &keyBuf, RND_LENGTH);
102) for (xis=0; xis<(contador2); xis++)
103) BufferTransmissao[ID_MAIS_NOME + xis + 2] = rndData[xis] & 0xFF;
104) // Programa no nó gateway
105)
for (c=0; (c<(NumeroValores)); c++)
106)
rndData[c] = BufferRecepcao[ID_MAIS_NOME + c + 2];
107)
for (c=0; c<KEY_LENGTH; c++)
108)
rndKeys[c]=0x00;
109)
memcpy(ramBuf, rndData, RND_LENGTH);
110)
111)
halDES(DES_SINGLE_DES | DES_DECRYPT |
DES_CFB_MODE, Localizacao, &keyBuf, RND_LENGTH);
•
SPP:
112) // Valores relacionados à rádio-freqüência
RSSFs
113) #define ENDEREÇO_TRANSMISSAO
114) #define INTERVALO_RECEPCAO
115) #define BYTES_PRIMARIOS
3
25
10
116) // Variáveis do SPP
117) SPP_SETTINGS xdata sppSettings;
118) SPP_RX_INFO xdata RXI;
119) SPP_TX_INFO xdata TXI;
120) byte xdata BufferRecepcao[250];
121) byte xdata BufferTransmissao[250];
122) // Programa principal (iniciando com informações de configuração)
123) // X-tal frequency: 22,1184 MHz
124) // RF frequency A: 868.277200 MHz
Rx
125) // RF frequency B: 868.277200 MHz
Tx
126) // RX Mode: Low side LO
127) // Frequency separation: 64 kHz
128) // Data rate: 38.4 kBaud
129) // Data Format: NRZ
130) // RF output power: 4 dBm
131) // IF/RSSI: RSSI Disabled
132) RF_RXTXPAIR_SETTINGS code RF_SETTINGS = {
133)
0xA3, 0x2F, 0x15,
// Modem 0, 1 and 2
134)
0x75, 0xA0, 0x00,
// Freq A
135)
0x58, 0x32, 0x8D,
// Freq B
136)
0x01, 0xAB,
137)
0x40,
// PLL_RX
138)
0x30,
// PLL_TX
139)
0x6C,
// CURRENT_RX
140)
0xF3,
// CURRENT_TX
141)
0x32,
// FREND
142)
0xFF,
// PA_POW
143)
0x00,
// MATCH
144)
0x00,
// PRESCALER};
// FSEP 1 and 0
73
RSSFs
145)
// Calibration data
146)
RF_RXTXPAIR_CALDATA xdata RF_CALDATA;
147)
// Configuração de RF/SPP
148)
sppSetupRF(&RF_SETTINGS, &RF_CALDATA, TRUE); /*
74
Configuração da forma de amostra simples */
1)
sppSettings.myAddress = ENDEREÇO_TRANSMISSAO;
/*
Endereço da comunicação */
149)
sppSettings.rxTimeout = INTERVALO_RECEPCAO; /* Tempo da
recepção */
150)
sppSettings.txAckTimeout = BYTES_PRIMARIOS; /* Tempo de
reconhecimento e transmissão */
151)
sppSettings.txPreambleByteCount = BYTES_PRIMARIOS; /*
Número de bytes transmitidos */
152)
RXI.maxDataLen = TAMANHO_DADO; /* Tamanho máximo da
informação (tamanho do *pDataBuffer) */
153)
RXI.pDataBuffer = BufferRecepcao;
/* Associa RXI.pDataBuffer ao
ponteiro para o buffer de recepção */
154)
TXI.destination = SPP_BROADCAST; /* Destino da transmissão
(endereço 0) */
155)
TXI.flags = 0x00; /* Flag para ver se está pronto para transmitir */
156)
TXI.pDataBuffer = BufferTransmissao; /* Associa TXI.pDataBuffer ao
ponteiro para o buffer de transmissão */
157)
TXI.dataLen = TAMANHO_DADO;
/* Tamanho do dado
transmitido */
•
Transmissão
158)
// Transmite
159)
160)
do
161) {// instruções }
162) while (sppStatus() != SPP_IDLE_MODE);
75
RSSFs
•
Recepção
163)
// Recebe
164)
sppReceive(&RXI); /* Recebe */
165)
do
168)
169) do
170) {
171)
if (JaFeito) /* Se ainda não exibiu os valores uma vez na tela */
172)
{
173)
for (e = 0; e < MAXIMO_NUMERO_NOS; e++)
/* Analiza
todos os nós sensores */
174)
175)
{
if (IdentidadeNo[e] == ID_NO_NAO_UTILIZADO)
/*
Se identidade válida */
176)
continue;
177)
if (e != 0) /* Se não for base */
178)
{ /* Exibe */
179)
for (g=0; g<(aux6+4); g++) /* Exibe valores
recebidos */
180)
{
181)
if ((g%3) == 0) /* Se estiver em uma
linha par, é o valor do conversor AD1 */
182)
{
183)
printf("%04d\t", Inteiro[0][y]);
184)
y++;
185)
}
186)
else /* Se estiver em uma linha
ímpar, é o valor do conversor AD0 */
187)
{
RSSFs
188)
76
if (((g+1)%3) == 0) /* Se
estiver em uma linha par, é o valor do conversor AD1 */
189)
{
190)
printf("%04d\t", Inteiro[1][v]);
191)
v++;
192)
}
193)
else
194)
{
195)
printf("%04d\t", Inteiro[2][q]);
196)
q++;
197)
DiferencaTempo =
TemperaturaNo[e][cont_tempo];
198)
cont_tempo++;
199)
printf("%06d\n",
DiferencaTempo); /* Exibe tempo na tela */
200)
}
201)
}
202)
}
203)
}
204)
}
205)
}
206) JaFeito = 0; /* Feito uma vez, zera JaFeito para não exibir mais os
valores na tela*/
207) } while (sppStatus() != SPP_IDLE_MODE);
208) JaFeito = 1; /* JaFeito volta a ser um pois deve ser feita nova exibição
com os novos valores recebidos */
209)
YLED = LED_OFF; /* Terminada, apaga o LED amarelo */
210)
if (RXI.status == SPP_RX_FINISHED) /* Se a recepção foi bem
sucedida */
211) {
212)
GLED = LED_ON; /* Acende o LED verde */
213)
/* Recebe a identificação do nó */
RSSFs
214)
77
IdNo = (BufferRecepcao[0] << 8) + BufferRecepcao[1];
/* Descobre o índice do nó */
215)
for (n = 0; n < MAXIMO_NUMERO_NOS; n++)
216)
{
217)
if (IdentidadeNo[n] == IdNo)
218)
{
219)
IndiceNo = n;
220)
break;
221)
}
222)
else
223)
if (IdentidadeNo[n] == ID_NO_NAO_UTILIZADO)
224)
{
225)
IndiceNo = n;
226)
break;
227)
}
228)
else
229)
IndiceNo = INDICE_NO_INVALIDO;
230)
}
231)
if (IndiceNo != INDICE_NO_INVALIDO)
232)
233)
{ /* Se o índice é válido */
IdentidadeNo[IndiceNo] = IdNo; /* Armazena a identidade do nó
*/
234)
/* Recebe o nome do nó */
235)
for (n = 0; n < TAMANHO_NOME; n++)
236)
NomeNo[IndiceNo][n] = BufferRecepcao[n +
TAMANHO_IDENTIFICACAO];
237)
NumeroValores = BufferRecepcao[ID_MAIS_NOME]; /*
Recebe o número de valores */
238)
*Localizacao = BufferRecepcao[ID_MAIS_NOME + 1];
239)
/* Recepção dos dados */
240)
NumeroValores /= 3;
241)
NumeroValores = (NumeroValores * 10) + 22;
RSSFs
78
242)
for (c=0; c<(NumeroValores*2); c++)
243)
244)
245)
rndKeys[c]=0x00;
246)
247)
248)
249)
c = 0;
250)
aux3 = 0;
251)
for (d=0; d<((((NumeroValores-22)/10)*3)+30); d++)
252)
{
253)
if ((d%4) == 0) /* Se estiver em linhas múltiplas de
4 */
254)
{
255)
Inteiro[0][aux3] = ((rndData[c] << 8) +
rndData[c+1]);
256)
}
257)
else
258)
if (((d-1)%4) == 0) /* Se estiver em linhas
múltiplas de 4 deslocadas de 1 */
259)
{
260)
rndData[c+1]);
261)
aux6++;
262)
}
263)
else
264)
if (((d-2)%4) == 0) /* Se estiver em
linhas múltiplas de 4 deslocadas de 2 */
265)
266)
<< 8) + rndData[c+1]);
{
Inteiro[2][aux3] = ((rndData[c]
RSSFs
267)
79
aux3++;
268)
}
269)
else /* Se estiver em linhas múltiplas
de 4 deslocadas de 3 */
270)
{
271)
TemperaturaNo[IndiceNo][aux4] =
(rndData[c] << 8) + rndData[c+1];
272)
aux4++;
273)
}
274)
c+=2;
275)
}
276)
}
277)
aux6 = (((NumeroValores-22)/10));
278)
aux6 += 2;
279)
aux6 *= 2;
280) }
281) else
282) GLED = LED_OFF; /* Se não é válido, apaga o LED verde */
283) } // Recebe
RSSFs
55
5 MÉTODO PARA PROTEÇÃO DOS DADOS CONTRA
FALHAS DE COMUNICAÇÃO EM RSSFs
A topologia adotada nesta tese apresenta um nó gateway e três nós
sensores concentrados numa região próxima ao cesto da centrífuga. São
suficientes para atender os propósitos dos trabalhos com as âncoras
‘tartaruga’ e da maioria dos trabalhos com a centrífuga do IPT, podendo
ampliar para até 16 nós sensores.
Foi adquirido um sistema de fabricação da Chipcon AS, subsidiária da
Texas Instruments na Noruega, cujas características podem ser consultadas
no Apêndice B. Utilizando o referido sistema nos testes preliminares para
conhecer o princípio de funcionamento, no laboratório do IPT e empregando
softwares simples de aquisição, observou-se os LEDs de controle da placa
(Evaluation Board), especificamente o LED verde (utilizado para verificar o
recebimento dos dados), que ocorriam falhas de comunicação com
conseqüentes perdas de informação.
Além disso, empregando o HyperTerminal do Windows para
observação dos dados aquisitados, observavam-se inconsistências de
tempo entre as leituras. Tal ocorrência é devido aos softwares não preverem
o armazenamento dos dados para envios futuros. Os testes são
apresentados no Capítulo 6.
Essas ocorrências, fez com que o desenvolvimento de um método
para evitar perdas de dados tornasse cada vez mais necessário, visto que
para os ensaios de modelos físicos em centrífuga, perdas de informações
durante sua realização não são aceitáveis.
O método foi desenvolvido do kit de desenvolvimento da Chipcon AS,
podendo ser estendido para qualquer outro sistema, transcrevendo apenas o
pseudo-código para a linguagem de outra plataforma.
O método baseou-se na tecnologia de comunicação via Internet,
sendo as atualizações das telas do computador mediante o envio de pacotes
RSSFs
56
inteiros das informações contidas numa página de website, durante vários
ciclos de transmissão.
Na ocorrência de falha de comunicação num determinado ciclo, o
pacote inteiro é reenviado num outro ciclo e assim sucessivamente até que
se tenha recebido a página inteira e as suas funções específicas (links,
endereços de e-mails, etc).
A diferença do método desenvolvido neste trabalho para essa
tecnologia consiste no envio do pacote de dados sempre atualizado, ou
modificado por novos valores monitorados dos sensores acoplados nos
canais do A/D, a cada ciclo de comunicação, chamado de vetor dinâmico de
dados.
Esse método é baseado na construção de um vetor de dados dentro
do nó sensor a ser enviado ao nó gateway em ciclos de transmissão.
Esse vetor é modificado ou atualizado de acordo com a taxa de
amostragem do A/D e com o processamento do programa na fase de
transmissão do vetor anterior.
O algoritmo implementado no nó sensor (SENSOR) consiste em
aguardar uma liberação do RF (acknowledge) para o pacote ser enviado.
Os valores do conversor A/D são lidos e armazenados na memória
RAM do chip CC1010, no nó sensor.
No momento em que esse pacote de valores do conversor A/D é
liberado, e em processo de envio, é montado um vetor com esses valores,
além dos últimos dois valores da iteração anterior (dos canais do conversor
e do tempo).
Esses dois últimos valores são uma forma de checagem de que não
houve perdas durante as transmissões, mesmo que tenham ocorrido falhas
de comunicação. Esta checagem é feita pelo software de gerenciamento
desenvolvido na plataforma denominada de LabVIEW.
Com o vetor pronto, à medida que não ocorre a sua liberação para o
envio, acontecem novas aquisições que serão montadas em novas linhas
deste vetor e enviadas na próxima iteração.
RSSFs
57
Assim, os dois últimos valores dessa última iteração são incorporados
no novo vetor.
No nó gateway este vetor é transformado em uma matriz de dados e
enviado ao computador.
Após essa implementação, outros testes são realizados para verificar
se houve aumento do tempo de atraso e conseqüentemente perdas de
pacotes de dados.
Na Figura 5.1 é apresentado o método na forma de diagrama de
blocos.
Figura 5.1 – Diagrama de blocos da metodologia desenvolvida
Para o método funcionar foram desenvolvidos dois softwares, sendo o
primeiro (software embarcado), em linguagem C, para a monitoração de três
canais do A/D do nó sensor e controle pelo nó gateway. O segundo, na
plataforma LabVIEW, para gerenciamento dos dados do sistema sem fios,
sendo os softwares complemento do outro para que o método possa
RSSFs
58
funcionar e garantir a integridade dos dados contra falhas de comunicação
(transmissão e recepção dos sinais de RF).
5.1 SOFTWARE EMBARCADO
O desenvolvimento do programa para os nós sensor e gateway
passou por diversas versões devido aos vários problemas enfrentados com
atrasos e perdas significativas de dados, até obter um algoritmo mais
eficiente. Foram mantidas algumas implementações das primeiras versões,
as quais funcionavam adequadamente. No início do programa foram
implantadas todas as bibliotecas disponíveis e necessárias para o
desenvolvimento. São definidas e declaradas todas as variáveis globais
utilizadas, algumas gravadas na memória RAM externa, outras na interna.
Além dessas variáveis, foram definidos os endereços de memória
reservados para criptografia e interrupção de Timer 2, sendo essa última
utilizada para contagem de tempo.
A decisão do uso da técnica de criptografia e de um protocolo de
comunicação sem fio chamado SPP (utilizada também como interface para
diversas outras tecnologias como o Bluetooth e Zig Bee e implementada no
IEEE-P-1451-5) foi de evitar invasões indesejáveis. Não foi possível
introduzir nenhuma das tecnologias como o Bluetooth (IEEE 802.15.1), Zig
Bee (IEEE 802.15.4) e o IEEE 802.11, descritas no Capítulo 3 desta tese,
pois o sistema da Chipcon opera na banda de 868 MHz, muito abaixo da
banda de freqüência destes protocolos. No Apêndice C o programa é
apresentado na sua íntegra, sendo a parte relativa ao método em detalhes
contendo explicações de cada linha de programação nos itens 5.3 e 5.4
deste capítulo.
A seguir é apresentado o programa de gerenciamento dos dados pelo
microcomputador,
desenvolvido
na
plataforma
LabVIEW,
complemento do programa embarcado nos nós sensor e gateway.
sendo
59
RSSFs
5.2 SOFTWARE LABVIEW PARA GERENCIAMENTO DOS DADOS
O
programa
desenvolvido
na
plataforma
LabVIEW
para
o
gerenciamento dos dados obtidos pelo sistema sem fios foi baseado na
tecnologia de instrumentação virtual bastante empregada no meio
acadêmico-científico e industrial.
É atualmente uma tecnologia de ponta que permite avanços
significativos na automação e instrumentação em diversas áreas de atuação
da sociedade.
Esta tecnologia disponibiliza diversos recursos automáticos com
implementações das normas e padrões IEEE – 1451.
O programa captura os dados pela porta serial (como ocorre com o
HyperTerminal do Windows) separando os valores de cada canal e o tempo.
Verifica se houve perda de pacotes de dados pela checagem dos
dados repetidos de cada iteração, informa quantos pacotes foram perdidos,
monta os dados em uma tabela, grava-os em um arquivo definido pelo
usuário no disco rígido e finalmente apresenta os dados em displays digitais
e gráficos na tela do computador.
No Apêndice E, este programa está apresentado por uma tela
interativa na Figura E.1 e o diagrama de seus comandos na Figura E.2. Na
Figura 5.2 é apresentado um fluxograma que permite visualizar os
comandos de controle do programa.
RSSFs
60
Figura 5.2. – Fluxograma dos comandos executados no LabVIEW
5.3 DETALHAMENTO DO SOFTWARE EMBARCADO
No início do programa foi feita a prototipagem das funções a serem
utilizadas no restante da programação. A seguir foram definidas todas as
constantes que serão utilizadas ao longo de toda a programação.
O programa principal é dividido em diversas partes distintas descritas
a seguir:
- Configuração e ajustes da rádio freqüência: para o cristal oscilador de
22,1184 MHz, freqüência de 868,2772 MHz para transmissão e recepção, foi
configurada a taxa de dados de 38,4 kbaudrate de RF, formato de dados
NRZ, potência de saída de 4dBm e RSSI desabilitado.
RSSFs
61
- Definição de periféricos: apagam-se os LEDs da Evaluation Board, bem
como se desabilita o Watchdog do sistema (nó sensor e gateway).
- Macros para ajustes de velocidade e potência: os ajustes foram feitos
para maior velocidade possível de processamento e consumo de potência
máxima (40 mA).
- Configuração do conversor A/D: foi selecionado o modo de conversão
contínuo normal, com referência de tensão de alimentação do nó (3 Volts),
tendo como base de tempo a freqüência do cristal (22,1184 MHz). Após esta
configuração, apenas liga-se o conversor e inicia-se a aquisição de dados.
Vale ressaltar que são duas situações distintas, ligar o conversor e depois
aquisitar os dados. Caso seja feita apenas o ajuste para iniciar a aquisição,
sem fazê-lo aquisitar, não será possível ler os valores dos canais desse
conversor.
- Configuração do SPP: configuração do modo de envio e recepção dos
dados. Foi utilizado o formato SPP (protocolo simples de comunicação sem
fios, descrito no Capítulo 3), que está disponível em uma das bibliotecas
utilizadas pelo programa. Nessa parte do programa são associados alguns
parâmetros às configurações desse modo de comunicação, tais como o
endereço na memória onde os dados recebidos serão armazenados, o
tamanho do dado a ser transmitido, o intervalo máximo de espera para que
seja feita a recepção, tempo de reconhecimento de transmissão, número de
bytes transmitidos, tamanho máximo da informação e flags de comunicação.
- Configuração e inicialização do Timer 2: foi utilizada a interrupção de
Timer 2 para gerar uma base de tempo de 1 ms, o qual será aproveitado
para contagem do tempo entre amostras dos conversores. Este tempo é
considerado o mesmo para a amostra dos três canais do A/D.
- Configuração da comunicação serial: foi configurado para 115.200 bps,
freqüência de clock do cristal (22,1184 MHz), sem paridade para
transmissão e recepção, habilita o flag para checar se o byte transmitido já
chegou ao seu destino.
O programa foi construído para realização de tarefas no nó gateway
(BASE) e ao nó sensor (SENSOR).
RSSFs
62
O método para proteção dos dados contra falhas de comunicação
está detalhada abaixo e as linhas de programação se encontram no item a
seguir e ao final deste Apêndice. Na Figura C.1 é apresentado o fluxograma
dos comandos executados no nó sensor.
Figura 5.3. – Fluxograma dos comandos executados no nó sensor
Na linha 1 é apresentado um texto introduzindo a rotina de
transmissão. Na linha 2 é usada uma sintaxe de envio de dados pelo
protocolo SPP. Da linha 3 até a linha 29 é um controle que utiliza a estrutura
(do-while) ao qual se realiza as aquisições dos valores dos canais ADC0,
ADC 1, e ADC2 do A/D (velocidade é de 1004 S/s por canal), no qual o
controle não utiliza toda a velocidade disponível, bem como o tempo de cada
aquisição. Na linha 30 é apresentado um texto explicando as rotinas da linha
seguinte. Na linha 31 é uma condição para que a estrutura do, da linha 3,
possa ser executada, ou seja, enquanto o nó sensor não estiver pronto para
transmitir, a estrutura (do) constrói o vetor de dados. Na linha 32 é a
RSSFs
63
inicialização do contador usado na estrutura (for-to-do) abaixo de sua linha,
descrito a seguir.
Na linha 33 até 39 há uma estrutura (for-to-do) para realizar a
inserção dos dois últimos valores aquisitados (ADC0, ADC1 ADC2 e o
tempo) nas duas primeiras linhas do vetor subseqüente. Nas linhas 40 a 72
é criada uma estrutura (for-to-do) para reagrupar no vetor que recebeu as
duas linhas iniciais com os dois últimos valores da interação anterior, os
novos valores aquisitados. Na linha 73 é preparada a transmissão do
número de valores aquisitados na rotina de transmissão.
Na linha 74 existe uma instrução que envia o endereço de onde está
armazenado o segredo da criptografia na memória RAM que será detalhado
mais adiante. Nas linhas 75 e 76 é preparado o envio de todos os dados
relativos aos valores do A/D e o tempo, separados em bytes. Das linhas 77 a
82 ocorre uma rotina que armazena os dois últimos valores aquisitados na
atual iteração para serem enviados na próxima iteração no vetor novo. Na
linha 83 é apresentado um texto indicando o final da rotina de transmissão.
Como dito anteriormente, para garantir a integridade dos dados contra
a possível invasão indesejável, foi introduzida a técnica de criptografia em
conjunto com o protocolo SPP. A Chipcon permite utilizar a criptografia de
dois modos: a simples e a tripla. Foi adotado o modo simples de criptografia,
disponível em uma das bibliotecas do chip, pois como o sistema possui um
protocolo (SPP) que já garante alguma segurança.
Conforme orientação do fabricante, para realizar a criptografia, devese atribuir um endereço da memória RAM do chip CC1010, múltiplos de 8
(bytes) para o endereço de dados e outro endereço dessa mesma memória,
também múltiplos de 8 para os bytes do segredo da criptografia. É
importante salientar, de antemão, que os endereços dos dados e do
segredo, bem como as posições de memória devem ser idênticos, tanto para
o nó sensor quanto para o nó gateway. Além disso, é importante observar
que os dados criptografados, são escritos na memória RAM, a partir da
posição pré-estabelecida, são sobrescritos em sua própria variável. A seguir
RSSFs
64
são descritas as sintaxes para as funções de criptografia e do protocolo que
vai da linha 84 até 103.
Na linha 84 é apresentado um texto fazendo uma citação do que as
instruções abaixo representam. Nas linhas 85 e 86 são definidas duas
constantes e seus respectivos tamanhos para a criptografia. Na linha 87
outro texto faz uma citação do que as linhas subseqüentes realizam. Nas
linhas 88 e 89 são definidos dois endereços na memória RAM para a
criptografia, sendo o primeiro para os dados e o segundo para o segredo. Na
linha 90 é apresentado um texto citando as tarefas das linhas abaixo. Nas
linhas 91 e 92 são ajustados os tamanhos dos endereços dos buffers da
memória RAM de acordo com o tamanho das constantes definidas.
Na linha 93 outro texto faz citação às linhas subjacentes. Nas linhas
94 e 95 são criadas variáveis com tamanho definido pelas constantes de
criptografia. Na linha 96 há outro texto citando que o que os comandos das
linhas adjacentes realizam na programação do nó sensor. Nas linhas 97 e 98
é criada uma estrutura (for-to-do) para gerar o segredo, que inicialmente é
atribuído o valor zero (0). Na linha 99 alocam-se na memória RAM os
valores do segredo associando-os ao respectivo buffer.
Na linha 100 alocam-se, na memória RAM, os dados criptografados
associando-os ao respectivo buffer. Na linha 101 possui o comando que faz
a criptografia dos dados usando o modo simples. Nas linhas 102 e 103
ocorrem as rotinas para preparar o envio desses dados criptografados
conforme escrito também nas linhas 70 a 72, já explicados anteriormente.
No nó gateway (BASE), foi desenvolvida a recepção desses dados
bem como o processamento dos mesmos, ou seja, o pacote quando enviado
pelo nó sensor é recebido como um vetor no nó gateway, tendo que ser
transformado em uma matriz de dados, como já mencionado anteriormente.
No nó sensor leva-se um determinado tempo para a liberação do
pacote, nesse momento são realizadas as aquisições dos dados. Da mesma
forma acontece com a BASE, quanto ao tempo para a aceitação do pacote,
nesse instante os valores aceitos anteriormente são exibidos na tela do
computador. Este procedimento deve ser realizado uma vez apenas por
RSSFs
65
pacote, será exibida no computador a mesma informação várias vezes.
Como dito anteriormente, o registro dos nós é muito importante para
identificação na rede de sensores, para que não haja conflito entre os
mesmos. Para registrar os nós, deve-se abrir o HyperTerminal do Windows,
apertar a tecla ‘n’ e digitar o nome desejado ao nó até o limite de 20
caracteres.
Na linha 104 é apresentado um texto indicando que as linhas abaixo é
a programação para o nó gateway. Nas linhas 105 e 106 ocorrem rotinas
para preparar a recepção dos dados ainda criptografados. Nas linhas 107 e
108 é criada uma estrutura (for-to-do) para gerar o segredo para a recepção,
é atribuído o valor zero (0), conforme criado no envio. Nas linhas 109 e 110
ocorrem as mesmas operações das linhas 99 e 100 só que para a
decriptografia. Na linha 111 é o comando que faz a decriptografia dos dados
usando o modo simples.
Na linha 112 é apresentado um texto que indica as tarefas definidas
nas linhas abaixo. Nas linhas 113 a 115 são constantes para uso do
protocolo SPP, tanto para transmissão como para recepção.
Na linha 116 é apresentado um texto sobre as rotinas transcritas nas
linhas abaixo. Nas linhas 117 a 121 são definidas as variáveis que serão
utilizadas na aplicação do protocolo. Na linha 122 é comentado o início do
programa principal para os nós sensor e gateway. Das linhas 123 a 131 são
informadas as respectivas configurações definidas no software Smart RF
Studio para os nós sensor e gateway. Das linhas 132 a 146 são definidos os
parâmetros de configuração da RF definidos também no software Smart RF
Studio. As linhas 147 até 157 são definidas as configurações do SPP
definidas
somente
para
este
programa.
Depois
é
apresentado
o
complemento das instruções de transmissão dos dados do nó sensor para o
nó gateway, e transcritos no próximo item e ao final deste Apêndice.
Nas linhas 158 a 167, existe um texto resumido, pelas linhas de
comando, informando o que é realizado no nó sensor e no nó gateway.
Na linha 168 apresenta-se o comando que recebe o pacote de dados
enviados, fazendo uso do protocolo SPP. Logo após, na linha 169 é iniciada
RSSFs
66
uma sub-rotina do-while que vai até a linha 207. Essa sub-rotina faz com que
os valores aquisitados na iteração anterior sejam exibidos na tela, pela porta
serial.
Dentro dessa estrutura, na linha 171 é verificado se houve a prévia
exibição dos valores aquisitados, para que não sejam exibidos os mesmos
valores várias vezes nesta iteração. Conforme comentário da linha 173, o nó
gateway realiza uma varredura de todos os nós sensores que enviam dados,
e exibe-os na tela para cada um desses nós.
Na linha 174 até 177 é feita uma checagem para saber se a
identidade do nó sensor é válida ou se o nó em questão é o gateway. Caso
seja um desses dois casos, o valor na tela não é exibido.
Da linha 178 até 205, os valores do A/D aquisitados, bem como o
tempo recebido são exibidos na tela do computador, no software
desenvolvido no LabVIEW, e na linha 206 é zerada a variável após os
valores terem sido exibidos na tela. Na linha 207 a estrutura do-while
termina, conforme citado acima.
Na linha 208, é ajustada novamente a variável ‘JaFeito’ para exibição
dos valores da próxima iteração. Após, o LED amarelo é aceso, e caso a
recepção seja bem sucedida, acende-se o LED verde da placa BASE
(comandos descritos nas linhas 209 a 212).
Na linha 213 ocorre um texto explicativo das linhas subseqüentes. Já
na linha 214 a 233 é feita a recepção da identidade do nó e o índice (ordem
de registro do nó na rede). Caso o nó não esteja registrado na rede, o
programa atribui uma identidade não utilizada, ao qual não serão exibidos os
valores enviados por este nó sensor no computador. Todos os nós devem
ter nomes diferentes e serem registrados e reconhecidos pela rede. Na linha
234 possui um texto explicando as linhas abaixo. Nas linhas 235 e 236,
recebe-se o nome do nó, dado pelo HyperTerminal do Windows.
Encerrando essa etapa, na linha 237, é recebido o número de valores
enviados para realizar cálculos sobre quantos valores devem ser tratados e
exibidos.
RSSFs
67
Na linha 238 é criado um ponteiro que armazenará os valores
criptografados recebidos, num local da memória RAM. Esse ponteiro tem a
função de indicar o lugar aos quais os dados serão alocados. Na linha 239
possui um texto que explica as linhas abaixo dele.
Da linha 240 a 242, é feito um cálculo para recepção de todos os
valores dos conversores e do tempo.
Nas linhas 244 e 245 é criada uma sub-rotina para receber a chave da
criptografia (para que seja possível decriptografar os dados).
Da linha 246 a 248 é alocada na memória RAM os valores dos dados
criptografados e os já decriptografados.
Na linha 249 e 250 zeram-se duas variáveis que serão utilizadas na
recepção dos valores. Da linha 251 a 276, separam-se os valores
aquisitados
(sub-rotina
for-to-do),
na
ordem
dos
valores
enviados
(primeiramente o ADC1, depois o ADC0, seguido pelo ADC2 e finalizando
com o tempo da aquisição).
A montagem da matriz é feita da seguinte forma: são montados
vetores com quatro valores, que serão exibidos na próxima iteração, um
após o outro, com uma quebra de linha entre eles.
Nas linhas 277 a 279 é feito um cálculo para que sejam exibidos todos
os valores da aquisição, pela variável ‘aux6’.
A linha 280 é o final do processamento dos dados quando o pacote
recebido for válido. Caso isto não ocorra, nas linhas 281 e 282, o LED verde
é apagado. Encerra-se a sub-rotina de recepção na linha 283.
Na Figura 5.4 são apresentados os comandos executados no nó
gateway, dando seqüência nas explicações das demais linhas de comando
do programa.
RSSFs
68
Figura 5.4 – Fluxograma de comandos executados no nó gateway
5.4 MÉTODO DESENVOLVIDO NO SOFTWARE EMBARCADO
•
Método Proposto:
1)
2)
3)
do
4)
5)
6)
{
YLED = LED_ON;
7)
ADC_RUN(TRUE);
RSSFs
8)
9)
69
10)
(AD1) */
11)
12)
b++;
13)
14)
ADC_RUN(TRUE);
15)
16)
17)
(AD0) */
18)
b++;
19)
20)
ADC_RUN(TRUE);
21)
22)
23)
(AD2) */
24)
b++;
25)
26)
27)
b++;
28)
29)
}
30)
31)
RSSFs
70
32)
33)
*/
34)
{
35)
36)
37)
//printf("UltimoValor[%d%d] = %d\n",xis,xis,UltimoValor[xis]);
38)
contador2 += 2;
39)
}
40)
41)
{
42)
if ((xis%4)==0)
43)
{
44)
45)
46)
a++;
47)
}
48)
else
49)
{
50)
if (((xis-1)%4)==0)
51)
{
52)
8) ;
53)
54)
h++;
55)
}
56)
else
57)
{
58)
if (((xis-2)%4)==0)
59)
{
RSSFs
60)
rndData[contador2]
71
=
61)
rndData[contador2
+
1]
=
62)
z++;
63)
}
64)
else
65)
{
66)
rndData[contador2]
=
67)
rndData[contador2
+
1]
=
68)
}
69)
}
70)
}
71)
contador2 += 2;
72)
}
73)
74)
75)
76)
77)
78)
{
79)
80)
81)
b++;
82)
}
83) } // Transmite
•
Criptografia:
84) // Constantes de criptografia
RSSFs
72
85) #define RND_LENGTH 220
86) #define KEY_LENGTH 8
87) // Definindo os endereços para criptografia
88) #define RAMBUF_ADDRESS 0x0000
89) #define CRPKEY_ADDRESS 0x0150
90) // Ajustes dos buffers de RAM para criptografia
91) byte xdata ramBuf[RND_LENGTH] _at_ RAMBUF_ADDRESS;
92) byte xdata keyBuf[KEY_LENGTH] _at_ CRPKEY_ADDRESS;
93) // Arrays que serão inicializadas com bytes randômicos
94) byte xdata rndData[RND_LENGTH];
95) byte xdata rndKeys[KEY_LENGTH];
96) // Programa no nó sensor
97)
98)
rndKeys[xis]=0x00;
99)
100) memcpy(ramBuf, rndData, RND_LENGTH);
101) halDES(DES_SINGLE_DES | DES_ENCRYPT | DES_CFB_MODE,
102) for (xis=0; xis<(contador2); xis++)
103) BufferTransmissao[ID_MAIS_NOME + xis + 2] = rndData[xis] & 0xFF;
104) // Programa no nó gateway
105)
for (c=0; (c<(NumeroValores)); c++)
106)
107)
108)
rndKeys[c]=0x00;
109)
110)
111)
•
SPP:
112) // Valores relacionados à rádio-freqüência
RSSFs
113) #define ENDEREÇO_TRANSMISSAO
114) #define INTERVALO_RECEPCAO
115) #define BYTES_PRIMARIOS
3
25
10
116) // Variáveis do SPP
117) SPP_SETTINGS xdata sppSettings;
118) SPP_RX_INFO xdata RXI;
119) SPP_TX_INFO xdata TXI;
120) byte xdata BufferRecepcao[250];
121) byte xdata BufferTransmissao[250];
122) // Programa principal (iniciando com informações de configuração)
123) // X-tal frequency: 22,1184 MHz
124) // RF frequency A: 868.277200 MHz
Rx
125) // RF frequency B: 868.277200 MHz
Tx
126) // RX Mode: Low side LO
127) // Frequency separation: 64 kHz
128) // Data rate: 38.4 kBaud
129) // Data Format: NRZ
130) // RF output power: 4 dBm
131) // IF/RSSI: RSSI Disabled
132) RF_RXTXPAIR_SETTINGS code RF_SETTINGS = {
133)
0xA3, 0x2F, 0x15,
// Modem 0, 1 and 2
134)
0x75, 0xA0, 0x00,
// Freq A
135)
0x58, 0x32, 0x8D,
// Freq B
136)
0x01, 0xAB,
137)
0x40,
// PLL_RX
138)
0x30,
// PLL_TX
139)
0x6C,
// CURRENT_RX
140)
0xF3,
// CURRENT_TX
141)
0x32,
// FREND
142)
0xFF,
// PA_POW
143)
0x00,
// MATCH
144)
0x00,
// PRESCALER};
// FSEP 1 and 0
73
RSSFs
145)
// Calibration data
146)
147)
148)
sppSetupRF(&RF_SETTINGS, &RF_CALDATA, TRUE); /*
74
Configuração da forma de amostra simples */
1)
sppSettings.myAddress = ENDEREÇO_TRANSMISSAO;
/*
Endereço da comunicação */
149)
recepção */
150)
151)
sppSettings.txPreambleByteCount = BYTES_PRIMARIOS; /*
Número de bytes transmitidos */
152)
153)
RXI.pDataBuffer = BufferRecepcao;
/* Associa RXI.pDataBuffer ao
154)
(endereço 0) */
155)
156)
TXI.pDataBuffer = BufferTransmissao; /* Associa TXI.pDataBuffer ao
157)
TXI.dataLen = TAMANHO_DADO;
/* Tamanho do dado
transmitido */
•
Transmissão
158)
// Transmite
159)
160)
do
75
RSSFs
•
Recepção
163)
// Recebe
164)
165)
do
168)
169) do
170) {
171)
172)
{
173)
/* Analiza
174)
175)
{
/*
176)
continue;
177)
178)
{ /* Exibe */
179)
recebidos */
180)
{
181)
182)
{
183)
184)
y++;
185)
}
186)
187)
{
RSSFs
188)
76
if (((g+1)%3) == 0) /* Se
189)
{
190)
191)
v++;
192)
}
193)
else
194)
{
195)
196)
q++;
197)
DiferencaTempo =
198)
cont_tempo++;
199)
printf("%06d\n",
200)
}
201)
}
202)
}
203)
}
204)
}
205)
}
206) JaFeito = 0; /* Feito uma vez, zera JaFeito para não exibir mais os
valores na tela*/
207) } while (sppStatus() != SPP_IDLE_MODE);
208) JaFeito = 1; /* JaFeito volta a ser um pois deve ser feita nova exibição
209)
YLED = LED_OFF; /* Terminada, apaga o LED amarelo */
210)
if (RXI.status == SPP_RX_FINISHED) /* Se a recepção foi bem
sucedida */
211) {
212)
213)
RSSFs
214)
77
215)
216)
{
217)
218)
{
219)
IndiceNo = n;
220)
break;
221)
}
222)
else
223)
224)
{
225)
IndiceNo = n;
226)
break;
227)
}
228)
else
229)
230)
}
231)
232)
233)
*/
234)
235)
236)
237)
238)
239)
240)
NumeroValores /= 3;
241)
RSSFs
78
242)
243)
244)
245)
rndKeys[c]=0x00;
246)
247)
248)
249)
c = 0;
250)
aux3 = 0;
251)
252)
{
253)
4 */
254)
{
255)
rndData[c+1]);
256)
}
257)
else
258)
múltiplas de 4 deslocadas de 1 */
259)
{
260)
rndData[c+1]);
261)
aux6++;
262)
}
263)
else
264)
if (((d-2)%4) == 0) /* Se estiver em
linhas múltiplas de 4 deslocadas de 2 */
265)
266)
<< 8) + rndData[c+1]);
{
RSSFs
267)
79
aux3++;
268)
}
269)
de 4 deslocadas de 3 */
270)
{
271)
272)
aux4++;
273)
}
274)
c+=2;
275)
}
276)
}
277)
278)
aux6 += 2;
279)
aux6 *= 2;
280) }
281) else
282) GLED = LED_OFF; /* Se não é válido, apaga o LED verde */
283) } // Recebe
80
TESTES, MATERIAIS, MÉTODOS E ENSAIOS REALIZADOS
“Pouco esforço é preciso para demonstrar que,
longe de se excluírem, essas duas tarefas se
complementam e iluminam”
(Ramón Y Cajal)
81
6 TESTES, MATERIAIS, MÉTODOS E ENSAIOS REALIZADOS
6.1 TESTES DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA ADOTADO
Um dos primeiros testes realizados teve como objetivo conhecer e
verificar o funcionamento do sistema sem fios adotado. Para isto, foi utilizado
como base um software desenvolvido pelos (GRECI; LIU; SAUCIER, 2004) e
disponível para o público no site da University of Connecticut, cujo propósito
foi o de monitorar o sensor de temperatura embutido nos nós. Esse software
permite fornecer os valores de temperatura do nó sensor e do nó gateway e
os valores dos tempos de atraso de cada sinal.
O software foi modificado (eliminação de algumas funções como
avisos sonoros) para oferecer maior velocidade de processamento, maior
eficiência na transmissão e recepção, resultando em melhorias significativas
em relação ao original.
Os testes realizados no IPT com esse software apontaram que o nó
sensor funciona satisfatoriamente a uma distância de 100 metros com visada
direta (sem obstáculos), com atrasos da ordem de 20 ms a 30 ms, mesmo
tempo que ocorre quando o nó sensor está próximo do nó gateway (BASE).
Esse tempo de atraso é provocado pelos comandos do próprio software.
Testes de velocidade do A/D foram realizados com o mesmo software,
neutralizando algumas linhas de comando, melhorando o desempenho do
sistema, verificando-se uma leitura com intervalos de 3 a 5 ms (utilizando a
função single-conversion mode) para a aquisição de dados dos nós sensor e
gateway.
Com a presença de obstáculos, como paredes de alvenaria (três
paredes), divisórias de madeira até o teto (duas paredes) e portas fechadas
(três portas), o nó sensor foi capaz de ser detectado em até 20 metros de
distância do nó gateway sem mudanças de tempo de atraso, acima desta
82
distância (20 e 60 metros) ocorreram atrasos superiores a 100ms, com
falhas de comunicação intermitentes.
A BASE e a placa de avaliação foram alimentadas por uma fonte
chaveada DC da Tectronix, modelo PS 283. O nó sensor quando próximo à
BASE também era alimentado com a mesma fonte. Quando afastado, era
alimentado por uma bateria de 3,0 Volts. Esses testes foram realizados com
baixa potência de transmissão (9,1 mA) e de processamento (4 mA).
Uma das dúvidas que surgiu em relação ao sistema adotado era se
seria capaz de operar em movimento como ocorre com os sistemas móveis
embarcados
apresentados
nos
trabalhos
de
(NAKAMURA,
2003;
LOUREIRO; MATEUS, 1998; LOUREIRO, 2006).
A posição onde os nós sensores são instalados durante os testes de
modelos na centrífuga estará em permanente movimento (próximo ao cesto),
com velocidade de aproximadamente 422 rpm, num raio de 0,75 m. Outra
dúvida que surgiu sobre o sistema se seria capaz de enviar os sinais para o
meio externo da centrífuga, sendo o cesto e a carcaça da centrífuga
constituídos de chapas de aço e poderiam criar uma barreira para a
passagem do sinal RF.
Foram realizados três testes de funcionamento do sistema utilizando o
mesmo software, sendo o primeiro teste realizado com o nó sensor próximo
à BASE.
É apresentado na Figura 6.1 o painel frontal do HyperTerminal
indicando que as leituras do nó sensor apresentavam 20 ms e 30 ms de
atraso. No segundo teste, o nó sensor foi posicionado dentro do cesto da
centrífuga e a tampa da mesma foi fechada para observação das medidas
na condição com o cesto sem movimento, os dados apresentados na Figura
6.2 indicam que não houve mudanças no tempo de atraso em relação à
condição do nó sensor próximo à BASE.
No terceiro teste, a centrífuga foi acionada para operar a 150 g, com
velocidade de aproximadamente 422 rpm, condições de testes com os
modelos de âncoras “tartaruga”.
Figura 6.1 – Valores obtidos durante a aquisição de dados do nó sensor
próximo à base
dentro do cesto da centrífuga sem movimento
83
84
dentro do cesto da centrífuga em movimento
Na Figura 6.3 verifica-se que não houve diferenças no tempo de
atraso nessas condições com o nó sensor próximo à BASE, mostrando que
o sistema opera satisfatoriamente em movimento e com a barreira imposta
pela centrífuga, mesmo utilizando baixa potência de transmissão. A
observação quanto ao desempenho obtido nesta rede, em termos de tempo
de atraso, foi considerado inexistente pelas condições desfavoráveis
oferecidas pela centrífuga. O tempo de atraso obtido nessas três situações é
uma dependência exclusiva do programa utilizado, da quantidade de tempo
requerida da carga de tráfego da conexão entre o nó sensor e o nó gateway
e do nó gateway para processar e encaminhar as mensagens ao host,
conforme os trabalhos de (ROMBALDI, 1994; SOUZA, 1994; TAVARES,
2002).
Outros testes foram realizados fora da centrífuga para obter valores
do canal do sensor de temperatura desconectado e com o segundo canal
livre. Foram, então, realizadas alterações neste software para permitir estas
operações, mantendo a função single-conversion mode. O teste para
verificação do funcionamento de dois canais simultâneos foi realizado
utilizando um gerador de funções da marca Hewlett Packard, modelo 3245A,
85
de dois canais. O teste foi realizado com a introdução de dois sinais
analógicos constantes nos canais ADC0 e ADC1 no conversor A/D do nó
sensor. A etapa seguinte foi desenvolver um algoritmo baseado no mesmo
software que permitisse fazer aquisição de sinais com até três sensores no
mesmo nó e a introdução do método para garantir a integridade dos dados
contra falhas de comunicação.
6.2 TESTES DE FUNCIONAMENTO DO MÉTODO DESENVOLVIDO
Durante o desenvolvimento do método para a proteção dos dados
contra falhas de comunicação, por meio dos softwares já discutidos no
Capítulo 5, tornou-se necessária a realização de diversos testes. Esses
testes foram conduzidos para verificar o tempo de atraso das medições na
transmissão e na exibição dos dados na tela do computador e eventuais
perdas de pacotes. Verificou-se a ocorrência de vários problemas que,
associados, geravam atrasos significativos ou até perdas de pacotes inteiros
de dados. Esses problemas são, o tempo de processamento do nó sensor
para gerenciar a taxa de aquisição de dados do A/D, escrita dos dados na
memória do chip e sua transmissão para o nó gateway (gerando atrasos da
ordem de 15 ms), a aceitação do pacote e processamento dos dados no
mesmo, transferência dos dados pela porta serial, e o processamento do
software no microcomputador e apresentação na tela, gerando um atraso de
até 20ms e perdas eventuais de pacote de dados.
A etapa seguinte foi elaborar um algoritmo mais eficiente. Após a
implementação destes algoritmos, outros testes foram realizados para
verificar se houve aumento do tempo de atraso e perdas de pacotes de
dados. Foi constatado que, de todos os problemas que contribuem para o
tempo de atraso, o processamento com a implementação do método para
proteger os dados contra falhas de comunicação, não contribuiu para o
aumento do mesmo, até melhorou.
86
Outros testes foram realizados para observar as falhas de
comunicação durante o funcionamento da rede de sensores, visto que o
atraso na transmissão do pacote de dados foi reduzido em relação aos
programas anteriores. O atraso de transmissão observado durante a
realização dos testes de monitoramento de três canais, com a última versão
de programa com o método para proteção dos dados contra falhas de
comunicação, nas condições da centrífuga em vôo5, atingiu valores próximos
a 10 ms, com intervalo de tempo de aquisição dos canais do A/D. Os
primeiros
resultados,
nas
primeiras
versões,
apresentaram
perdas
significativas de pacotes com até 37%.
Tabela 6.1. – Testes comparativos entre os parâmetros de tempo de
amostragem e tempo de atraso
Tempo de
amostragem
(ms)
5
Tempo
de
atraso
Número
Total de
Pacotes
pacotes perdidos
de linhas
pacote
%
Número
de testes
(ms)
3
10
9049
0
12
0,00
4
5
12
8422
0
11
0,00
3
8
16
9692
27
9
0,28
3
13
20
8880
18
7
0,20
3
18
29
10183
55
6
0,54
4
23
34
10513
15
5
0,14
4
28
37
8772
59
5
0,67
4
33
39
8316
276
5
3,32
3
43
56
9642
0
4
0,00
3
50
61
7685
0
4
0,00
3
70
78
6243
0
4
0,00
4
O termo ‘centrífuga em vôo’ significa dizer que o cesto da mesma está girando em torno de seu eixo
principal.
87
Os resultados serão discutidos no Capítulo 7. Na Tabela 6.1 são
apresentados os valores denominados de tempo de amostragem que foram
capturados nos canais do A/D e os respectivos atrasos, bem como perdas
de pacotes e finalmente, o tamanho de linhas por pacote de envio do nó
sensor.
6.3 CIRCUITO DESENVOLVIDO
Devido aos resultados contidos na Tabela 6.1, aos quais, para alguns
ajustes de tempo de amostragem de dados do A/D, ocorreram atrasos e
perdas de pacotes. Estes efeitos foram provocados pela velocidade de
processamento no nó sensor e gateway. Assim sendo, a construção de um
novo circuito se fez necessária para contribuir na melhora do desempenho
do hardware e propiciar resultados satisfatórios nos testes.
Neste sentido, após estudos dos manuais da (CHIPCON, 2003,
2004), verificou-se a possibilidade de aumentar o desempenho do sistema
adotado.
Para realizar mudanças na arquitetura original do hardware dos
Evaluation Modules, com o propósito de melhorar o desempenho do
sistema, definiram-se duas estratégias.
A primeira estratégia foi aumentar a velocidade de processamento e a
taxa de aquisição de dados, foi necessário modificar a taxa de transmissão
de 19,2 kbaudrate para 38,4 kbaudrate na configuração das placas, foi
preciso trocar o cristal oscilador de 14,7456 MHz para um de 22,1184 MHz.
Esta modificação melhorou o desempenho em aproximadamente 33%.
A segunda estratégia foi retirar as curvas de calibração dos sensores
do algoritmo nos nós sensores e incorporá-las no software de gerenciamento
feito no LabVIEW. Esse procedimento evita a sobrecarga de processamento
destes nós.
88
Devido à necessidade do desenvolvimento de uma nova placa para
atender a primeira estratégia, pensou-se na diminuição das dimensões para
conseguir a miniaturização do sistema. Foram realizados novos estudos
para a otimização do circuito, ou seja, decidir sobre a exclusão de algumas
funções não utilizadas nos trabalhos com a centrífuga (relógio, sensor de
temperatura
embutido,
RSSI),
eliminando
assim
componentes
desnecessários.
Outros componentes foram analisados para verificar a utilidade nos
propósitos desta tese. O circuito foi construído numa placa protoboard para a
realização de testes com o sistema que já está em funcionamento, e com o
auxílio dos equipamentos disponíveis na infra-estrutura do laboratório no
IPT. Foi constatado que mesmo com a redução de funções e componentes,
a diminuição da placa ocorreria em menos de 10% do tamanho original. Tal
estudo revelou que os benefícios seriam muito pequenos em desenvolver
novas placas, a decisão final foi manter o mesmo projeto original do
fabricante.
Após a confecção das novas placas, mantendo o projeto do
fabricante, e a substituição do cristal oscilador nos nós sensores e gateway,
foram realizados novos testes de funcionamento do método e monitoração
do seu desempenho.
6.3.1 Testes após substituição do cristal oscilador
Foram realizados três tipos de testes, sendo o primeiro realizado com
apenas um nó sensor empregando os três canais de conversão
analógico/digital. O segundo teste foi realizado com dois nós sensores e os
três canais de conversão A/D. O terceiro e último teste foi realizado com três
nós sensores e os três canais de conversão. Todos os testes foram
realizados com os nós sensores dentro do cesto da centrífuga, com
centrifugação a 150 g. Sendo que o primeiro nó sensor foi conectado com
três sensores (eixo x do medidor de inclinação no canal 0, eixo y do medidor
89
de inclinação no canal 1 e a célula de carga no canal 2). No segundo nó
sensor foi monitorado o sinal do encoder, enquanto os outros dois canais
monitoraram o sensor de temperatura. Os canais do terceiro nó sensor
foram conectados ao sensor de temperatura.
Na Tabela 6.2 são apresentados os resultados da monitoração do
desempenho do sistema sem fios com apenas um nó sensor utilizando os
três canais A/D e com método desenvolvido, após a substituição do cristal
oscilador.
desempenho do sistema sem fios com dois nós sensores utilizando os três
canais do A/D e com o método desenvolvido.
desempenho do sistema sem fios com três nós sensores utilizando os três
canais do A/D e com o método desenvolvido.
Conforme podem ser observados nessas tabelas, não houve perdas
de dados em todos os tempos de amostragem escolhidos, até 300 ms.
90
Tabela 6.2. – Testes com um nó sensor e três canais A/D
Tempo de
Tempo
Número
amostragem
de
Total de
Pacotes
de
% de
Número
(ms)
atraso
pacotes
perdidos
linhas
perdas
de testes
(ms)
pacote
3
12
12684
0
11
0,00
5
4
14
11355
0
10
0,00
5
5
15
12040
0
10
0,00
5
7
18
12987
0
9
0,00
5
8
19
11638
0
9
0,00
5
10
21
11462
0
8
0,00
5
13
25
11938
0
8
0,00
5
16
29
10994
0
8
0,00
5
18
33
11246
0
7
0,00
5
20
35
10453
0
7
0,00
5
23
40
10637
0
7
0,00
5
25
42
10054
0
7
0,00
5
28
46
11194
0
6
0,00
5
30
48
10561
0
6
0,00
5
33
52
10600
0
6
0,00
5
37
57
10147
0
6
0,00
5
40
62
9868
0
5
0,00
5
43
66
9751
0
5
0,00
5
50
72
10132
0
5
0,00
5
60
81
9953
0
5
0,00
5
70
93
9638
0
4
0,00
5
100
124
9121
0
4
0,00
5
200
232
8769
0
4
0,00
5
300
341
8802
0
4
0,00
5
91
Tabela 6.3. – Teste com dois nós sensores e três canais A/D
Tempo de
Tempo
Número
amostragem
de
Total de
Pacotes
de
% de
de
(ms)
atraso
pacotes
perdidos
linhas
perdas
testes
(ms)
Número
pacote
3
20
7956
0
20
0,00
5
4
23
7426
0
20
0,00
5
5
29
8129
0
19
0,00
5
7
34
7555
0
18
0,00
5
8
38
7931
0
17
0,00
5
10
41
8003
0
17
0,00
5
13
47
7492
0
16
0,00
5
16
55
7647
0
15
0,00
5
18
60
7880
0
15
0,00
5
20
64
7399
0
14
0,00
5
23
71
7458
0
14
0,00
5
25
76
7719
0
13
0,00
5
28
83
7766
0
13
0,00
5
30
88
7502
0
13
0,00
5
33
95
7124
0
12
0,00
5
37
106
7223
0
11
0,00
5
40
113
7094
0
11
0,00
5
43
119
7144
0
10
0,00
5
50
132
7062
0
8
0,00
5
60
150
6912
0
7
0,00
5
70
173
7046
0
7
0,00
5
100
234
6855
0
6
0,00
5
200
441
6741
0
5
0,00
5
300
657
6422
0
5
0,00
5
92
Tabela 6.4. – Testes com três nós sensores e três canais A/D
Tempo de
Tempo
amostragem
de
Total de
(ms)
atraso
pacotes
Pacotes
Número
perdidos
de
% de
de
linhas
perdas
testes
(ms)
Número
pacote
3
29
5234
0
28
0,00
5
4
33
5749
0
27
0,00
5
5
44
5557
0
27
0,00
5
7
50
5038
0
26
0,00
5
8
56
5177
0
25
0,00
5
10
61
4856
0
24
0,00
5
13
69
5036
0
23
0,00
5
16
80
5194
0
21
0,00
5
18
88
4952
0
20
0,00
5
20
95
4833
0
19
0,00
5
23
105
5007
0
19
0,00
5
25
112
4916
0
18
0,00
5
28
123
4872
0
18
0,00
5
30
131
4760
0
17
0,00
5
33
143
4512
0
16
0,00
5
37
160
4721
0
16
0,00
5
40
170
4663
0
15
0,00
5
43
179
4497
0
15
0,00
5
50
196
4329
0
14
0,00
5
60
223
4207
0
12
0,00
5
70
257
4215
0
10
0,00
5
100
350
4013
0
7
0,00
5
200
664
3908
0
5
0,00
5
300
983
3846
0
4
0,00
5
93
6.4. TESTES COMPARATIVOS
A realização de testes comparativos entre a instrumentação sem fios
(novo sistema) e a instrumentação convencional (já incorporada na
centrífuga IPT), permitiu avaliar o comportamento e a confiabilidade.
Os testes comparativos dos sistemas se basearam numa nova
calibração da centrífuga, visto que a mesma já havia sido calibrada em
meados de 2001.
Para a realização da calibração da centrífuga foi necessário
confeccionar um cantilever com as dimensões e geometrias adequadas,
para a devida disposição no cesto da centrífuga, na qual a viga do cantilever
estaria à altura de 13 cm em relação ao fundo (metade da altura do cesto).
O cantilever foi instrumentado com strain gage próximo da
extremidade engastada com configuração em ponte de Wheatstone
completa, cujas resistências nominais são de 350 Ω, sendo seus fios
conectados ao sistema sem fios ou ao sistema convencional, em tempos de
calibração distintos.
Na instrumentação sem fios foi acoplado um amplificador de sinais na
saída do cantilever, enquanto o sinal de saída do amplificador foi conectado
ao canal ADC0 do nó sensor.
Os sinais aquisitados do cantilever foram controlados pelo programa
embarcado nos nós sensor e gateway, conforme descrito no item 5.1.1 e o
outro desenvolvido na plataforma LabVIEW, conforme apresentado no item
5.1.2.
O sistema convencional consiste de uma rede de condicionadores de
sinais no interior da centrífuga, alimentados por fontes DC que são
alimentados por um slip ring elétrico (ver o Apêndice A para obter detalhes
do subsistema de aquisição de dados da centrífuga).
Os sinais tratados pelos condicionadores são enviados pelo slip ring
eletrônico à um bastidor analógico externo à centrífuga e depois para a placa
conversora A/D instalada no microcomputador.
94
Um software foi desenvolvido, para este fim, na plataforma LabVIEW
para realizar o gerenciamento dos dados até a gravação dos mesmos no
disco rígido.
A calibração do cantilever consistiu em adicionar massas conhecidas
na extremidade livre, os valores de diferença de potencial e da massa foram
registrados pelos respectivos sistemas para a geração da curva de
calibração de cada sistema à gravidade terrestre (Figuras D.1 e D.2 no
Apêndice D).
Com a geração das respectivas curvas de calibração, foi possível
determinar a massa da viga em balanço do cantilever sem nenhuma massa
adicional, aplicando a centrifugação em diversas acelerações artificiais.
Foi fixada uma força peso adicional na extremidade livre do cantilever
de 3,2 gramas, para aumentar a resolução do sinal durante a calibração da
centrífuga pelos dois sistemas (sem fios e convencional).
A partir daí passou-se à realização da centrifugação em três
patamares de aceleração artificial, a saber: 50 g, 75 g e 100 g. Não foi
possível levar a centrifugação até 150 g porque os sinais do cantilever
saturavam os amplificadores de ambas as instrumentações por apresentar
alta sensibilidade nesta magnitude.
Os resultados das calibrações da centrífuga estão apresentados na
Tabela 6.5 e nas Figuras F.1 ao F.8 do Apêndice F.
95
Tabela 6.5 – Comparação das medidas realizadas com as instrumentações
sem fios e o convencional
Tipo de
Aceleração Aceleração Aceleração Aceleração Desvio
Instrumentação Referência
Média
Máxima
Mínima
Padrão
(SAD)
(g)
(g)
(g)
(g)
Sem Fios
50
48,40
50,2584
46,7520
0,5629
50,17
51,9693
48,8133
0,5208
75,10
76,3782
71,7525
0,4670
75,14
77,6225
72,7802
1,2313
100,25
101,0796
98,9152
0,2262
100,65
103,3037
98,6697
1,2431
Convencional
Sem Fios
75
Convencional
Sem Fios
100
Convencional
A segunda coluna representa à curva de calibração de aceleração da
centrífuga realizada em 2001, tendo os parâmetros introduzidos no sistema
de controle de rotação da mesma, naquela época.
A interpretação e análise dos resultados destes testes são discutidas
no Capítulo 7.
6.5. ENSAIOS COM MODELOS DE ÂNCORAS ‘TARTARUGA’
Os ensaios com modelos reduzidos de âncoras ‘tartaruga’ foram
submetidos a uma aceleração da gravidade artificial de (150 g) para
reproduzir as condições encontradas no campo. Os ensaios foram
realizados, primeiramente, com a instrumentação convencional e, depois
com a instrumentação sem fios, a fim de obter os parâmetros físicos
envolvidos e comparar ambas as instrumentações, avaliar os seus
desempenhos,
principalmente,
da
instrumentação
sem
fios
com
a
metodologia incorporada.
O solo empregado nos ensaios possui características semelhantes
aos do Campo de Marlin. O estudo do comportamento das âncoras
96
‘tartaruga’ com diferentes geometrias na fase de instalação no solo marinho
e quando submetidas a esforços de arraste horizontal.
Dentre os principais parâmetros intervenientes no comportamento,
destaca-se a geometria.
A Figura 6.4 apresenta a disposição dos modelos de âncoras, os
sensores e atuadores para a realização dos ensaios.
Figura 6.4. – Montagem do modelo de âncora, sensores e atuadores
6.5.1 Características do modelo físico das âncoras ‘tartaruga’
Foram
construídos
três
modelos
em
material
de
latão.
As
características dos modelos confeccionados, em comparação aos dos
protótipos, são apresentadas na Tabela 6.6.
Destaca-se
que
as
dimensões
dos
modelos
resultaram
da
consideração de uma aceleração correspondente a 150 vezes à da
gravidade.
97
Tabela 6.6. – Características geométricas âncoras ‘tartaruga’
Âncora
1
2
3
Característica
Protótipo
Modelo
(m)
(m)
Largura frente
3,00
2,00 x 10-2
Largura traseira
6,95
4,63 x 10-2
Comprimento
5,50
3,67 x 10-2
Altura
1,60
0,11 x 10-2
Largura frente
3,00
2,00 x 10-2
Largura traseira
6,95
4,63 x 10-2
Comprimento
5,50
3,67 x 10-2
Altura
1,60
0,11 x 10-2
Largura frente
3,00
2,00 x 10-2
Largura traseira
6,95
4,63 x 10-2
Comprimento
5,50
3,67 x 10-2
Altura
1,60
0,11 x 10-2
Nas Figuras 6.5, 6.6 e 6.7 são ilustrados os modelos utilizados nos
ensaios, já com as dimensões reduzidas e formas geométricas semelhantes
às do protótipo.
Figura 6.5. – 1ª âncora ‘tartaruga’
98
Na Tabela 6.7 são apresentadas as forças peso de cada modelo de
âncora ‘tartaruga’ e a correspondência com o protótipo.
Tabela 6.7 – Força peso das âncoras ‘tartaruga’
MODELO
PROTÓTIPO*
PROTÓTIPO**
(N)
(MN)
(MN)
1
0,397
0,013
0,01
2
0,356
0,012
0,01
3
0,386
0,013
0,01
ÂNCORA
(*) Empregou-se o produto da força peso do modelo por N3.
(**) Força peso dos protótipos reais
6.5.2 Instrumentação convencional utilizada
Os ensaios nos modelos de âncoras ‘tartaruga’ em centrífuga foram
monitorados por instrumentos constituídos de sensor de inclinação (tilt
sensor) (ver Figura 6.8 a e b), célula de carga, micro motor e encoder,
descritos a seguir. Os ajustes desses condicionadores de sinais (Figura 6.9
a) dependeram da calibração do conjunto e da fonte (Figura 6.9 b), sendo:
excitação de 5 VDC; ganho de 1000; e Filtro passa baixa de 10 Hz.
a) Detalhe do sensor de inclinação
99
b) Detalhe do conjunto
Figura 6.8. - Sensor de Inclinação (Tilt sensor)
a) Vista dos condicionadores
b) Vista das fontes de alimentação
Figura 6.9. – Condicionadores de sinais 1B31NA e fonte de alimentação
Para a calibração do sensor de inclinação, além do procedimento
usual de verificação da variação das inclinações dos eixos x e y em função
da
diferença
de
potencial
elétrica,
efetuaram-se
também
ensaios
preliminares para verificação das faixas de operação, empregando uma
mesa de seno e bloco padrão (ver Figura 6.10).
Capítulo 6 – Testes e Ensaios Realizados
100
Figura 6.10 – Etapa de calibração do sensor de inclinação
Após a calibração do medidor de inclinação, o mesmo foi instalado na
âncora.
Dada a impossibilidade de simular as inclinações das âncoras modelo
durante a calibração na centrífuga, considerou-se como válida a relação das
inclinações correspondente à posição inicial de ensaio, admitindo-se que
essa se mantém constante até as etapas de arraste e arrancamento.
Para a simulação do arraste e arrancamento foi empregada uma
célula de carga (ver Figura 6.11 a e b), construída em duralumínio 2024 T6,
cujo formato interno assemelha-se a um cubo, sob o qual foram colados
strain gages com resistências nominais de 350Ω e configuração de ponte
completa.
A célula foi dimensionada para forças de tração até 600 N (13,5 MN
no protótipo) e controlada por um dos condicionadores de sinais, tendo nas
extremidades as amarras para o engastamento na âncora e no sistema de
engrenagens do micro motor.
a) Elemento elástico
101
b) Construção final
Figura 6.11 – Célula de carga
A calibração da célula de carga foi realizada com a adição de pesos
numa de suas extremidades e fixada em uma estrutura apropriada.
Nas Figuras 6.12 (a) e (b) são mostrados os detalhes da calibração da
célula de carga.
O micro motor empregado possui rotação de 5100 rpm, tendo no seu
eixo, um sistema de engrenagem planetário que a reduz 1526:1 rpm, o seu
torque é igual a 600 N para uma alavanca de 1cm (Figura 6.13 a e b).
O micro motor possui também um encoder que permite monitorar a
rotação, sendo 15.000 pontos por resolução (uma volta no próprio eixo). O
micro motor foi ajustado por um potenciômetro externo para simular uma
velocidade de arrancamento de 1,15 mm/s no modelo, correspondendo no
protótipo a velocidade de 4.14 m/h (tempo de fluência igual ao fator de
escala de 1:1 de modelagem em centrífugas).
Além das calibrações da célula de carga, micro motor e encoder, a
amarra que constitui esse sistema de arraste também foi calibrada, pois a
mesma é submetida à força de tração e se deforma. Esta amarra é
constituída de um cabo de três fios trançados do tipo fireline, submetida a
forças de tração através da adição de peso morto numa extremidade e presa
numa estrutura (ver a curva de calibração na Figura D.11 do Apêndice D).
a) Detalhe da célula de carga
102
b) Detalhe da calibração da célula
Figura 6.12 – Calibração da célula de carga
Roldanas especiais foram instaladas nas paredes do cesto e suas
posições variaram em função da posição das amarras (fios especiais de
nylon devidamente calibrados), para manter o ângulo de arraste e
arrancamento na horizontal. As velocidades e deslocamentos foram obtidos
pelo encoder do motor.
a) Calibração micromotor e
b) Micromotor na centrífuga
encoder
Figura 6.13 – Micromotor e encoder
Os resultados da calibração da instrumentação convencional
empregada nos ensaios encontram-se nas Figuras D.3 a D.6 do Apêndice D.
103
6.5.2.1 Programa do sistema convencional
Para a monitoração e aquisição de dados da instrumentação
eletrônica foi desenvolvido um programa na plataforma LabVIEW. Este
programa foi elaborado para aquisitar 4 canais de instrumentação, sendo
assim constituídos:
Canal 0:
Medidor de inclinação eixo x;
Canal 1:
Medidor de inclinação eixo y;
Canal 2:
Célula de carga; e
Canal 3:
Encoder (determinação do deslocamento e velocidade
de arrancamento).
Na Figura 6.14 é possível visualizar o painel frontal que é constituído
de indicadores digitais e gráficos. Também é possível notar componentes de
controle como o de tempo de aquisição, campo de observações,
identificação do ensaio, controle de gravação de arquivo, legendas
identificando os instrumentos lidos, além da inserção das curvas de
calibração de cada instrumento.
Figura 6.14 – Painel frontal do programa do sistema convencional
104
6.5.3 Instrumentação sem fios utilizada
Foram utilizados os mesmos sensores empregados no sistema
convencional. Sendo as saídas do condicionador de sinais do sensor de
inclinação conectadas aos canais do nó sensor, o canal ADC0 conectado o
eixo x e o canal ADC1 ao eixo y. No canal ADC2 foi conectada a saída do
amplificador de sinais da célula de carga. No segundo nó sensor foi
conectada a saída do encoder no canal ADC0.
Esta cadeia de medidas foi calibrada e as curvas de calibração estão
apresentadas nas Figuras D.7 a D.10 do Apêndice D. Nas Figuras 6.15 (a) e
(b) são mostradas a cadeia de medidas com sensor de inclinação e a célula
de carga que compõe o sistema sem fios.
a) Amplificador e a célula de carga
b) Conjunto do sistema sem fios
Figura 6.15 – Calibração do conjunto do sistema sem fios
6.5.3.1. Programas do sistema sem fios
Os programas do sistema sem fios utilizados nos ensaios com
âncoras ‘tartaruga’ são os mesmos discutidos nos itens 5.1.1 e 5.1.2 do
Capítulo 5 e apresentados nos Apêndices C e E.
105
6.5.4 Procedimentos
6.5.4.1 Montagem dos ensaios
A montagem dos ensaios iniciou-se com o preparo e a disposição do
solo no cesto da centrífuga.
Para os ensaios em centrífuga é empregado solo com uma resistência
não drenada da ordem de 15 kPa, que corresponde a um teor de umidade
de 33,4 % e uma penetração de 7 mm no ensaio de cone de laboratório.
Feita a mistura do solo, respeitando-se a especificação acima
mencionada,
o
solo
era
depositado
no
cesto
em
camadas
de
aproximadamente 4 cm, para cada qual eram retiradas pequenas porções
para a determinação da umidade e da penetração de cone.
Durante a fase de montagem tomou-se todo o cuidado necessário
para evitar a formação de bolhas de ar no interior da amostra, bem como
para garantir a homogeneidade da mistura.
Atingidos cerca de 13 cm de espessura de solo no cesto, o mesmo
era coberto por uma lâmina d’água de 10 cm, de forma a manter constante a
pressão sobre o topo da âncora no início do ensaio.
Concluído o preparo do solo no cesto, posicionou-se a âncora modelo
e todos os demais dispositivos necessários para o ensaio de arraste e
arrancamento (Figuras 6.16 a, b, c, d, e, f, g, h).
Ao término dos ensaios extraía-se uma amostra tipo Shelby (Figura
6.17) para repetição dos ensaios de umidade e de cone (Figura 6.18), como
forma de controle da eventual ocorrência do fenômeno de adensamento no
decorrer dos ensaios.
106
a) Preparação do solo
b) Solo acomodado no cesto
c) Roldanas e a célula de carga
d) Âncora modelo no solo
e) Forma de ruptura do solo
f) Forma de ruptura do solo
g) Forma de ruptura do solo
h) Forma de ruptura do solo
Figura 6.16 – Preparação do conjunto e ensaios realizados
Figura 6.17 - Amostra Shelby extraída do cesto da centrífuga
Figura 6.18 - Ensaio de penetração de cone
107
108
6.5.4.2. Descrição das etapas adotadas
Para a realização da série de ensaios prevista, foram seguidas as
etapas abaixo:
•
Montagem do cesto com o solo nas condições especificadas, retirandose parte do material para a realização dos ensaios de laboratório para
determinação das suas características;
•
Posicionamento da instrumentação necessária aos ensaios de arraste e
arrancamento (sistema de roldanas fixadas na centrífuga);
•
Posicionamento do modelo de âncora a ser ensaiado no solo;
•
Adição de água sobre o solo até atingir-se uma espessura de lâmina 10
cm a partir da sua superfície;
•
Conexão da célula de carga aos fios de nylon ligados ao motor e à
âncora;
•
Conexão dos fios dos sensores aos terminais dos condicionadores de
sinais;
•
Acionamento do programa de aquisição de dados, verificando se há
resposta de todos os instrumentos conectados;
•
Acionamento da centrífuga, programada para atingir uma aceleração
equivalente a 150 vezes a aceleração da gravidade;
•
Ao alcançar a aceleração de 150 g, verifica-se a ocorrência de
penetração em decorrência do peso próprio do modelo de âncora;
•
Em seguida o motor é ligado e inicia-se o processo de arraste e
arrancamento da âncora, cujos registros de força, inclinação nos eixos x
e y, deslocamento e velocidade são feitos pelo sistema convencional ou
sem fios;
•
Concluído o ensaio desmonta-se o cesto e procede-se a retirada de
amostras do solo para os ensaios de verificação de resistência; e
•
Retira-se o solo para a limpeza completa do cesto e dos acessórios antes
de iniciar nova montagem.
109
6.5.5 Resultados dos ensaios com as âncoras modelo
Na Tabela 6.8 apresentam-se os resultados obtidos nos ensaios com
os modelos de âncora ‘tartaruga’ utilizando a instrumentação convencional e
sem fios para comparação.
Os resultados também são apresentados em forma de gráficos dos
ensaios, para cada modelo de âncora, com os dois tipos de instrumentação
nas Figuras F.19 a F.59 do Apêndice F. No Apêndice H apresentam-se os
dados adquiridos, em forma de matrizes, durante esses ensaios.
Tabela 6.8 – Resultados dos ensaios com modelos de âncora ‘tartaruga’
Grandeza
Âncora
Física
2
3
Instrumentação
Convencional
Sem Fios
Valores
Desvio
Valores
Desvio
Máximos
Padrão
Máximos
Padrão
4,28
1,061
4,07
0,059
Eixo X (graus)
-25,61
0,418
-25,78
0,271
Eixo Y (graus)
17,37
0,530
0,05
0,033
Deslocamento (mm)
106,16
-
125,70
-
Força (N)
33,64
1,956
29,78
0,067
Eixo X (graus)
32,59
0,711
28,97
0,299
Eixo Y (graus)
25,70
0,5759
23,45
0,093
Deslocamento (mm)
105,21
-
116,52
-
Força (N)
125,71
1,4367
124,82
0,352
Eixo X (graus)
55,05
0,651
56,70
0,143
Eixo Y (graus)
-3,87
0,066
1,38
0,014
102,16
-
99,19
-
Força (N)
1
Instrumentação
Deslocamento (mm)
Para os valores de deslocamento em cada ensaio não foram
calculados os desvios padrões, porque os programas assumem os seus
últimos valores medidos após o desligamento do micro motor, esses valores
110
são repetidos em todas as linhas de dados até o desligamento da centrífuga
e dos sistemas.
Na Tabela 6.9 apresentam-se os valores que correspondem às
grandezas físicas no protótipo a partir dos dados obtidos dos ensaios de
modelos físicos das âncoras ‘tartaruga’.
Tabela 6.9 – Valores correspondentes à escala do protótipo
Âncora
1
2
3
Instrumentação
Força
Eixo X
Eixo Y
Deslocamento
(MN)
(graus)
(graus)
(m)
Sem Fios
0,09
-25,78
0,05
18,86
Convencional
0,10
-25,61
17,37
15,92
Sem Fios
0,67
28,97
23,45
17,48
Convencional
0,76
32,59
25,70
15,78
Sem Fios
2,81
56,70
1,38
14,88
Convencional
2,83
55,05
-3,87
15,32
À grandeza física força foi aplicado o fator de escala para ensaios em
centrífuga de N2, o deslocamento de N, os ângulos de inclinação de 1.
A interpretação e análise dos resultados são discutidas no Capítulo 7.
111
INTERPRETAÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS
“A
independência
mental,
a
curiosidade
intelectual, a insistência no trabalho são
qualidades indispensáveis ao cultivador da
investigação”
(Ramón Y Cajal)
112
7 INTERPRETAÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS
7.1 EFICIÊNCIA DO MÉTODO DESENVOLVIDO
O comportamento do sistema sem fios no que diz respeito à eficiência
do método desenvolvido para proteção dos dados contra falhas de
comunicação, antes da troca do cristal, cujos resultados encontram-se na
Tabela 6.1 do Capítulo 6, verificou-se o seguinte:
Para os tempos de amostragem do A/D, entre 3 ms ao 8 ms não
houve perdas de pacotes, mostrando que a metodologia foi eficiente em
100%.
O método apresentou eficiências acima de 99% para intervalos de
amostragem entre 8 e 28 ms com perdas entre 15 e 55 pacotes de dados
dos 8316 a 10513 pacotes transmitidos e processados, respectivamente.
Perdas de pacotes da ordem de 3,5% ocorreram no tempo de
amostragem de 33 ms, sendo a eficiência do método de 96%
aproximadamente, indicando que nesta região ocorreram falhas graves por
motivos alheios à velocidade de processamento, transmissão e recepção,
causando problemas de sincronismo entre estas tarefas nos nós sensor e
gateway.
Para os tempos de amostragem entre 43 ms e 70 ms, o método
também apresentou eficiência de 100% sem perdas de pacotes.
Os tempos de atrasos se mostram dentro de uma proporcionalidade
em relação aos tempos de amostragem ajustados, não havendo nenhuma
anomalia de comportamento.
Após verificar que a eficiência não era suficientemente aceitável para
a realização da monitoração dos canais do A/D em todo o espectro de
tempo, optou-se modificar o circuito, aumentando a velocidade de
processamento dos nós, mediante a alteração do cristal oscilador e a
113
retirada das curvas de calibração dos nós. Novos testes foram realizados
sendo apresentados na Tabelas 6.2.
Conforme
podem
ser observados
nos resultados obtidos, a
intervenção no hardware, descrito no item 6.3, garantiu uma eficiência de
100% em todo o espectro de tempo para um único nó sensor, tendo três
canais A/D aquisitados.
Novos testes foram realizados, incorporando na rede um segundo nó
sensor. Posteriormente, um terceiro nó, cujos resultados são apresentados
nas Tabelas 6.3 e 6.4. Não foram observados perdas de pacotes de dados
em todo o espectro de tempo até 300 ms. Todavia, o tempo de atraso com
dois e três nós aumentou em relação a um nó sensor.
É evidente que estes tempos de atraso são maiores em razão do
maior fluxo de dados a serem processados e transmitidos.
7.2 TESTES COMPARATIVOS ENTRE OS DOIS SISTEMAS
Observando-se os dados adquiridos nos testes comparativos que
estão apresentados na Tabela 6.5 do Capítulo 6 e Figuras F.1 ao F.8 do
Apêndice F, verificou-se que os dois sistemas apresentaram valores
semelhantes dos estabelecidos pela calibração da centrífuga realizada em
2001, nos pontos de referência.
Destaque deve ser dado à resposta do sistema convencional que
apresenta uma perturbação durante o processo de subida da ‘rampa’ de
aceleração da centrífuga.
Na ‘rampa’ de descida de aceleração da centrífuga, o comportamento
apresenta menor interferência, porém, ao término do movimento do braço da
centrífuga ocorre um efeito indesejável.
Nos gráficos obtidos (Figuras F.2, F.3, F.4, F.6 e F.8) esse efeito é
atribuído à acomodação dos dispositivos eletrônicos dentro da centrífuga,
principalmente dos slip rings.
114
Observando melhor os efeitos, ocorre um residual elétrico que é
dissipado após a parada da centrífuga, este fenômeno acontece em todas as
calibrações da centrífuga com o sistema convencional.
Essas constatações são comprovadas pela repetição de várias
calibrações realizadas em comparação com o sistema sem fios, sendo que
na Figura F.2 é apresentada uma curva de calibração com um filtro digital
passa-baixa, do tipo Butherworth de 2 pólos, com freqüência de corte em 30
Hz e com taxa de amostragem de 100 S/s.
Nas Figuras F.3 e F.4, as calibrações foram realizadas com um filtro
passa-baixa, do tipo Butherworth de 4 pólos, freqüência de 10 Hz e com taxa
de amostragem de 1000 S/s.
Observam-se nesses gráficos, que não houve mudanças no tempo de
resposta do sistema quando da mudança dos parâmetros do filtro,
principalmente na ‘rampa’ de descida (de menor interferência). Poderia estar
ocorrendo esse tempo de atraso devido ao uso do filtro digital, essa hipótese
que foi descartada, após análise dos resultados das calibrações sem uso de
filtros que apresentavam o mesmo comportamento.
É possível verificar que esse efeito não acontece com o sistema sem
fios, percebe-se que as duas ‘rampas’ (de subida e da descida) possuem
alguma simetria e não acontecem distorções devido aos ruídos elétricos,
mesmo contando com a energia elétrica interna da centrífuga. Para o
sistema sem fios, nas calibrações com patamares de 50 g e 75 g a ‘rampa’
de descida ultrapassou o valor zero (0) na parada do movimento do braço da
centrífuga,
indicando
uma
mudança
de
comportamento
de
algum
componente do amplificador do nó sensor (trimpot de baixa precisão
empregado no amplificador pode ter modificado sua posição durante o vôo).
Durante os primeiros testes foi verificada a existência desses
problemas antes de iniciar a calibração da centrífuga. O slip ring elétrico
passou por uma vistoria nos componentes internos e externos e foi
verificado que as peças permanecem em perfeitas condições sem a
necessidade de substituição. Foi realizada também uma vistoria no slip ring
eletrônico na sua parte externa e feita a troca do cabo de conexão, não foi
115
possível realizar uma vistoria nos componentes internos porque são
hermeticamente fechados e somente o fabricante, norte americano, poderia
realizar essa tarefa.
Para não pairar suspeitas sobre oscilações do cantilever submetido à
aceleração centrípeta ou vibrações durante o vôo da centrífuga (não
podendo existir), foram executados cálculos para a verificação da freqüência
natural do mesmo. Observou-se que este dispositivo não sofreu oscilações
que pudesse entrar em ressonância entre 80 a 90 Hz, conforme o Apêndice
G.
Após as calibrações iniciais da centrífuga, foi realizada mais uma
calibração, no patamar de 100 g, somente com a instrumentação
convencional. Foi empregado um programa na plataforma LabVIEW
denominado de Spectrum Analyser para fazer avaliação no domínio da
freqüência, pela transformada rápida de Fourier, para identificar a origem
desses ruídos.
Na Figura F.9 do Apêndice F, são apresentados os sinais no domínio
do tempo e da freqüência, tendo predominância dois picos de freqüência, de
0 a 10 Hz e de 60 Hz, no domínio da freqüência, apesar do sinal no domínio
do tempo não apresentar ruídos. Essa observação foi feita com a centrífuga
em repouso, tendo apenas a instrumentação ligada.
Na Figura F.10 do Apêndice F, são mostrados também os sinais nos
dois domínios. No do domínio da freqüência é possível observar que a
freqüência de 60 Hz passa a não ser mais predominante, tendo a freqüência
de 0 até 10 Hz como único pico. Isso explica que os sinais do cantilever
(sinal estático) e do movimento dos anéis dos slip rings (0 a 422 rpm ~ 0 a 7
Hz) passaram a ser predominantes, no gráfico que apresenta o domínio do
tempo aparecem os ruídos, conclui-se que o sinal do cantilever está
sofrendo variações devido à movimentação dos anéis e contatos desses slip
rings.
Os ruídos permanecem iguais no patamar de regime de operação,
tendo a freqüência de 60 Hz inexistente, como pode ser visto na Figura F.11
do Apêndice F. Na rampa de desaceleração da centrífuga (Figura F.12 do
116
mesmo Apêndice), surge a interferência na freqüência de 60 Hz, junto com o
sinal estático do cantilever e dos ruídos provocados pelos slip rings.
Após a obtenção das curvas de calibração da centrífuga, para ambos
os sistemas, foram realizados tratamentos estatísticos para verificar
comparativamente a qualidade dos dados observados. Além da Tabela 6.5
do Capítulo 6, que apresenta a média e o desvio padrão de cada sistema
para os patamares de regime de operação, outros tratamentos estatísticos
foram realizados, como: média aritmética, mediana, variância da amostra,
erro padrão, amplitude, tamanho da amostra e máximo da estimativa, erro
máximo da estimativa, com 95 por cento de confiança. Esses parâmetros
serão discutidos no item 7.4 deste Capítulo. Nas Figuras F.13 a F.18 do
Apêndice F, notam-se as diferenças da distribuição normal para cada
sistema em cada patamar de operação da centrífuga. Na Tabela 7.1 são
apresentados
esses
parâmetros
estatísticos
que
representam
as
características das distribuições de todas as curvas de calibração,
mostrando o comportamento dos dados em cada teste realizado. Nas
análises estatísticas, as distribuições normais foram obtidas apenas com os
dados na região dos patamares superiores de aceleração, nos quais são
realizados os ensaios com a centrífuga.
117
centrífuga IPT
Parâmetro Estatístico
Aceleração
Sistema
(g)
Convencional
Sem Fios
50
50,2
48,4
75
75,1
75,1
100
100,7
100,2
50
50,2
48,3
75
75,4
75,1
100
100,3
100,2
50
0,27
0,32
75
1,52
0,22
100
1,54
0,05
50
0,034
0,007
75
0,059
0,007
100
0,06
0,003
Amplitude
50
3,16
3,51
(valor máximo – valor
75
4,84
4,63
mínimo)
100
4,63
2,16
50
234
7601
75
438
4102
100
458
6652
da
50
0,07
0,010
estimativa, com 95% de
75
0,12
0,010
confiança
100
0,11
0,005
Média
Mediana
Variância da amostra
Erro padrão
Tamanho da amostra
Erro
máximo
118
7.3 ENSAIOS EM MODELOS DE ÂNCORAS ‘TARTARUGA’
Baseadas nos resultados dos ensaios em modelos de âncoras
‘tartaruga’ em centrífuga, contidos nas Tabelas 6.8 e 6.9, Figuras F.19 a
F.53, e observações visuais do comportamento dos modelos durante esses
ensaios, as análises e interpretações foram realizadas e estão apresentadas
abaixo.
Para a âncora 1, os resultados obtidos das forças de arraste,
arrancamento e ângulo de enterramento, ficaram muito próximos entre a
instrumentação convencional e sem fios. Os valores do ângulo transversal
(eixo Y) dessa âncora apresentaram-se muito diferentes entre as duas
instrumentações. A observação visual da posição do modelo no solo após
esses ensaios confirmaram isto, mostrando que essa âncora não possui
equilíbrio transversal durante o arraste horizontal.
Outra observação a ser levada em consideração é a do ângulo de
enterramento (eixo X), ao qual ocorreu de forma inversa do que se esperava.
Isto se confirmou para ambas as instrumentações.
Não foi possível verificar esse fenômeno pela observação visual, visto
que essas eram realizadas após os ensaios. Mas, conforme os valores
monitorados pelas duas instrumentações (–25º) indicam que a âncora
enterrou a sua parte traseira quando da subida da ‘rampa’ de aceleração
durante o vôo da centrífuga. No momento da simulação do arraste dessa
âncora, o ângulo resultante se manteve, o que contribuiu para facilitar o seu
arrancamento, visto que o mesmo era favorável à movimentação da âncora
sem mobilizar a resistência do solo, obtendo valores muito inferiores e
diferentes das forças das demais âncoras, cerca de aproximadamente 4 N,
que corresponde na escala do protótipo cerca de 0,1 MN.
As causas desse efeito são: o peso dos fios do sensor de inclinação
que sai da parte traseira da âncora e a distribuição de pesos (bolinhas de
chumbo) não foi feita corretamente na âncora, para atingir a força peso igual
ao do protótipo.
119
No que diz respeito às incertezas das medidas para cada
instrumentação, o sistema sem fios apresentou resultados bem melhores do
que o convencional, apesar dos efeitos físicos indesejáveis terem ocorridos
nessa âncora, conforme a Tabela 6.8 do Capítulo 6 e da Tabela 7.2 deste
Capítulo.
Para a âncora 2, todos os parâmetros físicos monitorados nos ensaios
foram muito semelhantes para ambas as instrumentações. Ressalta-se que
a instalação do sensor de inclinação foi feita na parte traseira da âncora bem
como os seus fios.
Mesmo assim, observa-se que a inclinação de enterramento da
âncora foi muito parecida para as duas instrumentações, indicando uma
inclinação resultante de aproximadamente 31º, tornando as forças de
arrancamento
mais
elevadas
em
relação
à
âncora
1,
atingindo
aproximadamente 32 N, que corresponde na escala do protótipo de 0,7 MN.
Nota-se que o ângulo transversal da âncora também apresenta um
comportamento indicando o desequilíbrio da mesma durante a simulação de
arraste horizontal. Este efeito foi confirmado visualmente após a realização
dos ensaios, pela posição final desta âncora no solo, para ambas as
instrumentações.
Em termos das incertezas das medidas para os dois sistemas,
observa-se que para todas as grandezas físicas monitoradas, o sistema sem
fios indica um desvio padrão menor que o sistema convencional,
confirmando a melhora da qualidade dos dados com este novo sistema,
conforme a Tabela 6.8 do Capítulo 6 e a Tabela 7.3 deste Capítulo.
Para a âncora 3, os valores obtidos dos dois sistemas são muito
semelhantes, indicando boa consistência dos dados mesmo com a
instalação do sensor de inclinação na parte traseira da âncora. Para ambas
as instrumentações, os valores deste ângulo ficaram em cerca de 56º,
resultando em forças de arraste e arrancamento em 125 N, que equivale na
escala do protótipo de 2,8 MN.
120
Quanto ao ângulo transversal dessa âncora, os valores ficaram em
torno de 0o, indicando que essa âncora possui estabilidade transversal
durante a simulação de arraste horizontal em relação às duas primeiras.
As incertezas das medidas para os dois sistemas observam-se que
para todas as grandezas físicas monitoradas, o sistema sem fios indica um
desvio padrão menor que o sistema convencional, conforme a Tabela 6.8 do
Capítulo 6 e a Tabela 7.4 deste Capítulo.
Nas Figuras F.54 e F.55 estão apresentadas as movimentações da
âncora 1, das duas instrumentações, as posições iniciais partem do valor
zero, pois não foi possível estabelecer a cota de afundamento da âncora no
solo no momento do acionamento do micro motor, para estabelecer sua
movimentação naquele ponto.
As Figuras F.56 a F.59 são apresentadas, em forma de gráficos, as
movimentações das âncoras 2 e 3 no solo, indicando um enterramento muito
semelhante para cada elemento, análise feita com as duas instrumentações.
121
centrífuga IPT durante os ensaios com a âncora 1
Grandezas
Físicas
Sistema
Convencional
Sem Fios
Força (N)
3,24
3,97
Eixo X (o)
-24,73
-25,29
Eixo Y (o)
10,95
-0,09
Força (N)
3,60
3,99
Eixo X (o)
-24,77
-25,28
Eixo Y (o)
11,16
-0,10
Força (N)
1,13
0,00
Eixo X ( )
0,17
0,07
Eixo Y (o)
0,28
0,00
Força (N)
0,16
0,01
Eixo X (o)
0,05
0,03
Eixo Y (o)
0,08
0,00
Amplitude
Força (N)
3,27
0,26
Eixo X (o)
2,06
1,06
mínimo)
Eixo Y (o)
2,35
0,15
Força (N)
42
71
Eixo X ( )
42
71
Eixo Y (o)
42
71
da
Força (N)
0,33
0,01
Eixo X (o)
0,11
0,06
confiança
Eixo Y (o)
0,17
0,01
Média
Mediana
o
Erro padrão
o
Tamanho da amostra
Erro
máximo
122
Grandezas
Físicas
Sistema
Convencional
Sem Fios
Força (N)
30,99
29,64
Eixo X (o)
29,26
28,81
Eixo Y (o)
-0,08
0,67
Força (N)
31,44
29,63
Eixo X (o)
29,37
28,81
Eixo Y (o)
-0,37
0,17
Força (N)
3,83
0,01
Eixo X ( )
0,51
0,00
Eixo Y (o)
0,33
0,09
Força (N)
0,22
0,01
Eixo X (o)
0,08
0,01
Eixo Y (o)
0,07
0,04
Amplitude
Força (N)
6,60
0,25
Eixo X (o)
3,63
0,33
mínimo)
Eixo Y (o)
1,72
1,28
Força (N)
76
64
Eixo X ( )
76
64
Eixo Y (o)
76
64
da
Força (N)
0,44
0,02
Eixo X (o)
0,16
0,02
confiança
Eixo Y (o)
0,15
0,07
Média
Mediana
o
Erro padrão
o
Tamanho da amostra
Erro
máximo
123
Grandezas
Físicas
Sistema
Convencional
Sem Fios
Força (N)
123,46
124,23
Eixo X (o)
53,43
56,49
Eixo Y (o)
1,07
1,36
Força (N)
123,47
124,12
Eixo X (o)
53,14
56,51
Eixo Y (o)
1,11
1,36
Força (N)
2,06
0,12
Eixo X ( )
0,42
0,02
Eixo Y (o)
0,01
0,00
Força (N)
0,22
0,06
Eixo X (o)
0,08
0,03
Eixo Y (o)
0,01
0,00
Amplitude
Força (N)
5,82
3,51
Eixo X (o)
2,31
0,47
mínimo)
Eixo Y (o)
0,34
0,05
Força (N)
68
43
Eixo X ( )
68
43
Eixo Y (o)
68
43
da
Força (N)
0,44
0,11
Eixo X (o)
0,16
0,07
confiança
Eixo Y (o)
0,01
0,00
Média
Mediana
o
Erro padrão
o
Tamanho da amostra
Erro
máximo
124
7.4 PARÂMETROS ESTATÍSTICOS EMPREGADOS
Para caracterizar as distribuições de probabilidades, as medidas mais
importantes são a média e a variância (ou o desvio padrão) da distribuição.
A média apresentada nas Tabelas 7.1 ao 7.4 significa a média
aritmética que tem a formulação expressa na eq.(7.1):
n
x=
i =1
xi
(7.1)
n
Sendo:
xi = valores da amostra;
n = número de elementos da amostra (tamanho da amostra)
A mediana é um parâmetro que visa caracterizar a tendência central
da distribuição de freqüências da amostra. Se n (número de elementos da
amostra) for impar, o valor de ordem
(n + 1)
2
será a mediana desse
conjunto. Sendo n par, a mediana é definida por um valor compreendido
entre os valores n
2
( 2 )+ 1 da amostra ordenada. Denota-se mediana por
e n
md.
O desvio padrão usado nas Tabelas 6.5 e 6.8 do Capítulo 6, é uma
medida da dispersão dos valores em torno da média x , portanto quantifica a
precisão das medidas observadas. A formulação do desvio padrão é
apresentada na eq.(7.2).
s=
( x i − x )2
n −1
(7.2)
Sendo:
x = valor médio ou estimado;
xi = valores da amostra;
n = número de elementos da amostra (tamanho da amostra)
125
A variância da amostra também é a medida da dispersão dos valores
em torno da média x . Indica se os valores estão muito ou pouco afastados
em relação à média. A formulação encontra-se na eq.(7.3).
n
s2 =
i =1
( x i − x )2
n −1
(7.3)
Sendo:
xi = valores da amostra ;
n = número de elementos da amostra (tamanho da amostra);
O erro padrão significa dizer, desvio padrão dos valores médios em
relação ao valor verdadeiro. A formulação é apresentada nas eq.(7.4 e 7.5).
( x i − x )2
(n − 1)n
s = sm =
(7.4)
Ou
s = sm =
s
n
(7.5)
Sendo:
xi = valores da amostra ;
s = desvio padrão.
A estimativa por intervalo de um parâmetro é um intervalo
determinado por dois valores obtidos de observações da amostra no qual se
espera que o mesmo contenha o valor do parâmetro. O objetivo nesses
casos é a determinação de um dado parâmetro e não a utilização do
estimador em alguma expressão analítica. A estimativa por intervalo
geralmente é feita de forma que a probabilidade de que o intervalo contenha
126
o parâmetro possa ser especificada e, assim, mostrar o quão precisamente o
parâmetro está sendo estimado.
O intervalo que possivelmente contenha o valor real do parâmetro,
com uma determinada probabilidade, é conhecido como intervalo de
confiança. O nível ou grau de confiança, designado por 1-α, é a
probabilidade citada. Assim, α será a probabilidade de erro na estimação por
intervalo. Admitindo-se simetria na probabilidade de que os intervalos de
confiança contenham os valores dos parâmetros estimados e, dessa forma,
a probabilidade de que o parâmetro fique fora do intervalo, à direita e à
esquerda do mesmo, seja igual a α/2. A formulação está expressa na
eq.(7.6).
x − Z α sm < µ < x + Z α sm
2
2
(7.6)
Sendo:
µ = média da população;
x = média da amostra;
s m = erro padrão da média;
Zα/2 = valor sob a curva normal associado à área dada por (1 - α/2).
Como x é uma estimativa de µ, há uma probabilidade 1-α dessa
estimativa diferir do mesmo valor em um lado ou outro por no máximo E, que
significa o erro máximo da estimativa. A formulação está expressa na
eq.(7.7)
E = Zα sm
2
(7.7)
127
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
“O que se conhece, claramente se anuncia”
(Boileau)
“O bom, se breve, dias vezes bom”
(Gracian)
128
8 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
8.1 CONCLUSÕES
O método desenvolvido para proteção dos dados contra falhas de
comunicação para o sistema sem fios adotado neste trabalho atingiu a
eficiência desejada.
Com isto, foi possível viabilizar a tecnologia de redes de sensores
sem fios nos ensaios de modelos físicos reduzidos de estruturas oceânicas
em centrífuga. Acrescenta-se a isto, com a qualidade esperada dos dados
deste sistema em relação ao sistema convencional, podem ser apresentadas
as seguintes conclusões:
Os resultados obtidos com o método são compatíveis e até superiores
aos dos trabalhos desenvolvidos por outros pesquisadores, envolvendo
tecnologias de redes densas com sensores redundantes, algoritmos de autoconfiguração para adaptação automática dos elementos numa rede e
algoritmos que buscam elementos defeituosos na mesma.
Na calibração da centrífuga, embora tenham ocorrido problemas no
sistema convencional, nota-se que em regime de operação nos patamares
de
aceleração
escolhida,
os
dois
sistemas
se
comportaram
satisfatoriamente, porém, o sistema sem fios obteve valores melhores que o
sistema convencional, conforme descrito abaixo.
Na calibração da centrífuga a 50 g os valores obtidos no sistema
convencional foram de 50,17 g e tolerância de ± 0,07 g e para o sistema sem
fios, valores médios de 48,40 g com tolerâncias de ± 0,01 g. Neste caso, o
sistema convencional indicou valores mais próximos do valor de referência.
Todavia, com o sistema sem fios a tolerância foi 600% menor.
Na calibração da centrífuga em 75 g, pelo sistema convencional,
foram obtidos valores médios de 75,14 g e tolerância de ± 0,12 g, com o
sistema sem fios as médias foram de 75,10 g e tolerância de ± 0,01 g. Na
129
calibração a 100 g, no sistema convencional foram obtidos valores médios
de 100,65 g com tolerância de ± 0,11 g, enquanto para o sistema sem fios os
valores médios ficaram em 100,25 g ± 0,005 g, indicando que o sistema sem
fios foi melhor que o sistema convencional.
Nos ensaios em centrífuga, embora tenham ocorrido problemas no
sistema convencional, nota-se que em regime de operação, nos patamares
de
aceleração
escolhida,
os
dois
sistemas
se
comportaram
satisfatoriamente, porém, o sistema sem fios apresentou valores melhores
que o sistema convencional, conforme descrito a seguir.
Nos ensaios com modelos reduzidos de âncoras ‘tartaruga’, os
resultados estatísticos relativos à força de arraste, para as três âncoras, são
fortemente significativos para o sistema sem fios.
No que diz respeito às grandezas físicas de inclinação tanto para o
eixo X quanto para o eixo Y, os resultados são melhores no sistema sem fios
em comparação ao sistema convencional.
Em relação às medidas de velocidade obtidas pelo encoder, no
sistema sem fios, os valores se mantiveram em 1,15 mm/s. No sistema
convencional entre 1,14 mm/s e 1,16 mm/s, o que também indica que o
sistema sem fios é mais eficiente.
As incertezas relativas ao sistema sem fios são inerentes às falhas de
comunicação. Embora o método desenvolvido neste trabalho contorne esse
problema, o mesmo existe.
130
8.2 RECOMENDAÇÕES PARA PESQUISAS FUTURAS
Após a realização desta pesquisa e devido às limitações encontradas
durante os trabalhos, algumas sugestões são pertinentes para que os
futuros trabalhos possam contribuir nos avanços da instrumentação
eletrônica. Abaixo seguem algumas propostas de continuidade desta linha
de pesquisa.
•
Realização de vários ensaios de modelos físicos de âncoras ‘tartaruga’,
para verificar a consistência do comportamento das mesmas, com a
instrumentação sem fios.
•
Introdução no método desenvolvido neste trabalho, da norma IEEE – P –
1451.5 (Wireless Communication Protocols and Transducer Electronic
Data Sheet), que está sendo criada com o objetivo de direcionar as
aplicações do padrão IEEE 1451 em ambientes de rede sem fios. Com
isto, se terá a conexão plug-in-play com qualquer rede de sensores sem
fios, para que haja a interoperabilidade entre componentes de diversos
fabricantes.
•
Estudar topologias mais
robustas
com o emprego
do método
desenvolvido, para saber se há limitações em redes densas.
•
Desenvolver
algoritmos
que
permitam
a
utilização
do
método
apresentado com outras técnicas, como protocolos que identificam nós
defeituosos, algoritmos de auto-configuração para adaptação automática
dos elementos de uma rede, formando redes mais eficientes, confiáveis e
tolerantes às falhas de comunicação.
Algumas sugestões são abaixo apresentadas para indicar algumas
linhas de pesquisas que podem contribuir para os avanços na construção de
sensores inteligentes sem fios.
131
•
Desenvolvimento
de
pesquisas
na
área
de
microeletrônica
e
nanotecnologia para elaboração de métodos construtivos, projetos
miniaturizados para a construção de sensores, incorporando funções
num único encapsulamento.
•
Os condicionadores de sinais e amplificadores são construídos com
funcionalidades específicas para sensores. Neste sentido, conceber
dispositivos capazes de atender uma gama maior de sensores. Com isto,
será possível incorporar mais uma parte da cadeia de medidas num
único encapsulamento.
•
Aplicação de um novo conceito de microcontroladores, por exemplo, os
DSPs, para melhoria de desempenho dos dispositivos.
132
REFERÊNCIAS
Referências
133
REFERÊNCIAS
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2005. Geotechnical Testing Journal, vol. 28; no 2; pp. 1-7; USA.
Apêndice A – Equipamento de Centrífuga IPT
150
A.1 INTRODUÇÃO
O equipamento de centrifuga empregado em geotecnia é antigo.
(NIYAMA et al., 1992) afirma que este equipamento foi apresentado pela
primeira vez em uma Conferência Internacional de Mecânica dos Solos e
Fundações, em 1936, em Cambridge. Esse trabalho descreve a história das
centrífugas no mundo e justifica o emprego nas atividades da engenharia.
Segundo esse trabalho, informa que o grande aumento do emprego
de centrífugas se dá pelo fato de possibilitarem avaliar melhor o complexo
comportamento dos solos no sentido de aferir e validar as previsões e
projetos resultantes da modelagem matemática. Outra justificativa para o
aumento significativo vem das obras de grande porte, seria desejável a
construção de protótipos em escala natural para obtenção de dados
confiáveis, que na maioria dos casos é inviável por razões de custo e tempo.
Essas máquinas em geral, movimentam-se na horizontal, num plano
perpendicular ao eixo vertical de rotação. Existindo, ainda, outros tipos de
configuração nas quais o eixo de rotação é horizontal (o movimento dos
modelos ocorrem no plano vertical), ou aquelas que podem operar nos dois
planos. São constituídas ainda por braços giratórios acoplados a um eixo
possuindo em suas extremidades caixas container onde os modelos são
acomodados, ou uma caixa container com o modelo e a outra como
contrapeso no lado oposto. Os containeres são geralmente retangulares e o
eixo é movimentado por um motor controlado por sistema eletrônico de
rotações com um mecanismo de freio, que auxilia nos controles dos
movimentos. Por segurança, os containeres, os braços e o eixo são
envolvidos por caixas circulares em aço ou então são instalados em salas
especiais bunkeres, geralmente abaixo do solo, onde o operador observa o
movimento de modo remoto. Os braços giram em velocidades que permitem
atingir acelerações da ordem de 200 ~ 300 vezes a força da gravidade,
dependendo da capacidade do equipamento.
151
A nomenclatura usual para indicar a capacidade das centrífugas é
expressa em (g.ton.), que representa a capacidade de aceleração máxima
(g) multiplicada pelo peso do container com o modelo, instrumentação e
atuadores (ton). Nas Figuras A.1 e A.2 apresentam-se alguns tipos de
centrífugas utilizadas por pesquisadores.
Figura A.1. – Centrífuga do Laboratório Central des Ponts et Chausèes –
França, (LCPC, 2002)
Figura A.2 – Centrífuga da Public Works Research Institute – Japão,
(GEOTECH, 2002)
152
A.2 CENTRÍFUGA IPT
No trabalho de (NIYAMA et al., 1994) também são apresentados os
detalhamentos de projeto da centrífuga IPT e os ensaios desenvolvidos com
esse equipamento. Na Figura A.3 apresenta-se a centrífuga IPT de forma
panorâmica.
Figura A.3 – Centrífuga IPT, (NIYAMA et al., 1994)
As principais características do equipamento são: diâmetro nominal
de 1,50 m, aceleração máxima de 200 g, capacidade máxima do cesto de 50
kg (0,5 kN), rotação máxima de 451 rpm e capacidade de 10 g.ton.
O braço da centrífuga é simétrico em relação ao seu eixo de rotação
(sentido vertical fixo). A carcaça fica suspensa a 38 cm do chão e fixada
sobre uma estrutura metálica que por sua vez fixa ao chão por chumbadores
e placas de neoprenes para isolação ativa das vibrações. As dimensões dos
cestos são de 250x300x130mm (altura x comprimento x largura),
construídos em aço conforme descrito em (NIYAMA et al., 1994).
153
O acionamento da centrífuga é feito por um motor AC de 4 pólos, 3
CV, 220 V, trifásico, controlado por um inversor de freqüência. A transmissão
da potência do motor para o eixo principal é feita por correias. O motor é
fixado a uma estrutura basculante e pode ser regulada por um eixo
rosqueado à estrutura principal, ajustando-se a tensão da correia.
O sistema de controle e aquisição de dados de instrumentação
desenvolvidos para realização dos ensaios na centrífuga compreende
diversos módulos e subsistemas, cujo aspecto esquemático pode ser visto
na Figura A.4.
O sistema de controle e aquisição de dados de instrumentação da
centrífuga é basicamente constituído de sistema de controle central,
subsistema de aquisição de dados de instrumentação, subsistema de
controle de rotação da centrífuga, subsistema de aquisição e tratamento de
imagens.
Figura A.4 - Esquema geral dos sistemas da centrífuga IPT, (NIYAMA et al.,
1994)
154
A.3 CONCEITO DE MODELAGEM FÍSICA
De acordo com (CANDEIAS, 1999) a necessidade de compreender a
realidade física levou ao desenvolvimento de teorias interpretativas para
explicar racionalmente a ocorrência dos mais diversos fenômenos que
existem na natureza ou aqueles produzidos artificialmente. Pode-se afirmar
que qualquer teoria é constituída por um conjunto de pressupostos ou
hipóteses, um raciocínio matemático, que na grande maioria geram
resultados ou soluções. O primeiro requisito para validar uma teoria consiste
na adequação das hipóteses, baseada na evidência. O segundo consiste na
adequação do resultado, quando confrontado com a realidade.
Numa teoria, quando ambos os requisitos citados são satisfeitos, a lei
da solução altera-se para a lei do fenômeno, refletindo assim, o avanço do
conhecimento. A validade de uma teoria só pode ser aferida mediante a
observação direta do fenômeno, verificando se a solução obtida é suportada
pela contrapartida real. Às vezes, quando depara-se com fenômenos que
intervêm materiais naturais, na caracterização inicial do problema depara-se
com dificuldades, por um lado, porque as propriedades dos materiais variam
de ponto a ponto, muitas vezes não sendo possível obter uma
caracterização completa dessa variação, por outro, porque as próprias
intervenções, tendo em vista a caracterização dos meios em estudo, podem
sofrer alterações de algumas das características que se pretende conhecer,
introduzindo um elevado grau de incerteza na particularidade das hipóteses
do problema. Uma das formas de caracterizar tal problema consiste em
reproduzir, sob condições controladas, o fenômeno em análise. Esta
reprodução é normalmente chamada de ensaio de modelo físico. Por uma
questão de economia, há ainda, uma vantagem grande em proceder essa
reprodução por meio de escala reduzida (CANDEIAS, 1999).
155
A.4 MODELAGEM FÍSICA
“Protótipo é um objeto ou fenômeno em estudo que possui uma
contrapartida real, como uma estrutura construída, cujo comportamento
pretende-se conhecer quando submetida a determinadas ações, ou uma
contrapartida idealizada, como uma estrutura projetada cuja solução de
dimensionamento se pretende testar nas condições de trabalho a que ficará
submetida após a sua construção. O sistema idealizado pode ainda não
estar associado a nenhuma realidade projetada, como no caso típico dos
estudos dos fenômenos que tendem esclarecer um mecanismo físico de
comportamento, em que o sistema protótipo é idealizado de forma a pôr em
evidência os diferentes fatores que o influenciam. No primeiro protótipo, o
recurso à modelagem física só se justifica se a exploração dos
correspondentes modelos permitir extrapolar o comportamento real. Já nos
sistemas ideais os fenômenos modelo podem ser encarados como
ocorrências autônomas, sem uma intenção explícita de representar um
protótipo, resultando o seu interesse ao fato de constituírem em si mesmos
um acontecimento real. Modelo é uma reprodução controlada do protótipo no
sentido em que é realizada por processos que asseguram o conhecimento
explícito
e
inequívoco
das
suas
características.
Levando-se
em
consideração que na modelagem física os princípios de semelhança
mecânica são fundamentais, onde deve ser observada a utilização dos
mesmos materiais de que são constituídos os protótipos, ou materiais cuja
propriedade sejam relacionáveis de uma forma direta, só assim não se
levantam obstáculos à particularização das hipóteses teóricas, e pode-se
dizer que o sistema modelo é semelhante ao sistema protótipo, e vice versa”
(CANDEIAS, 1999, p.11).
O (ACI Comittee 444, 1982) define que o modelo físico pode ser um
corpo que tem a função de simular o comportamento de um determinado
protótipo, também como uma representação física, geralmente em escala
reduzida, de uma estrutura ou parte dela, ou como sendo um elemento ou
156
um conjunto de elementos estruturais executados em escala reduzida, para
serem estudados e para os quais as leis de semelhança podem ser
empregadas para interpretar os resultados obtidos.
(WISS; JANNEY, ESLTNER ASSOCIATES, 1992) afirmam que se
deve ter compreensão dos fenômenos envolvidos, suas causas e efeitos,
principalmente quando se deseja conceber um modelo físico e dele
interpretar seu comportamento e prever os valores de certa grandeza física
que poderá ocorrer no protótipo. São necessários que se conheçam os
parâmetros dos quais dependem essas grandezas, só assim é possível
estabelecer as chamadas condições de semelhança, permitindo definir as
formas, materiais e as condições limites do modelo, transportando para o
protótipo as observações feitas.
Tendo em vista esses conceitos, pode-se então apresentar a análise
dimensional desenvolvida por (CANDEIAS, 1999), na modelagem física,
considerando dois sistemas geometricamente semelhantes, onde os
parâmetros indicados por “*” significam uma relação entre o modelo e o
protótipo, tem-se:
xi m = l * xi p
( i =1,2,3)
tm = t * t p
(A1.4.1)
(A1.4.2)
Sendo os índices “m” e “p” indicam o sistema modelo e o sistema protótipo e
l* e t* são os fatores de escala de comprimento e de tempo,
respectivamente.
No modelo, o vetor velocidade em qualquer ponto é:
vi m =
dxi m
dt m
( i =1,2,3)
(A1.4.3)
( i =1,2,3)
(A1.4.4)
então,
vi m =
l * dxi p
t * dt p
157
ou,
vi m =
l*
v
t * ip
( i =1,2,3)
(A1.4.5)
Portanto o fator de escala de velocidade é:
l*
t*
v* =
(A1.4.6)
O vetor aceleração de qualquer ponto do modelo é dado por:
ai m =
dvi m
dt m
( i =1,2,3)
(A1.4.7)
E conforme as equações (A1.4.2) e (A1.4.5) têm-se:
ai m =
l*
a
(t *)2 i p
( i =1,2,3)
(A1.4.8)
Ou seja,
a* =
l*
(t *)2
(A1.4.9)
E as distribuições de massa também serão semelhantes, se:
mm = m * m p
(A1.4.10)
Sendo mm e mp as massas de partes homólogas, no sistema modelo
e protótipo, respectivamente, e m* é o fator de escala. Aplicando a lei de
Newton, tem-se:
Fi m = mm ai p
158
( i =1,2,3)
(A1.4.11)
Substituindo as equações (A1.4.9) na equação (A1.4.11) obtém-se:
F* = m *
l*
(t *)2
(A1.4.12)
Sendo o F* o fator de escala de forças.
Na modelagem física o comportamento dos materiais pode ser
representado por dois campos distintos: modelagem física convencional e a
modelagem física em centrífugas.
•
Na modelagem física convencional os modelos são ensaiados em campo
gravitacional normal.
•
Na modelagem física em centrífugas criam-se artificialmente forças de
gravidade nas quais os ensaios são conduzidos, considerando-se as
forças externas.
(CANDEIAS, 1999) afirma que para obter um campo de tensões no
modelo igual ao do protótipo para que haja completa semelhança mecânica,
é possível submetendo-o a campos gravitacionais maiores e proporcionais à
redução de escala que o mesmo foi construído.
159
A.5 MODELAGEM FÍSICA CONVENCIONAL
Na modelagem física convencional em que se quer estudar um
determinado fenômeno em escala reduzida, geometricamente semelhante,
impõe-se a escala geométrica de redução:
l* =
1
N
(A1.5.1)
Procedendo os ensaios sobre modelo em ambiente gravitacional
normal, o fator de escala desta aceleração é:
g* = 1
(A1.5.2)
Admitindo-se que os materiais do modelo são idênticos aos do
protótipo, o fator de escala de massa específica é:
ρ* = 1
(A1.5.3)
E por definição,
ρ* =
m*
(l *)3
(A1.5.4)
Atendendo a equação (A1.5.1), tem-se:
m* =
1
N3
(A1.5.5)
160
De acordo com a 2a lei de Newton, para um corpo em repouso
submetido a um campo gravitacional uniforme tem-se:
F* = m * g
(A1.5.6)
E se considerar as equações (A1.5.2) e (A1.5.5), deve-se ter:
F* =
1
N3
(A1.5.7)
E o fator de escala de tensões é,
σ* =
F*
(l *)2
(A1.5.8)
e considerando as equações (A1.5.1) e (A1.5.7), tem-se:
σ* =
1
N
(A1.5.9)
E substituindo na equação (A1.4.12) as equações (A1.5.1), (A1.5.5) e
(A1.5.7) tem-se:
t* =
1
N
(A1.5.10)
Substituindo também as equações (A1.5.1) e (A1.5.10) nas equações
(A1.4.6) e (A1.4.9), tem-se:
v* =
1
N
a* = 1
161
(A1.5.11)
(A1.5.12)
Estes valores constituem fatores de escala fundamentais associados
à modelagem física convencional com materiais idênticos aos do protótipo.
Lembrando que esses fatores de escala derivam exclusivamente das
hipóteses inerentes à técnica de modelagem física em análise, não
traduzindo, portanto nenhum objetivo de semelhança, ou seja, esses valores
são impostos pela técnica de modelagem física e são independentes dos
fenômenos a serem estudados em modelos.
“Os valores dos fatores de escala de comprimento, tempo,
velocidades, aceleração, massa, força e tensão agora obtidos são impostos
pela técnica de modelagem física e, independentes dos fenômenos a
estudar no modelo. Podem surgir conflitos de escalas, isto é, os fatores de
escala associados à técnica de modelagem física podem suscitar o
desrespeito a algumas leis de modelagem estabelecidas para um
determinado fenômeno”, Candeias (1999, p.43).
162
A.6 MODELAGEM FÍSICA EM CENTRÍFUGA
Considerando agora a técnica de modelagem em centrífuga e
procedendo da mesma forma que na modelagem física convencional,
impondo o fator de escala geométrica de redução e admitindo que os
ensaios sobre o modelo são realizados em campo artificial de aceleração N
vezes superior ao da gravidade, sendo N o fator de redução geométrica,
tem-se:
g* = N
(A1.6.1)
Se os materiais do modelo forem idênticos aos do protótipo, ρ*=1,
tem-se:
1
N3
m* =
(A1.6.2)
Pela 2a lei de Newton decorre que:
F* =
1
N2
(A1.6.3)
Comparando com as equações (A1.4.6), (A1.4.9), (A1.5.8) e (A1.5.10)
tem-se:
v* = 1
(A1.6.4)
a* = N
(A1.6.5)
σ* = 1
(A1.6.6)
t* =
1
N
(A1.6.7)
163
(NIYAMA, 1992) discute em sua tese que Galileu foi o primeiro a
aplicar a análise escalar moderna utilizando a noção de tensão crítica σcr* =
l*γ*, sendo l o comprimento, γ o peso específico que resulta a seguinte
expressão:
σ* = ρ*. g *.l*
(A1.6.8)
Sendo ρ a massa específica e g a aceleração da gravidade terrestre.
Esta expressão formula as condições de semelhança entre as grandezas
físicas envolvidas entre um protótipo e um modelo em escala reduzida.
Segundo
(NIYAMA,
1992),
o
trabalho
de
(MANDEL,
1962)
demonstrou que em meios contínuos, as equações de equilíbrio são
verificadas se a expressão acima for levada em consideração.
De fato, na tese de (CANDEIAS, 1999) é apresentada a equação do
equilíbrio de um meio contínuo como sendo:
3
∂σ i j
j =1
∂x j
+ ρ gi −
∂ 2δ i
∂t 2
( i , j = 1, 2, 3)
(A1.6.9)
Sendo:
σ i , j , são componentes do tensor das tensões totais;
g i , são os componentes do vetor das forças de massa;
δ i , são os componentes de vetor de deslocamento;
ρ, é a massa volumétrica do material que constitui o meio.
A equação (A1.6.9) traduz uma relação dimensional homogênea da
forma:
σ i j = f (δ i , x j , ρ, g i , t)
( i , j =1, 2, 3)
(A1.6.10)
Que pode ser reduzida a uma relação adimensional do tipo:
φ
164
g
σ 2 σ 3 δ i x 2 x3
ρ
, , , , , −2 2 , i−2 = 0
σ 1 σ 1 x1 x1 x1 x1 t σ 1 x1t
(i= 1, 2, 3)
(A1.6.11)
Escolhendo-se as variáveis x1, σ1 e t para representarem as
dimensões
fundamentais
intervenientes,
sendo,
σi
as
componentes
principais do tensor das tensões totais ( i =1, 2, 3).
Com os componentes adimensionais constantes da formulação
adimensional do equilíbrio é possível estabelecer as leis da modelagem para
que o equilíbrio do meio modelo seja semelhante ao do protótipo.
Supondo que o modelo e o protótipo são mais uma vez
geometricamente semelhantes. E ainda impondo a igualdade dos valores
dos produtos adimensionais no modelo e no protótipo, obtém-se:
σ* = σ i *
( i =1, 2, 3)
(A1.6.12)
δ* = δ i * = l*
( i =1, 2, 3)
(A1.6.13)
l* = x i *
( i =1, 2, 3)
(A1.6.14)
ρ* = (l*)-2 (t*)2 σ*
g* = g i * = l* (t*)-2
(A1.6.15)
( i =1, 2, 3)
(A1.6.16)
De (A1.6.16) vem:
(t*)2 = l*/g*
(A1.6.17)
Substituindo (A1.6.17) em (A1.6.15) obtém-se a equação A1.6.18:
σ* = ρ* . g* . l*
(A1.6.18)
Que traduz a lei da modelagem fundamental para problemas de
equilíbrio estático.
Em
se
tratando
de
solos,
devido
a
complexidade
do
seu
comportamento e para garantir as condições de semelhança citadas
165
anteriormente, o modelo pode ser construído com os mesmos materiais
empregados no protótipo, sendo ρ* = 1, e desejando-se trabalhar com o
mesmo nível de tensões σ* = 1, o que vai facilitar a análise das tensões
versus deformações, na qual se terá o produto:
g*.l* = 1
(A1.6.19)
O princípio básico do ensaio em centrífuga é trabalhar com este
produto, aumentando a aceleração na mesma proporção da redução da
escala linear.
Portanto, a necessidade de obter o campo de tensões no modelo
igual ao do protótipo é fundamental para contornar o problema de
semelhança. Esta mudança de campo gravitacional pode ser conseguida
pelas centrífugas.
Esses trabalhos foram também apresentados nos textos de
(RAMIRES, 2002) e (RAMIRES et al., 2000, 2001, 2002)
166
A.7 RELAÇÕES DE ESCALA
A seguir são apresentadas na Tabela A.1, algumas relações escalares das
grandezas físicas entre o protótipo e o modelo reduzido submetido a N
vezes a aceleração gravitacional (Ko, 1988).
167
Tabela A.1 – Fatores de escala associados à modelagem física em
centrífugas, (KO, 1988)
Grandeza
Protótipo
Modelo
Comprimento
N
1
Área
N2
1
Volume
N3
1
Velocidade
1
1
Aceleração
1
N
Massa
N3
1
Força
N2
1
Tensão/Pressão sob líquidos
1
1
Deformação
1
1
Deslocamento
N
1
Tempo evento dinâmico
N
1
Tempo difusão
N2
1
Tempo fluência
1
1
Freqüência
1
N
Trabalho/Energia
N3
1
Potência
N2
1
168
A.8 REFERÊNCIAS
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170
SISTEMA SEM FIOS ADOTADO
Apêndice B – Sistema Sem Fios Adotado
171
B.1 SISTEMA ADOTADO
O sistema empregado nos ensaios de modelos físicos consiste de
dispositivos discutidos em um dos trabalhos pesquisados. Estes dispositivos
passaram por diversas evoluções a partir do trabalho dos (MAXWELL;
WILLIAMSOM, 2000), sendo a última versão denominada de 2.01
(CHIPCON, 2004), de fabricação da Chipcon AS, subsidiária da Texas
Instruments, na Noruega. O sistema é denominado de SmartRF CC1010DK,
que foi adquirido de um kit de desenvolvimento para o início dos trabalhos.
Os trabalhos preliminares foram constituídos de estudos dos manuais,
instalação no microcomputador dos softwares de edição e compilação e, de
gravação dos nós sensores e dos nós gateway. Após estes procedimentos,
passou-se a elaborar uma metodologia com etapas de utilização e emprego
da infra-estrutura disponível, obedecendo às recomendações do fabricante.
O sistema SmartRF CC1010DK é um conjunto de dispositivos
denominado de Development Kit, tendo uma placa denominada CC1010EB
(Evaluation Board) que é uma placa de avaliação e duas placas
denominadas de CC1010EM (Evaluation Module) que são dois nós (sendo
um o nó sensor e outro, o nó gateway) contendo um chip único com três
funções principais integradas: possui um transceiver UHF com um
microcontrolador de alto desempenho compatível com a família 8051,
contém 32 kB de memória flash para programação e um conversor
analógico/digital de três canais (CHIPCON, 2004). O trasceiver RF pode ser
programado para operar na faixa de 300 ~ 1000 MHz.
O transceiver do kit adquirido está ajustado pelo fabricante para
operar na freqüência de 868 MHz e foi projetado para operar com baixa
energia em aplicações sem fios (CHIPCON, 2004). O chip CC1010, junto
com poucos componentes passivos externos, constitui um sistema embutido
poderoso com capacidade de comunicação sem fio. Ele é baseado na
tecnologia 0,35µm CMOS, com baixo consumo de corrente (9,1 mA em RX),
taxa de dados de 76,8 kbps, opera em Fast PLL permitindo ajustes para
172
protocolos com freqüência hopping (CHIPCON, 2004). O microcontrolador
possui um desempenho de 2 vezes maior que o microcontrolador padrão
8051, a memória flash é de 32 kB, sendo 2048 + 128 bytes de SRAM
(CHIPCON, 2004). O conversor A/D de três canais possui resolução de 10
bits, 20 kS/s, quatro timers / 2 PWM’s, 2 UART’s, RTC, Watchdog, SPI,
criptografia DES, vinte e seis (26) pinos de E/S, as três entradas deste A/D
são do tipo unipolar (0 a 1023 que equivalem a uma faixa de tensão de 0 até
1,25 Volts ou a tensão de alimentação da placa de 3 Volts) e modo singleended (CHIPCON, 2004). A comunicação entre o sistema e o computador
ocorre pela porta serial e é suportado pelo software Keil µVision3 IDE
(ambiente de edição e compilação). O software Flash Programmer é o
ambiente de transferência do arquivo compilado para os nós sensor e
gateway, gravando a informação na memória flash do chip. O software
Smart RF Studio é o ambiente de ajustes dos registradores do chip, ou seja,
configurações gerais do mesmo. Na Figura B.1 são apresentados o chip e
suas pinagens.
Figura B.1 – Configuração e pinagem do chip CC1010, (CHIPCON, 2004)
173
Na Figura B.2 é mostrado o diagrama de blocos das funções do chip
CC1010 da Chipcon (CHIPCON, 2004).
Figura B.2 – Diagrama esquemático das funções do chip CC1010,
(CHIPCON, 2004)
Na Figura B.3 é mostrada a placa de avaliação, sendo possível notar
na parte superior desta placa que se encontra um dos módulos encaixado.
Este módulo é denominado de nó “gateway” (CHIPCON, 2003). Na Figura
B.4 é apresentado o módulo de avaliação denominado neste trabalho como
sendo nó sensor (CHIPCON, 2003).
174
Figura B.3 – Placa de avaliação, (CHIPCON, 2003)
Figura B.4 – Módulo de avaliação, (CHIPCON, 2003)
A placa de avaliação CC1010EB pode ser alimentada entre 4 a 10
Volts, possui diversos recursos tais como: duas portas serial RS-232, uma
porta paralela, jumpers de ajustes. Possui diversos recursos periféricos
como: dois potenciômetros para simular sinais na entrada do A/D, quatro
botões (do tipo push button) para conectar as pinagens do CC1010 ao terra,
quando acionados. Possui quatro LED’s, sendo o LED1 de cor vermelha,
175
LED2 de cor amarela, LED3 de cor verde, e o LED4 de cor azul. Os LEDs
são conectados ao VCC por resistores e o catodo destes LED’s é conectado
nos pinos de E/S do CC1010 por buffers. Possui ainda duas saídas PWM’s
(PWM2 e PWM3) que são providos com buffers e filtros RC com freqüência
de corte de 3 kHz. Possui também pontos para instalação de um sensor de
temperatura LM61 da National Semicondutor. O botão RESET quando
acionado reinicia a placa de avaliação e seus dispositivos são zerados. A
placa de avaliação possui diversos conectores para facilitar o acesso aos
sinais. Os dois sockets (P1 e P2) na placa de avaliação conectam os
módulos de avaliação, não sendo possível conectá-los de forma invertida. A
placa de avaliação gerencia até dezesseis (16) módulos simultâneos,
lembrando que cada módulo pode ter de um (1) até três (3) sensores,
perfazendo um total de até quarenta e oito (48) sensores para
monitoramento ao mesmo tempo.
Os módulos de avaliação possuem um chip CC1010 cada e necessita
de circuito externo para seu funcionamento, possui resistores pull-up para
todos os pinos de E/S do chip, possui pontos de testes e um sensor de
temperatura (LM61 da National Semiconductor) conectado ao A/D, canal 1
denominado de ADC1. Necessitando utilizar este canal para acoplar outro
sensor, o sensor de temperatura pode ser desconectado com facilidade do
circuito. Possui dois contatos para fornecer energia ao módulo, denominados
de TP3 e TP4, que pode ser conectada a uma bateria ou uma fonte de
energia de 2,7 a 3,6 Volts.
Os procedimentos adotados e a montagem desses dispositivos para
atender a topologia proposta consistem de: a placa de avaliação é
conectada ao microcomputador pela porta serial, um dos módulos de
avaliação é conectado à placa de avaliação, sendo denominado como nó
gateway e o segundo módulo de avaliação fica desconectado da placa
sendo denominado de nó sensor. Esta configuração atende até dezesseis
módulos externos, ou seja, dezesseis nós sensores. O nó gateway
conectado à placa é denominado de BASE e os nós sensores são chamados
de SENSOR 1_2_3, SENSOR 4_5_6, SENSOR 7_8_9, SENSOR 10, e
176
assim por diante. Para gravar o software desenvolvido nos nós sensores e
no nó gateway é necessário conectá-los à placa. Durante a gravação é
fornecido um ID para cada módulo, após a gravação, cada um será
identificado, pelo seu ID individual, pelo Hiper Terminal do Windows para
serem reconhecidos pela rede da host. Os softwares gravados nos nós
foram desenvolvidos no Keil µVision 3 IDE e a gravação foi feita pelo Flash
Programmer. O software Keil µVision 3 IDE é um ambiente de
desenvolvimento integrado (IDE – Integrated Development Environment) que
permite o desenvolvimento de suportes, depuração e simulação de
aplicações para o CC1010. Ele inclui um guia para gerenciamento de
projetos,
editor
de
texto,
simulador
e
depurador,
como
um
compiler/assembler/linker.
O software Keil µVision 3 IDE é denominado de CC1010IDE e é
baseado numa ferramenta de desenvolvimento do software Keil ™ Elektronik
GmbH. Esta ferramenta fornece todos os recursos para a programação do
microcontrolador 8051. O editor é uma ferramenta para fornecer uma fonte
de edição e montagem de arquivos. Fornece também sintaxes e outras
funcionalidades úteis. Além disto, o IDE fornece as interfaces para a DLL
usada para simulação e depuração de circuitos. Esse software é um
compilador que converte um ou mais arquivos, cuja fonte de código pode ser
escrita em C e/ou Assembler. Finalmente, o linker do IDE isola funções e
variáveis que são usadas no programa e produz um arquivo executável em
formato hexadecimal ‘Intel HEX’ que pode ser carregado na memória flash
do CC1010. Na Figura B.5 é mostrado o painel frontal do software Keil
µVision 3 IDE. O software SmartRF Studio opera no sistema operacional
Windows e oferece ao sistema CC1010 os ajustes de configuração
baseados nas seleções de vários parâmetros pelo usuário. Estes ajustes nos
registradores do CC1010 configuram a transmissão em RF e grava o
programa executado no software Keil µVision 3 IDE no CC1010. Na Figura
B.6 é apresentado o painel frontal deste software. O software Flash
Programmer de edição que permite apagar, gravar e verificar o programa
177
gerado pelo Keil µVision 3 IDE, cuja extensão é hex , na memória flash do
chip CC1010 (ver Figura B.7).
Figura B.5 – Painel frontal do software keil µVision 3 IDE, (CHIPCON, 2002)
Figura B.6 - Painel frontal do software Smart RF Studio, (CHIPCON, 2002)
B.7 – Painel frontal do software Flash Programmer, (CHIPCON, 2002)
178
179
B.2 REFERÊNCIAS
CHIPCON; Datasheet rev. 2.01, SmartRF CC1010; 2004. Norway.
CHIPCON; User Manual Rev. 2.01, SmartRF CC1010DK Development
Kit, 2003. Norway.
CHIPCON; Quick Start Instructions CC1010DK Development Kit; 2003.
Norway.
CHIPCON; User Manual Rev. 1.4 CC1010IDE Integrated Development
Environment; 2002. Norway.
180
SOFTWARE COM IMPLEMENTAÇÃO DO MÉTODO PARA
PROTEÇÃO DOS DADOS CONTRA FALHAS DE
COMUNICAÇÃO
Apêndice C – Software com Implementação do Método para Proteção dos Dados
Contra Falhas de Comunicação
C.1 PROGRAMA COMPLETO
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#include <string.h>
#include <chipcon/reg1010.h>
#include <chipcon/cc1010eb.h>
#include <chipcon/hal.h>
#include <chipcon/cul.h>
/* Bibliotecas utilizadas */
// Constantes de criptografia
#define RND_LENGTH 220
#define KEY_LENGTH 8
// Definindo os endereços para criptografia
#define RAMBUF_ADDRESS 0x0000
#define CRPKEY_ADDRESS 0x0150
// Valores relacionados ao programa principal:
#define TAMANHO_IDENTIFICACAO
2
#define TAMANHO_NOME
10
#define ID_MAIS_NOME
(TAMANHO_IDENTIFICACAO +
TAMANHO_NOME)
#define POSICAO_OCUPADA_DADO
200 /* Cada byte*/
#define TAMANHO_DADO
(TAMANHO_IDENTIFICACAO +
TAMANHO_NOME + POSICAO_OCUPADA_DADO)
// Valores relacionados à rádio-freqüência
#define ENDEREÇO_TRANSMISSAO 3
#define INTERVALO_RECEPCAO
25
#define BYTES_PRIMARIOS
10
// Registro dos nós
#define INDICE_NO_INVALIDO
255
#define ID_NO_NAO_UTILIZADO 0x0000
// Relacionado à velocidade
byte xdata MultiplicadorAtraso;
// Valores dos conversores
#define MAXIMO_NUMERO_NOS
2
word xdata IdentidadeNo[MAXIMO_NUMERO_NOS];
byte xdata NomeNo[MAXIMO_NUMERO_NOS][TAMANHO_NOME];
word xdata TemperaturaNo[MAXIMO_NUMERO_NOS][70];
word xdata Inteiro[3][30];
181
word xdata Decimal[3][30];
// Ajustes dos buffers de RAM para criptografia
byte xdata ramBuf[RND_LENGTH] _at_ RAMBUF_ADDRESS;
byte xdata keyBuf[KEY_LENGTH] _at_ CRPKEY_ADDRESS;
// Arrays que serão inicializadas com bytes randômicos
byte xdata rndData[RND_LENGTH];
byte xdata rndKeys[KEY_LENGTH];
// Nome da unidade, armazenado na memória Flash
byte code NomeUnidadeFlash[TAMANHO_NOME];
// Buffer da RAM para cópia na memória Flash
byte xdata BufferRAMNaoAlinhado[128];
// Variáveis auxiliares para lógicas no programa todo
int xdata aux3, aux6=0;
bit registro=1, JaFeito=0, NaoFeito=1;
word xdata UltimoValor[20], ValorTimer;
int Contagem;
// Variáveis do SPP
SPP_SETTINGS xdata sppSettings;
SPP_RX_INFO xdata RXI;
SPP_TX_INFO xdata TXI;
byte xdata BufferRecepcao[250];
byte xdata BufferTransmissao[250];
// Prototipagem das funções
void GeraNumeroRandomico (void);
void Transmite (void);
void Recebe (void);
void ExibeValores (void);
void Registrar (void);
//---------------------------------------------------------------------------//
PROGRAMA
PRINCIPAL
//
//---------------------------------------------------------------------------void main (void) {
byte xdata n;
byte xdata m;
// Frequência do cristal: 22.118400 MHz
// Frequência A do RF: 868.277200 MHz
// Frequência B do RF: 868.277200 MHz
Rx
Tx
182
183
// Modo RX: Low side LO
// Frequência de separação: 64 kHz
// Taxa de dados: 38.4 kBaud
// Formato dos dados: NRZ
// Potência de saída do RF: 4 dBm
// IF/RSSI: RSSI desabilitado
};
RF_RXTXPAIR_SETTINGS code RF_SETTINGS =
{
0xA3, 0x2F, 0x15, // Modem 0, 1 and 2
0x75, 0xA0, 0x00, // Freq A
0x58, 0x32, 0x8D, // Freq B
0x01, 0xAB,
// FSEP 1 and 0
0x40,
// PLL_RX
0x30,
// PLL_TX
0x6C,
// CURRENT_RX
0xF3,
// CURRENT_TX
0x30,
// FREND
0xFF,
// PA_POW
0x00,
// MATCH
0x00,
// PRESCALER
// Dados de calibração
// Inicialização de periféricos
WDT_ENABLE(FALSE);
RLED_OE(TRUE);
YLED_OE(TRUE);
GLED_OE(TRUE);
BLED_OE(TRUE);
RLED = LED_ON;
// Set optimum settings for speed and low power consumption
MEM_NO_WAIT_STATES();
FLASH_SET_POWER_MODE(FLASH_STANDBY_BETWEEN_READS);
// Alimentação do gerador de números randômicos
halRandomNumberGen(&n, 1); /* Gera um byte randômico */
halRandomNumberGen(&m, 1);
srand((n << 8) + m); /* Desloca n à esquerda em 8 bits (Multiplica por 256)
e soma m */
MultiplicadorAtraso = 0.1;
// Configuração do conversor A/D
/* Seleciona amostra simples, utiliza referência interna de Vdd */
184
halConfigADC(ADC_MODE_MULTI_CONTINUOUS |
ADC_REFERENCE_VDD, CC1010EB_CLKFREQ, 0);
ADC_POWER(TRUE); /* Liga o conversor */
ADC_RUN(TRUE);
sppSetupRF(&RF_SETTINGS, &RF_CALDATA, TRUE); /* Configuração
da forma de amostra simples */
sppSettings.myAddress = ENDEREÇO_TRANSMISSAO;/* Endereço da
comunicação */
recepção */
sppSettings.txPreambleByteCount = BYTES_PRIMARIOS; /* Número de
bytes transmitidos */
RXI.pDataBuffer = BufferRecepcao; /* Associa RXI.pDataBuffer ao
(endereço 0) */
TXI.pDataBuffer = BufferTransmissao;
/* Associa TXI.pDataBuffer ao
TXI.dataLen = TAMANHO_DADO; /* Tamanho do dado transmitido */
// Configuração do Timer 2 (contagem de tempo)
halConfigTimer23(TIMER2 | TIMER23_INT_TIMER, 1000,
CC1010EB_CLKFREQ);
INT_ENABLE(INUM_TIMER2, INT_ON);
TIMER2_RUN(TRUE);
INT_GLOBAL_ENABLE(TRUE);
/* Configura a porta serial para 115200, frequência de clock do cristal,
sem paridade,
para transmissão e recepção, e habilita o flag para checar se o byte
transmitido já
chegou ao seu destino */
UART0_SETUP(115200, CC1010EB_CLKFREQ, UART_NO_PARITY |
UART_RX_TX | UART_POLLED);
// Limpa identidade do nó
{
IdentidadeNo[n] = ID_NO_NAO_UTILIZADO;
}
185
// Limpa o nome do nó
NomeNo[0][n] = 0x00;
/* Roda Timer3 com um período de 10ms. A referência é a frequência
do cristal (221184) */
sppStartTimer(CC1010EB_CLKFREQ);
SPP_INIT_TIMEOUTS();
/* Essa função copia "TAMANHO_NOME" bytes da
NomeUnidadeFlash para o nodeNames[0][0] */
memcpy(&NomeNo[0][0],NomeUnidadeFlash,TAMANHO_NOME);
// Get our ID from CRC16(our name)
/* Opera com blocos de dados, e não simplesmente um byte apenas */
IdentidadeNo[0] = culFastCRC16Block(&NomeNo[0][0],
TAMANHO_NOME, CRC16_INIT);
// Prepara identidade mais nome do pacote
BufferTransmissao[0] = (IdentidadeNo[0] >> 8) & 0xFF;
BufferTransmissao[1] = IdentidadeNo[0] & 0xFF;
BufferTransmissao[n + TAMANHO_IDENTIFICACAO] = NomeNo[0][n];
// Loop eterno
#ifdef base /* Se for configurado para base */
while (TRUE)
{
if (registro)
Registrar();
Recebe();
GeraNumeroRandomico();
}
#endif
#ifdef sensor /* Se for configurado para sensor */
while (TRUE)
{
if (registro)
Registrar();
Transmite();
GeraNumeroRandomico();
}
#endif
} // main
void Registrar (void) {
byte xdata ef;
186
if (RI_0)
{
RI_0 = 0;
if (isdigit(UART0_RECEIVE()))
MultiplicadorAtraso = toint(UART0_RECEIVE());
else if (UART0_RECEIVE() == 'n')
{
registro = 0;
memset(&NomeNo[0][0],0,TAMANHO_NOME);
scanf("%s", &NomeNo[0][0]);
/* Escreve nome na memória Flash */
halCopy2Flash(NomeUnidadeFlash,&NomeNo[0][0],TAMANHO_NOME,
BufferRAMNaoAlinhado, CC1010EB_CLKFREQ);
/* "Pega" identificaçao pela CRC16*/
IdentidadeNo[0] = culFastCRC16Block(&NomeNo[0][0],
TAMANHO_NOME, CRC16_INIT);
/* Prepara identidade e nome do pacote */
BufferTransmissao[0] = (IdentidadeNo[0] >> 8) & 0xFF;
BufferTransmissao[1] = IdentidadeNo[0] & 0xFF;
for (ef = 0; ef < TAMANHO_NOME; ef++) {
BufferTransmissao[ef + TAMANHO_IDENTIFICACAO] =
NomeNo[0][ef];
}
}
}
}
//---------------------------------------------------------------------------// void GeraNumeroRandomico (void)
//
// Description:
//
Wait for a random number of msecs (0 to 255*8=2040)
//
Note: The function uses busy waiting
//---------------------------------------------------------------------------void GeraNumeroRandomico (void) {
byte xdata tempo;
byte xdata n;
/* Gera um número randômico para uma rotina de espera (0 a 255ms)
*/
tempo = rand();
for (n = 0; n < MultiplicadorAtraso; n++) {
187
/* Tempo para esperar, usando como referência o clock da máquina
(cristal) */
halWait (tempo, CC1010EB_CLKFREQ);
}
} // GeraNumeroRandomico
void Transmite (void)
{
word xdata temp;
int xdata b=0, aux1=0, aux2=0, xis, con=0, contador2, a=0, h=0, z=0;
do {
YLED = LED_ON;
ADC_RUN(TRUE);
(AD1) */
b++;
ADC_RUN(TRUE);
(AD0) */
b++;
ADC_RUN(TRUE);
(AD2) */
b++;
188
b++;
}
*/
{
}
contador2 += 2;
{
if ((xis%4)==0)
{
a++;
}
else
{
if (((xis-1)%4)==0)
{
8);
h++;
}
else
{
if (((xis-2)%4)==0)
{
rndData[contador2] =
rndData[contador2 + 1] =
z++;
}
else
{
}
189
rndData[contador2] =
rndData[contador2 + 1] =
}
}
}
contador2 += 2;
rndKeys[xis]=0x00;
halDES(DES_SINGLE_DES | DES_ENCRYPT | DES_CFB_MODE,
{
b++;
}
} // Transmite
void Recebe (void) {
byte xdata n, IndiceNo, *Localizacao;
word xdata IdNo;
int xdata c=0, d, e, g, aux4=0, aux5=0, aux16=0, cont_tempo=0,
NumeroValores, y, v, q;
int DiferencaTempo;
YLED = LED_ON;
y = 0;
v = 0;
q = 0;
do
{
{
190
/* Analiza
{
/*
continue;
{ /* Exibe */
recebidos */
{
{
y++;
}
{
if (((g+1)%3) == 0) /* Se
{
v++;
}
else
{
q++;
DiferencaTempo =
cont_tempo++;
printf("%06d\n",
}
}
}
}
}
}
JaFeito = 0; /* Feito uma vez, zera JaFeito para não exibir mais os
valores na tela*/
} while (sppStatus() != SPP_IDLE_MODE);
JaFeito = 1; /* JaFeito volta a ser um pois deve ser feita nova exibição
YLED = LED_OFF;
/* Terminada, apaga o LED amarelo */
*/
*/
191
if (RXI.status == SPP_RX_FINISHED) /* Se a recepção foi bem sucedida
{
{
{
IndiceNo = n;
break;
}
else
{
IndiceNo = n;
break;
}
else
}
NumeroValores /= 3;
rndKeys[c]=0x00;
192
c = 0;
aux3 = 0;
{
4 */
{
rndData[c+1]);
}
else
múltiplas de 4
deslocadas de 1 */
{
rndData[c+1]);
}
else
linhas múltiplas de 4
deslocadas de 2 */
aux6++;
if (((d-2)%4) == 0) /* Se estiver em
{
<< 8) + rndData[c+1]);
aux3++;
}
de 4
}
c+=2;
}
deslocadas de 3 */
{
}
aux4++;
aux6 += 2;
aux6 *= 2;
}
else
GLED = LED_OFF; /* Se não é válido, apaga o LED verde */
} // Recebe
//---------------------------------------------------------------------------//
Rotina de Tratamento do Timer2
//
//---------------------------------------------------------------------------void TIMER2_ISR() interrupt INUM_TIMER2
{
Contagem++;
// Reseta o timer para gerar outra interrupção
INT_SETFLAG (INUM_TIMER2, INT_CLR);
if (Contagem > 20000)
Contagem = 0;
} // TIMER2_ISR
//-------------------------------------------------------------------------------------//
Rotina para tratar as interrupções, mesmo que elas não estejam
sendo ultizadas.
---//
Caso não sejam tratadas, o programa não correrá de acordo com o
esperado, exceto --//
o compilador, que tem sua própria maneira de lidar com sua
interrupção -----------//-------------------------------------------------------------------------------------void FlashIntrHandler(void) interrupt INUM_FLASH
{
INT_SETFLAG(INUM_FLASH, INT_CLR);
return;
}
193
194
CURVAS DE CALIBRAÇÃO
(INSTRUMENTAÇÃO SEM FIOS E CONVENCIONAL)
Apêndice D – Curvas de calibração (Instrumentação Sem Fios e Convencional)
195
Calibração do Cantilever (Sistema Sem Fios)
600
500
Massa (gr)
400
300
y = 0,5844x
R2 = 0,9983
200
100
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Cantilever (bits)
Figura D.1 – Calibração do cantilever, sistema sem fios
Calibração Cantilever (Sistema Convencional)
600
500
Cantilever (gr)
400
300
y = 76,125x
R2 = 0,9997
200
100
0
0
1
2
3
4
5
6
Voltagem (V)
Figura D.2 – Curva de calibração do cantilever, sistema convencional
7
196
Calibração Tilt Sensor - Eixo X (Sistema Convencional)
50
Referência (graus)
40
30
y = 41,804x - 30,39
R2 = 0,9961
20
10
0
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
Tilt Sensor Eixo X (V)
Figura D.3 – Curva de calibração do eixo X, sistema convencional
Calibração do Tilt Sensor - Eixo Y (Sistema Convencional)
50
40
Referência (graus)
y = -6,1439x + 19,067
R2 = 0,9922
30
20
10
0
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
Tilt Sensor (V)
Figura D.4 – Curva de calibração do eixo Y, sistema convencional
3
197
Calibração Célula de Carga (Sistema Convencional)
40
Referência (N)
30
20
y = 184,85x + 706,7
2
R = 0,9995
10
0
-3,85
-3,80
-3,75
-3,70
-3,65
-3,60
Célula de Carga (V)
Figura D.5 – Curva de calibração da célula de carga, sistema convencional
Calibração do Encoder (Sistema Convencional)
250
200
Referência (mm)
150
100
y = 24,619x + 50,735
R2 = 0,9987
50
0
-50
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
Encoder (V)
Figura D.6 – Curva de calibração do encoder, sistema convencional
7
198
Calibração Tilt Sensor - Eixo X (Sistema Sem Fios)
0
Inclinação (graus)
-10
-20
-30
y = 0,0901x - 49,636
R2 = 0,9994
-40
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
Eixo X (bits)
Figura D.7 – Curva de calibração do eixo X, sistema sem fios
Calibração Tilt Sensor - Eixo Y (Sistema Sem Fios)
0
Inclinação (graus)
-10
-20
-30
y = 0,0987x - 47,79
R2 = 0,9991
-40
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Eixo Y (bits)
Figura D.8 – Curva de calibração do eixo Y, sistema sem fios
500
199
Calibração da Célula de Carga (Sistema Sem Fios)
50
40
Força (N)
30
20
y = 0,395x - 17,874
R2 = 0,9999
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Célula de Carga (bits)
Figura D.9 – Curva de calibração da célula de carga, sistema sem fios
Curva de Calibração do Encoder (Sistema Sem Fios)
250
Referência (mm)
200
150
100
y = 0,2159x
R2 = 0,9996
50
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Encoder (bits)
Figura D.10 – Curva de calibração do encoder, sistemas sem fios
1000
200
Calibração da Amarra do Tipo Fio Trançado Fireline
12
9
Deslocamento (mm)
y = -0,0963x3 + 1,2302x2 - 1,0395x + 0,0949
R2 = 0,9989
6
3
0
-3
0
1
2
3
4
Força (N)
Figura D.11 – Curva de calibração da amarra do sistema de arraste
5
201
PROGRAMA NA PLATAFORMA LABVIEW
201
PROGRAMA NA PLATAFORMA LABVIEW
Apêndice E – Programa na Plataforma LabVIEW
Figura E.1 - Painel Frontal do Programa LabVIEW
Figura E.2 – Diagrama de Blocos do Programa LabVIEW
202
203
CALIBRAÇÃO DA CENTRÍFUGA, TESTES E ENSAIOS
(INSTRUMENTAÇÃO SEM FIOS E CONVENCIONAL)
Apêndice F – Calibração da Centrífuga, Testes e Ensaios
204
Calibração da centrífuga 50g (instrumentação Sem Fios)
60
Cantilever (gr)
45
30
15
0
-15
0
50
100
150
200
250
300
Tempo (s)
Figura F.1 – Curva de calibração da centrífuga com sistema sem fios a 50 g
Calibração da Centrífuga em 50g (Instrumentação Convencional)
60
Cantilever (g)
45
30
15
0
-15
0
50
100
150
200
250
300
Tempo (s)
Figura F.2 – Curva de calibração da centrífuga com sistema convencional a
50 g
205
Calibração da Centrífuga (convencional 50g)
60
Cantilever (g)
45
30
15
0
-15
0
50
100
150
200
250
300
Tempo (s)
50 g
Calibração da Centrífuga (convencional 50g)
60
Cantilever (g)
45
30
15
0
-15
0
50
100
150
200
250
300
Tempo (s)
50 g
206
Calibração da centrífuga 75g (instrumentação Sem Fios)
80
70
60
Cantilever (g)
50
40
30
20
10
0
-10
0
50
100
150
200
250
300
Tempo (s)
Figura F.5 – Curva de calibração da centrífuga com sistema sem fios a 75 g
Calibração da centrífuga 75g (instrumentação convencional)
80
70
60
Cantilever (g)
50
40
30
20
10
0
-10
0
50
100
150
200
250
300
Tempo (s)
75 g
207
Calibração da Centrífuga 100g (instrumentação Sem Fios)
120
Sensor Wireless (g)
100
80
60
40
20
0
-20
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Tempo (s)
Figura F.7 – Curva de calibração da centrífuga com sistema sem fios, 100 g
Calibração da centrífuga 100g (instrumentação convencional)
120
100
Cantilever (g)
80
60
40
20
0
-20
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Tempo (s)
100 g
208
Figura F.9 – Centrífuga em repouso, com a instrumentação convencional
Figura F.10 – Aceleração da centrífuga, com instrumentação convencional
209
Figura F.11 – Patamar de operação, com a instrumentação convencional
Figura F.12 – Rampa desaceleração, com a instrumentação convencional
210
Histograma Normal (50 g convencional)
Freqüência de amostras
50
40
30
20
10
0
46,0
47,0
48,0
49,0
50,0
51,0
52,0
53,0
54,0
Aceleração (g)
Figura F.13 – Histograma da curva de calibração do sistema convencional
no regime de operação da centrífuga em 50 g.
Histograma Normal (50 g sem fio)
800
700
600
500
400
300
200
100
0
46,0
47,0
48,0
49,0
50,0
51,0
52,0
53,0
54,0
Aceleração (g)
Figura F.14 – Histograma da curva de calibração do sistema sem fios no
regime de operação da centrífuga em 50 g.
211
80
60
40
20
0
70,0
72,0
74,0
76,0
78,0
80,0
Aceleração (g)
Histograma Normal (75g sem fio)
700
600
500
400
300
200
100
0
70,0
72,0
74,0
76,0
78,0
80,0
Aceleração (g)
212
60
50
40
30
20
10
0
98,0
99,0
100,0
101,0
102,0
103,0
104,0
Aceleração (g)
Histograma Normal (100 g sem fio)
1500
1200
900
600
300
0
98,0
99,0
100,0
101,0
102,0
103,0
104,0
Aceleração (g)
213
Ensaio de Arraste da Âncora 1, Inclinação Eixo X em Função do Deslocamento
(Instrumentação Sem Fios)
Inclinação Eixo X (graus)
-30
-20
-10
0
0
20
40
60
80
100
120
Deslocamento (mm)
Figura F.19 – Eixo X da âncora 1, instrumentação sem fios
(Instrumentação Convencional)
-30
-20
-10
0
0
20
40
60
80
100
Deslocamento (mm)
Figura F.20 – Eixo X da âncora 1, instrumentação convencional
120
214
Ensaio de Arraste da Âncora 1, Inclinação Eixo Y em Função do Deslocamento
-20
Inclinação Eixo Y (graus)
-10
0
10
20
0
20
40
60
80
100
120
Deslocamento (mm)
Figura F.21 – Eixo Y da âncora 1, instrumentação sem fios
-20
-10
0
10
20
0
20
40
60
80
100
Deslocamento (mm)
Figura F.22 – Eixo Y da âncora 1, instrumentação convencional
120
215
Força de Arraste da Âncora 1 em Função do Deslocamento
5
4
Força (N)
3
2
1
0
0
20
40
60
80
100
120
Deslocamento (mm)
Figura F.23 – Força de arraste da âncora 1, instrumentação sem fios
5
4
Força (N)
3
2
1
0
0
20
40
60
80
100
120
Deslocamento (mm)
Figura F.24 – Força de arraste da âncora 1, instrumentação convencional
216
Inclinação X da Âncora 1 em Função do Tempo
20
10
0
-10
-20
-30
0
2
4
6
8
Tempo (min)
Figura F.25 – Eixo X em função do tempo, âncora 1, instrumentação sem
fios
20
10
0
-10
-20
-30
0
2
4
6
Tempo (min)
Figura F.26 – Eixo X em função do tempo, âncora 1, instrumentação
convencional
8
217
Inclinação Y da Âncora 1 em Função do Tempo
20
15
10
5
0
-5
0
2
4
6
8
Tempo (min)
Figura F.27 – Eixo Y em função do tempo, âncora 1, instrumentação sem
fios
20
15
10
5
0
-5
0
2
4
6
Tempo (s)
Figura F.28 – Eixo Y em função do tempo, âncora 1, instrumentação
convencional
8
218
Força de Arraste na Âncora 1 em Função do Tempo
5
4
Força (N)
3
2
1
0
-1
-2
0
2
4
6
8
Tempo (min)
instrumentação sem fios
5
4
Força (N)
3
2
1
0
-1
-2
0
2
4
6
Tempo (s)
instrumentação convencional
8
219
15
20
25
30
35
0
20
40
60
80
100
120
Deslocamento (mm)
15
20
25
30
35
0
20
40
60
80
100
Deslocamento (mm)
120
220
-5
0
5
10
15
20
25
0
20
40
60
80
100
120
Deslocamento (mm)
-5
0
5
10
15
20
25
0
20
40
60
80
100
Deslocamento (mm)
120
221
40
Força (N)
30
20
10
0
0,000
20,000
40,000
60,000
80,000
100,000
120,000
Deslocamento (mm)
Figura F.34 – Força de arraste da âncora 2, instrumentação sem fios
40
Força (N)
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
Deslocamento (mm)
Figura F.35 – Força de arraste da âncora 2, instrumentação convencional
222
60
40
20
0
-20
0
2
4
6
8
Tempo (min)
Figura F.36 – Eixo X em função do tempo, âncora 2, instrumentação sem
fios
60
40
20
0
-20
0
2
4
6
Tempo (min)
Figura F.37 – Eixo X em função do tempo, âncora 2, instrumentação
convencional
8
223
30
20
10
0
-10
0
2
4
6
8
Tempo (min)
Figura F.38 – Eixo Y em função do tempo, âncora 2, instrumentação sem
fios
30
20
10
0
-10
0
2
4
6
Tempo (min)
Figura F.39 – Eixo Y em função do tempo, âncora 2, instrumentação
convencional
8
224
40
30
Força (N)
20
10
0
-10
0
2
4
6
8
Tempo (min)
40
30
Força (N)
20
10
0
-10
0
2
4
6
Tempo (min)
8
225
-20
0
20
40
60
0
20
40
60
80
100
Deslocamento (mm)
-20
0
20
40
60
0
20
40
60
80
100
Deslocamento (mm)
120
226
-4,0
-2,0
0,0
2,0
0
20
40
60
80
100
Deslocamento (mm)
-4
-2
0
2
0
20
40
60
80
100
Deslocamento (mm)
120
227
160
Força (N)
120
80
40
0
0
20
40
60
80
100
120
Deslocamento (mm)
Figura F.46 – Força de arraste na âncora 3, instrumentação sem fios
160
Força (N)
120
80
40
0
0
20
40
60
80
100
120
Deslocamento (mm)
Figura F.47 – Força de arraste na âncora 3, instrumentação convencional
228
60
40
20
0
-20
0
2
4
6
8
Tempo (min)
Figura F.48 – Eixo X da âncora 3 em função do tempo, instrumentação sem
fios
60
40
20
0
-20
0
2
4
6
Tempo (min)
Figura F.49 – Eixo X da âncora 3 em função do tempo, instrumentação
convencional
8
229
6
3
0
-3
-6
0
2
4
6
8
Tempo (min)
Figura F.50 – Eixo Y da âncora 3 em função do tempo, instrumentação sem
fios
6
3
0
-3
-6
0
2
4
6
Tempo (min)
Figura F.51 – Eixo Y da âncora 3 em função do tempo, instrumentação
convencional
8
230
140
120
100
Força (N)
80
60
40
20
0
-20
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Tempo (min)
140
120
100
Força (N)
80
60
40
20
0
-20
0
1
2
3
4
5
6
7
Tempo (min)
8
231
Movimentação da Âncora 1 no Solo
(Sistema Sem Fios)
-60
-50
Profundidade (mm)
-40
-30
-20
-10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Deslocamento (mm)
Figura F.54 – Movimentação da âncora 1 no solo, sistema sem fios
Movimentação no Solo da Âncora 1
(Sistema Convencional)
-60
-50
Profundidade (mm)
-40
-30
-20
-10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Deslocamento (mm)
Figura F.55 – Movimentação da âncora 1 no solo, sistema convencional
232
(Sistema Sem Fios)
0
Profundidade (MM)
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Deslocamento (mm)
0
Profundidade (mm)
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Deslocamento (mm)
233
(Sistema Sem Fios)
0
Profundidade (mm)
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Deslocamento (mm)
0
Profundidade (mm)
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Deslocamento (mm)
Apêndice G – Cálculo da Freqüência Natural do Cantilever
235
G.1 CÁLCULO DA FREQÜÊNCIA NATURAL DO CANTILEVER
O cantilever é constituído de uma barra de aço engastada em uma
extremidade e livre na outra. As dimensões desta barra são de 9,5 cm de
comprimento, 1 cm de largura e 0,2 cm de espessura. Foi adicionada uma
força peso de 3,2 gf na extremidade livre e posteriormente submetida aos
esforços pela aceleração centrípeta em 50 g, 75 g e 100 g. O objetivo
principal deste cálculo é verificar se os sinais vindos dos extensômetros
elétricos, instalados na barra, sofreram interferência devido a alguma
vibração durante os ensaios em centrífuga. Para isto, foi empregado o
método da freqüência natural com um grau de liberdade. A Figura G.1 é
apresentada a configuração da barra do cantilever.
Figura G.1 – Desenho esquemático da barra do cantilever
Abaixo é apresentado o método para determinação da freqüência
natural e amortecimento para um grau de liberdade.
E= 21 x 105 kgf/cm2
L= 9,5 cm
L3 = 9,53 = 857,375 cm3
ρ= 7,85g/cm3 = 7,85 x 10-3 kg/cm3
A= 1 x 0,2 = 0,2 cm2
Vl = 0,2 x 9,5 = 1,9 cm3
I = b.h3/12
Apêndice G – Cálculo da Freqüência Natural do Cantilever
I = 1 x (0,2)3/12
I = 0,00067 cm4
pf = 1,9 x 7,85 x10-3
pf = 0,0149 kgf
fn =
1
k × 980
×
2π
pf
k= 3EI/L3
k= 3 x 21 x 105 x 0,00067 /857,375
k= 4,9232 kg/cm
fn = 0,159155 ×
4824,703
pf
• Para força peso (pf) da barra
pf = 0,0149 kgf
fn = 0,159155 ×
4824,703
0,0149
fn = 90,56 Hz
• Para força peso da barra + 3,2 gf
pf= 0,0181 kgf
fn = 0,159155 ×
fn = 82,17 Hz
4824,703
0,0181
236
237
MATRIZ DE DADOS DOS ENSAIOS EM MODELOS DE
ÂNCORAS ‘TARTARUGA’
Apêndice H – Matriz de Dados dos Ensaios em Modelos de Âncoras “Tartaruga”
238
Ensaio: Arraste
Modelo: Ancora 1
Obs: Instrumentação Sem Fios
6/6/2007
14:29
Tempo
(min)
0,000
0,018
0,034
0,051
0,067
0,083
0,101
0,118
0,134
0,151
0,167
0,184
0,200
0,218
0,234
0,251
0,267
0,284
0,300
0,317
0,333
0,351
0,368
0,384
0,400
0,417
0,433
0,451
0,468
0,484
0,501
0,517
0,534
0,550
0,568
0,584
0,601
0,619
0,634
0,650
0,665
0,684
0,701
0,717
0,734
0,750
0,768
0,784
0,801
0,817
0,834
Incl X
(graus)
0,000
0,158
0,393
0,158
0,551
1,103
0,708
0,866
1,182
1,497
1,339
1,260
0,708
1,260
0,945
1,182
1,182
2,048
1,654
0,978
1,339
0,978
0,978
1,293
1,324
0,978
1,372
0,978
0,978
1,135
1,293
1,089
1,168
1,404
1,411
1,326
1,326
1,326
1,011
1,168
1,563
1,450
1,011
0,932
0,853
1,450
1,326
1,328
1,326
0,853
1,315
Incl Y
(graus)
-0,051
0,051
0,000
-0,051
0,051
0,000
-0,051
0,000
0,000
-0,051
0,000
0,000
-0,051
0,051
0,000
-0,051
-0,102
-0,051
-0,051
-0,051
-0,051
-0,051
0,000
-0,051
0,051
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1,138
1,165
1,169
1,167
1,164
1,141
1,185
1,176
1,172
1,154
1,145
1,148
1,147
1,148
1,148
1,151
1,151
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1,163
1,177
1,175
1,183
1,181
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1,176
1,178
1,177
68,391
68,292
68,391
69,806
68,292
68,391
69,806
68,292
68,391
69,806
68,292
68,391
68,292
68,391
69,806
68,292
68,391
69,806
68,292
68,391
69,806
68,292
68,391
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68,391
69,806
68,292
68,391
69,806
68,292
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69,306
68,292
68,391
68,292
68,391
69,206
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68,391
69,206
68,292
68,391
69,206
68,292
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68,292
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68,292
68,391
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
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102,155
102,155
102,155
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102,155
102,155
102,155
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102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
286
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0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
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0,000
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0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
6,683
6,701
6,719
6,735
6,753
6,767
6,785
6,801
6,819
6,834
6,852
6,867
6,886
6,901
6,920
6,934
6,953
6,968
6,986
7,001
7,017
7,036
7,052
7,070
7,086
7,102
7,118
7,134
7,151
7,167
7,183
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7,335
7,353
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7,418
7,434
7,452
7,467
7,484
7,503
7,517
7,535
7,550
7,569
7,585
7,602
7,617
7,634
-15,087
-14,881
-14,803
-14,803
-14,695
-14,208
-14,275
-14,301
-14,102
-14,108
-13,887
-13,487
-13,525
-13,229
-13,259
-12,828
-12,958
-12,599
-12,877
-12,641
-12,544
-12,592
-12,305
-12,421
-12,505
-12,353
-12,066
-12,109
-12,179
-12,225
-12,293
-12,100
-12,141
-11,353
-11,933
-11,815
-11,823
-11,830
-11,838
-11,353
-11,933
-11,815
-11,823
-11,830
-11,838
-11,353
-11,933
-11,815
-11,823
-11,830
-11,838
-11,353
-11,933
-11,815
-11,823
-11,830
-11,838
-11,353
1,171
1,173
1,157
1,160
1,140
1,154
1,137
1,134
1,135
1,131
1,133
1,129
1,123
1,122
1,138
1,118
1,134
1,134
1,128
1,124
1,124
1,115
1,108
1,108
1,108
1,104
1,097
1,097
1,094
1,091
1,084
1,061
1,059
1,055
1,059
1,055
1,054
1,055
1,068
1,068
1,086
1,087
1,077
1,091
1,089
1,094
1,100
1,097
1,102
1,089
1,106
1,080
1,092
1,099
1,107
1,113
1,118
1,117
69,506
68,292
68,391
69,306
68,292
68,391
69,206
68,292
68,391
68,292
68,391
69,506
68,292
68,391
69,806
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68,391
69,506
68,292
68,391
68,292
68,391
69,306
68,292
68,391
69,106
68,292
68,391
69,406
68,292
68,391
68,292
68,391
69,506
68,292
68,391
69,206
68,292
68,391
69,406
68,292
68,391
68,292
68,391
69,506
68,292
68,391
69,806
68,292
68,391
69,306
68,292
68,391
68,292
68,391
69,306
68,292
68,391
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
287
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
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0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
7,651
7,667
7,686
7,701
7,719
-11,933
-11,815
-11,823
-11,830
-11,838
1,118
1,128
1,127
1,125
1,130
69,806
68,292
68,391
69,206
68,292
102,155
102,155
102,155
102,155
102,155
288
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
289
TRABALHOS E DISCUSSÕES SOBRE OS PROTOCOLOS
PARA REDES DE SENSORES INTELIGENTES SEM FIOS
Anexo A – Trabalhos e Discussões sobre os Protocolos para Redes de Sensores
Inteligentes Sem Fios
290
A.1. DISCUSSÃO DOS TRABALHOS
A instrumentação tem sido uma ferramenta fundamental para a
obtenção dos conhecimentos das grandezas físicas naturais e artificiais
provocadas pelas atividades humanas. Historicamente, o homem vem
utilizando dispositivos que de alguma maneira informa-o sobre a intensidade
e a duração dos eventos, permitindo o conhecimento dos processos naturais
e em posse destes conhecimentos, atuar e controlá-los para sua otimização
e obtenção de diversos benefícios.
O texto baseado em (AZEVEDO, 1988) relata em seu texto que no
início da era industrial o operador controlava manualmente essas variáveis
utilizando somente instrumentos simples como manômetros, termômetros,
válvulas manuais, etc. Controle este suficiente pela relativa simplicidade dos
processos.
O mesmo autor argumenta que com o crescente desenvolvimento
tecnológico e a maior complexidade dos sincronismos das plantas industriais
que operam por processos em grande escala, ou com produção contínua, o
controle operacional das unidades desses sistemas passou a exigir cada vez
maior grau de confiabilidade, levando, portanto, à sua automação
progressiva por meio dos instrumentos de medição e controle.
É mencionado ainda que a ampla utilização da instrumentação, pelas
inúmeras aplicações possíveis, tem despertado enorme interesse na ciência,
na engenharia, na indústria, na medicina e na metrologia, permitindo o seu
amplo desenvolvimento e a construção de sensores e atuadores para medir
e atuar em diversas situações do meio físico.
De
fato,
observa-se
atualmente
que
a
instrumentação
vem
substituindo a interferência do ser humano nas tarefas de indicar, registrar,
medir, corrigir e avaliar o resultado do comportamento das variáveis dos
processos operacionais das plantas industriais, permitindo ao usuário um
trabalho único de supervisão e vigilância do processo.
291
Conseqüentemente, graças à instrumentação, tem sido possível
fabricar produtos complexos em condições estáveis de qualidade, condições
estas que ao operador de processos seria impossível ou muito difícil de se
conseguir realizando através do controle manual.
(AZEVEDO, 1988) menciona também já se pode notar que diversos
transdutores estão se tornando miniaturizados.
Na realidade, já é possível construir sensores muito pequenos com a
tecnologia do silício dopado, que com suas propriedades piezo-elétricas e
dependendo da geometria e disposição, fornecem parâmetros de diversas
grandezas físicas de interesse, ou ainda, com o recente domínio da
nanotecnologia é possível miniaturizar dispositivos com novos tipos de
materiais revolucionários, por exemplo, polímeros eletrônicos.
Além disto, a instrumentação, atualmente, no que diz respeito aos
sensores e atuadores, têm se tornado mais inteligente. Internamente a estes
transdutores
existem
dispositivos
como
condicionadores
de
sinais,
conversores A/D e tabelas de dados eletrônicos do transdutor (TEDS) para
fornecer informações ao meio externo sobre todas as características do
dispositivo. Conseqüentemente, o meio externo passa muitas vezes a
reconhecer estes transdutores automaticamente como um plug and play em
sistemas computacionais, passando este a incorporar aos demais
instrumentos instalados no sistema de controle.
(FUHR, 2001, 2002) comenta em seus trabalhos que com o advento
da tecnologia sem fios na área computacional, tem-se observado o interesse
dos fabricantes de sensores e atuadores na sua utilização evidenciando a
simplificação arquitetônica dos sistemas de controle e monitoração,
permitindo a diminuição de cabos para a transferência dos dados e controle
destes dispositivos.
(DUNBAR, 1999) afirma que apesar de dispor desta nova tecnologia,
vários artigos apresentam diversos problemas para manter a segurança das
informações e a integridade dos dados entre os dispositivos a um nível
mínimo de confidência. Isto porque a tecnologia sem fios trabalha com o
conceito de rede aberta, isto é, qualquer equipamento de informática
292
consegue conectar-se a esta rede como plug and play se este estiver
provido dos dispositivos de comunicação sem fios. Várias técnicas de
segurança já foram tratadas nesses trabalhos, nenhuma apresenta uma
eficiência compatível.
Nos últimos anos, os trabalhos dão ênfase à introdução da tecnologia
sem fios, diminuindo ou até eliminando os fios entre o elemento sensor até a
disponibilização dos dados digitalizados em uma central de controle.
(FUHR, 2001, 2002) afirma que atualmente existem dois protocolos
conhecidos, o Bluetooth e o 802.11 (ou Wi-Fi em suas diferentes
especificações). Muitos consideram os dois protocolos como competidores,
mas na verdade eles são complementares e com o ganho de escala que
está previsto para os próximos anos, ambos terão espaço para sua
consolidação. Na instrumentação atual tem-se adotado estes protocolos
para comunicação sem fio.
O aumento da freqüência de reclamações de usuários e a previsão de
sua utilização em grande escala levaram o IEEE a elaborar normas que
permitissem a interoperabilidade entre dispositivos de diversos fabricantes e
de uma linguagem e protocolo padrão para facilitar o trabalho dos
integradores de sistemas e usuários finais. A idéia não foi criar outra rede de
controle, mas desenvolver uma interface padrão para transdutores
inteligentes definindo para o usuário a escolha de transdutores e escolha de
redes.
Apesar dessas tecnologias estarem em evidência, muitos problemas
estão sendo enfrentados e estudados pelos pesquisadores, destacando-se a
interferência ambiental, relação de potência versus alcance, integridade da
informação,
miniaturização
dos
dispositivos,
autonomia
de
energia,
simplificação de algoritmos e vida útil.
Um trabalho escrito pelos (MOORE, STEPHEN, 2001) relata que o
mercado potencial para sensores sem fios é quase ilimitado. Desde a
automatização
residencial
à
coordenação
beneficiaram-se das redes sem fios de sensores.
de
campos
de
batalha
293
Segundo esses autores, o IEEE-1451 é uma família de padrões que
liga sensores aos usuários, similar à família IEEE-802 (Ethernet) que fornece
a conectividade para sistemas de informação. Atualmente, todos os grupos
de funcionamento sob a responsabilidade do IEEE-1451 fornecem interfaces
padrão para sensores em redes. Mas a demanda para a camada física sem
fios está crescendo.
(MOORE, STEPHEN, 2001) dizem também que o padrão IEEE-1451
sem fios deve fornecer a conectividade sem fios entre sensores e usuários;
não importa a que distância os separa. E deve fazer isto sem necessitar de
instalação de fios novos, aumento de custo e conforme o tamanho de nós de
sensores.
Afirmam que as forças armadas americanas necessitavam de redes
sem fios com um custo efetivo, de confiança, firmemente sincronizadas,
seguras entre os sensores. De acordo com a introdução da notícia da
defesa, em sete de maio de 2001, "os oficiais da marinha dos EUA estavam
preparando uma lista de programas de prioridade, enfatizando redes de
informação e sensores...".
Nos hospitais, a interferência de RF, a confiabilidade dos dados, e a
privacidade são necessidades primárias. Na indústria, o discurso é
diminuição de custos e as aplicações na automatização residencial
requerem, além da confiabilidade e segurança mais baixa, também a
redução de custos para viabilidade de negócios. O desafio é de encontrar
uma tecnologia amplamente aceita e com as exigências as quais os usuários
potenciais recomendam.
As exigências de toda a rede sem fios incluem a conexão, a escala, a
confiabilidade, e o consumo de energia. Alguns usuários necessitam
dezenas de Mbs, enquanto outros requererem muito menos por dia.
Também, o tamanho das redes varia de alguns metros para diversos
quilômetros.
Segundo os autores supracitados, o Expo Workshop de sensores sem
fios em Chicago, ocorrido em 4 de junho de 2001, tentou estabelecer o
interesse e as exigências para as interfaces sem fios para redes baseadas
294
em sensores, especialmente na comunidade industrial. Uma pesquisa
informal foi realizada no Workshop e mostrou que a maioria dos usuários
industriais necessitaria de 32 ou menos nós por rede e velocidade menor
que 300 bps por nó, ou uma taxa de aquisição de dados agregada menor
que 10 kbps para a rede.
Ao mesmo tempo, os usuários industriais quiseram generalizar as
escalas de alguns quilômetros para não mais que dez metros. Esta
amostragem de população foi demasiadamente pequena pela estatística
exata, os resultados indicaram que pelo menos uma das opções da camada
física deve oferecer uma operação de longo alcance.
Os palestrantes do Workshop discutiram também a confiabilidade.
Alguns afirmaram que os usuários potenciais de sensores sem fios devem
sacrificar alguma confiabilidade para migrar ao sem fios; outros optaram por
um protocolo de rede que otimizasse a confiabilidade da ligação.
As redes de sensores, de acordo com os autores, têm diversas
exigências além daquelas necessárias por redes genéricas de dados.
Devem acomodar a tabela de dados eletrônica do transdutor (TEDS)
associada com cada sensor. Os nós devem ter um consumo de energia mais
baixo e serem menores no tamanho do que os produtos que suportam as
redes de PC a PC.
Para que os dados sejam verificados, certificados e coordenados, o
usuário deve acessar a calibração do fabricante do sensor, corrigi-los e
estabelecer uma identificação do dispositivo. Conseqüentemente, toda rede
viável de sensores deve incluir mecanismos para identificar cada sensor e
acessar as bases de dados associadas, inserido no sensor (TEDS local) ou
armazenado em outra posição disponível ao usuário (TEDS virtual).
Poder-se-á também discutir a amostragem sincronizada dos sensores
(ou a determinação de quando foram feitas as amostragens) é também um
componente necessário de uma rede baseada em sensores. No geral, uma
rede de sensores deve ter uma base de tempo mais controlada, mais
determinística do que as redes de dados acessadas aleatoriamente.
Qualquer camada física apropriada para um padrão do tipo IEEE-1451 para
295
redes de transdutores inteligentes devem incorporar um mecanismo robusto
para sincronizar vários componentes do sistema (por exemplo, os módulos
de interface individuais do bus para transdutores (TBIM’s) e o sistema
controlador de bus (TBC) no padrão proposto IEEE-1451.3.
As definições de tempo requeridas para aplicações mais precisas
podem estar na faixa de micro segundo, embora muitos cenários sejam
menos demandados. Todo padrão novo proposto terá que ao menos
fornecer meios de conseguir esta alta definição. Duas propostas para
sistemas de sincronização no IEEE-1451.3 incluem um sinal sincronizado
senoidal separado no cabo e o fornecimento simultâneo de dados
formatados, transportados na base de tempo do TBC ao TBIMs remoto,
sobre a interface. O IEEE-1451.3 é projetado para usar o cabo como a
ligação física para comunicações.
Uma edição destacou no Workshop, segundo os autores, que era o
dreno de energia no nó do sensor. Muitos participantes expressaram a
necessidade de dispor um grande número de sensores que poderiam ser
energizados por baterias baratas por uns cinco anos.
Pois, a maioria destas unidades enviaria suas leituras somente
algumas vezes por dia, a necessidade para um esquema de transmissão
sem fios de energia eficiente acoplado com uma unidade quiescente de
dreno baixo é primordial. O consenso do grupo era que um formato
apropriadamente de baixa energia ainda não existe no mercado.
O desenvolvimento dos padrões é um processo trabalhoso, segundo
o texto. Mas pode-se acelerar o projeto fazendo um exame das vantagens
dos recursos já disponíveis no mercado e acomodando uma variedade de
redes necessárias no padrão. O acesso médio e as definições da camada
física do endereço da família IEEE-802 são algumas das necessidades de
uma rede sem fios IEEE-1451. Adotar partes destas definições podia reduzir
extremamente o tempo necessário para desenvolver um padrão sem fios
IEEE-1451. Além, da estrutura geral da família de IEEE-802 poder também
ser usada como uma base para a estrutura da família IEEE-1451. A família
IEEE-802 abrange diversas combinações de acesso médio e de camadas
296
físicas enquanto mantém consistentes as funções de gerenciamento de
redes.
Segundo os autores, como a família IEEE-802, a família IEEE-1451
terá que acomodar um mercado dinâmico absorvendo as parcelas do padrão
de
rede
que
são
reutilizáveis
e
abrangendo
tecnologias
novas,
especialmente nos acessos médios e em níveis da camada física. Se um ou
mais camadas físicas estão adotados na primeira implementação do padrão
1451 sem fios, as futuras tecnologias e as bandas largas necessitarão de um
padrão que possa crescer sem jogar fora a infra-estrutura do padrão.
Todos os padrões sem fios devem cumprir com os regulamentos de
governo para dispositivos de rádio comunicações, relatam os autores,
incluindo os guias para faixas de freqüência de operação, saída de potência,
e padrões técnicos. Por exemplo, a Comissão de Comunicação Federal dos
EUA estabeleceu licença de faixas livres (designadas ISM, para a indústria,
científico, e medicina) apropriadas para sistemas sem fios de sensores. As
alocações similares estão disponíveis no Canadá com o Departamento das
Comunicações e na Europa pelo Instituto Europeu de Padronização das
Telecomunicações.
A escolha mais fundamental a ser feita na distribuição das redes sem
fios para sensores é a seleção da freqüência de transmissão. As opções
incluem faixas licenciadas nas regiões do VHF e UHF, que requerem
procedimentos caros e tempo de consumo de aplicação pelo FCC; as
facilidades e/ou os serviços alugados de transmissão dos fornecedores
independentes, tais como os rádios industriais confidenciais, sistemas
compartilhados truncados, modem de celulares digitais (por exemplo,
fotodiodo de carga acoplado ou unidades fotocondutores de decaimento), ou
sistemas baseados em satélite (por exemplo, GOES e Argos); e os sistemas
não licenciados e restringidos pela ISM e bandas similares, incluindo as
faixas de 13,56 MHz, 27,55 MHz, 303 MHz, 315 MHz, 404 MHz, 433 MHz,
868 MHz (Europa), 915 MHz, 2,45 GHz, 5,2 GHz, 5,3 GHz, e 5,7 GHz
(América do Norte).
297
Embora a primeira opção ofereça o uso direto e a liberdade relativa de
interferência, os custos totais e a execução atrasam freqüentemente,
proibindo a instalação de sensores sem fios a menos que as redes possam
ser compartilhadas com outros serviços, tais como comunicações de voz.
A segunda opção incorre geralmente em custos elevados por causa
das cargas periódicas do fornecedor, mas pode ser útil nas aplicações em
que há extenso espaço de sensores em posições remotas ou em alguns
pontos de monitoração.
A terceira opção dispõe de maior flexibilidade na implementação e
normalmente será o de menor preço de operação, embora uma preocupação
básica de sistemas da faixa ISM tem uma probabilidade finita de
experimentar interferência sem licença e autorização dos usuários nessas
faixas.
Como resultado, geralmente é necessário utilizar a tecnologia de
dispersão de espectro para alcançar a confiabilidade de transmissão
satisfatória e na maioria das aplicações sem fios em sensores.
Segundo (MOORE, STEPHEN, 2001), mais e mais sistemas sem fios
estão no campo, a coexistência se torna um assunto maior. Não é legal
construir um sistema que anula ou interfere com outros sistemas
autorizados. Em resumo, deveria ter impacto mínimo no desempenho de
outros sistemas.
Geralmente falando, estas exigências favorecem o uso da tecnologia
de dispersão de espectro, embora a banda estreita convencional para
transmissão de RF possa bastar para algumas aplicações. FHSS versus
DSSS versus OFDM. A Tabela AA.1 compara algumas das camadas físicas
na família IEEE-802, como também esses em outros padrões.
298
Tabela AA.1 – Avaliação de padrões sem fios
Uma Avaliação de Padrões sem fios
Padrão
OFDM
FHSS
DSSS
GHz
Expansão
Mbps
X
1±
Cell
1
IS-95
Bluetooth
X
2.45
PAN
0.7
P802.15
X
2.45
PAN
0.7
P802.16b
X
5
WAN
54
P802.11A
X
5
LAN
54
X
2.45
LAN
1,2
X
2.45
LAN
5.5, 11
P802.11
X
P802.11b
OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplex
FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum
DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum
O (IS-95) recorre do padrão (CDMA). Há três técnicas de modulação
comuns usadas em redes de informação sem fios, além das técnicas
convencionais de banda estreita.
São os (FHSS); (DSSS); e o (OFDM). Também há outros métodos de
modulação menos comuns que serão mencionados depois. As mais
conhecidas famílias de freqüência do tipo hopping e formatos de dispersão
de espectro de seqüência direta estiveram completamente cobertos em
assuntos recentes de sensores, como também em muitas outras
publicações.
OFDM também foi discutido, embora não tão extensivamente quanto
os dois primeiros. Então, os autores realçaram somente os assuntos destes
três que suportam o planejamento de um padrão sem fios IEEE-1451. O
DSSS produz mais ruído, e o FHSS produz picos na banda estreita.
O OFDM usa um grupo de n freqüências de portador de espaço
fechado (ortogonal, minimamente espaçado), cada um dos quais leva 1/n
dos bits totais em uma mensagem. No FHSS, o portador salta para cada
299
freqüência em um determinado tempo, enquanto no OFDM, todas
portadoras são simultaneamente usadas.
O OFDM não é, no sentido exato, uma técnica de dispersão de
espectro, embora às vezes seja chamado como o tal. Os sistemas OFDM
adaptam ao canal evitando freqüências que exibam altas taxas de erro de
bits.
Porque este método usa todas as freqüências (com espaçamento
mínimo) todo o tempo, parece ter a melhor eficiência espectral (bits/s/Hz)
dos três métodos, particularmente quando comparado com a implementação
dos outros dois.
Aqui, cada portador OFDM pode ser modulado individualmente, chave
binária de troca de fase (BPSK) ou modulação de amplitude de quadratura
de multi nível (n-QAM) (normalmente com n = 4, 16, 64, ou 256), rendendo
eficiência espectral até mais alta quando a ligação tem um SNR alto. Em
geral, a seqüência direta tem a segunda melhor eficiência espectral e a
freqüência hopping é o terceiro nesta lista.
Uma consideração final é que sobre os regulamentos atuais do ISM, o
FCC não permite o OFDM na banda de 915 MHz e 2,45 GHz, embora uma
possível mudança neste aspecto das regras da banda ISM seja levada em
consideração. Na Tabela AA.2 são apresentadas as generalidades das três
tecnologias. Embora haja controvérsias, estas observações são geralmente
verdadeiras.
300
Tabela AA.2 – Comparação de tecnologias de RF
Comparação de Tecnologias de RF
Grau
Eficiência
Sem
Alimentação
Confiança
Faixa
Típico
Espectral
Interferência
Exigida
dos dados
Efetiva
Melhor
OFDM
DSSS
FHSS
OFDM
OFDM
Median
DSSS
FHSS
DSSS
DSSS
DSSS
FHSS
OFDM
OFDM
FHSS
FHSS
o
Pior
OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplex
FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum
DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum
O OFDM está melhor para aqueles que enviam muitos dados e o
DSSS é melhor para aqueles que controlam menos dados por nó. O FHSS é
preferido do que DSSS pelo exército, principalmente porque DSSS requer
administração cuidadosa para transmitir potência aos nós individuais e assim
superar o problema de distância e proximidade ao qual o FHSS não faz. As
faixas ocorrem em toda a banda porque usam freqüências de portador VHF
ou maiores. Porém, a habilidade deles para adaptar o canal de RF
determinará a faixa efetiva deles.
Considerando essas tecnologias, também se deve estar atento ao
tamanho da área que a rede tem que cobrir. Essas tecnologias podem ser
para as áreas PANs, LANs, WANs, e redes maiores. A pesquisa de
audiência descrita anteriormente tende a partir de LANs ou WANs.
Por exemplo, o Bluetooth foi originalmente projetado para fornecer
uma conexão sem fios entre dispositivos diferentes, inclusive PDAs,
computadores palmtop, periféricos e telefones de bolso, originalmente. Estes
produtos foram descritos em muitos artigos, inclusive no trabalho de (FUHR,
2001) o qual, o Bluetooth é adotado por mais de 800 companhias, inclusive
fabricantes de componentes e sistemas e representa um método não
proprietário de conectar dispositivos múltiplos de ponto a ponto ou
configurações de ‘multipontos’, há uma variedade de produtos disponíveis de
301
vários fabricantes de Bluetooth. O padrão IEEE-1451 sem fios poderia
beneficiar as linhas de produtos existentes, como esses disponíveis de
vários fabricantes de Bluetooth. Estas unidades podem ser usadas em uma
rede que contém um mestre e até sete escravos em uma configuração
chamados Scatternet.
As unidades “escravos” podem ser colocadas em vários modos mais
baixos em termos de potência para diminuir o consumo de energia enquanto
retém a conectividade à rede. O Bluetooth usa FHSS e TDMA para
acomodar vários nós de sensores localizados um perto do outro. Transmite a
721 Kbps de dados e foi projetado originalmente a uma faixa de 10 metros
sendo opcional a potência mais alta de RF. A freqüência hopping está sendo
usada em 79 portadores na faixa de 2,45 GHz de ISM. Também, as
unidades de Bluetooth usam menos que 100 mW em modo auxiliar. A
popularidade do Bluetooth pode ser usada para avançar num padrão em
desenvolvimento, assumindo as necessidades e exigências dos usuários
segundo os autores. Já é uma opção de camada física pela norma IEEE
P802.15.
A Axonn desenvolveu outra linha de produto demonstrando o tipo de
soluções necessárias para um padrão de sensores sem fios. Estes produtos
acomodam vários nós de sensores em uma topologia de multipontos para
pontos que podem ser usados com os esquemas TDMA ou CDMA de
acesso múltiplo.
Um exemplo é o AX550. De acordo com a literatura da companhia, o
AX550 é um cartão de crédito classificado segundo o tamanho (2.2 por 3.4
por 0.9 polegadas) um transceptor e tem quatro entradas digitais externas (5
VDC), uma saída digital (5 VDC, 15 mA e fonte máximo de 1mA), uma saída
de coletor aberto (100 mA) e uma interface de comunicação opcional RS232 (5 V) ou RS-485. O transceptor opera sobre uma faixa de temperatura
de -40°C a 85°C na freqüência até 902 a 928 MHz (selecionável em oito
passos de 3 MHz). Tem uma sensibilidade de -110 dBm (potência média) à
19.2 kbps. O transmissor tem uma saída de potência de 100 mW, usando
302
modulação BPSK, modulação de dados OOK e uma velocidade de dados de
19.2 Kbps, consumindo não mais que 1W (165 mA, ~7V).
O transmissor da Axonn, usando a mesma comunicação de RF
caracteriza como o AX550, pode alcançar um bom desempenho na vida da
bateria que está limitada pelo tempo útil (7 anos usando pilhas do tipo 1.3
AH, 2/3 A) para transmissões com mais de um minuto. Os dispositivos da
Axonn operam sobre uma faixa de até 1 m. A Axonn tem mais de 5 milhões
de nós atualmente em operação. Podem ser usados componentes como o
AX550 na arquitetura do sistema, o que fornece uma avaliação da rede de
sensores sem fios genérica. Em geral, estas redes incluirão uma mistura
heterogênea de componentes. Eles podem incluir somente unidades de
transmissão, somente unidades de recepção, transceptor, portais de rede, e
repetidores. Existem topologias de ponto a ponto e topologias de rede de
multipontos.
Segundo os autores, há uma grande necessidade de um protocolo
padrão para redes de sensores sem fios. A família da norma IEEE-1451
fornece uma sustentação útil para estes tipos de aplicações. Por influências
que emergem das tecnologias e hardwares existentes, um padrão sem fios
IEEE-1451 poderá ser oportunamente desenvolvido para satisfazer as
necessidades da indústria.
303
A.2 REFERÊNCIAS
AZEVEDO, J.C.J. Medição de Deformações, Forças e Tensões, 1988.
Apostila da Kratos Dinamômetros Ltda, pg.5.
DUNBAR, M. Where Wireless Sensor Communications and the Internet
Meet. Disponível em: <http://www.sensorsmag.com/articles/article_index/>.
FUHR, P. L. A Review of Frequencies Available for Wireless Sensing
Applications.
Disponível
em:
outubro de 2002.
FUHR,
P.
L.
Bluetooth.
Disponível
em:
outubro de 2002.
MOORE, M. R., STEPHEN F. S. The Next Step— Wireless IEEE 1451
Smart
Sensor
Networks.
Disponível
em:
outubro de 2002.
MOORE, R. M., STEPHEN F. S., TIMOTHY J. M., WAYNE W. M., GLENN
O. A., Intelligent Wireless Sensor for Industrial Manufacturing.
Anexo B – Interfaces e Protocolos para Redes Sem Fios
305
B.1 INTERFACES E PROTOCOLOS PARA REDES SEM FIOS
Uma das famílias para a padronização de tecnologias LANs
apresentada pelo (IEEE, 1996), sendo a família IEEE 802. Abaixo estão
descritas as principais diretrizes empregadas para os dispositivos de
informática que utilizam as redes:
- IEEE 802.1: Relaciona as especificações da família 802 e sua relação com
o modelo ISO/OSI.
- IEEE 802.2.: Controle de Enlace Lógico (LLC).
- IEEE 802.3.: CSMA/CD (Ethernet) com as suas partes:
- IEEE 802.3u.:Fast Ethernet
- IEEE 802.3z. (1998): Gigabit Ethernet.
- IEEE 802.3ab. (1999): Gigabit Ethernet 1000 BASE-T.
- IEEE 802.3ae. (2002): 10 Gigabit Ethernet.
- IEEE 802.3ak. (2004): 10GBASE-CX4.
- IEEE 802.4.: Tecnologia Token Bus.
- IEEE 802.5.: Tecnologia Token Ring.
- IEEE 802.6.: Redes WAN.
- IEEE 802.10.: Segurança em LANs.
- IEEE 802.11.: Redes LAN sem fio ou WLANs.
- IEEE 802.15.: Redes de Área Pessoal sem Fio (WPAN – Wireless Personal
Área Network).
- IEEE 802.16.: Acesso a Redes sem Fio de Banda Ampla.
306
B.2 PROTOCOLO PADRÃO IEEE 802.11
O padrão IEEE 802.11 trata da tecnologia sem fio enfocando as redes
locais sem fio (WLAN). Essas redes basicamente utilizam radio freqüência
para a transmissão de dados, codificando dados e modulando sinais de
modos diferentes para equilibrar velocidade, distância e capacidade de
transmissão.
Este padrão especifica três camadas físicas (PHY) e apenas uma
subcamada Medium Access Control (MAC). Como apresentado abaixo, ele
provê duas especificações de camadas físicas com opção para rádio,
operando na faixa de 2.400 a 2.483,5 MHz (dependendo da regulamentação
de cada país) e uma especificação com opção para infravermelho.
•
Frequency Hopping Spread Spectrum Radio PHY: Esta camada
fornece operação 1 Mbps, com 2 Mbps opcional. A versão de 1 Mbps
utiliza 2 níveis da modulação Gaussian Frequency Shift Keying
(GFSK), e a de 2 Mbps utiliza 4 níveis da mesma modulação;
•
Direct Sequence Spread Spectrum Radio PHY: Esta camada provê
operação em ambas as velocidades (1 e 2 Mbps). A versão de 1
Mbps utiliza a modulação Differential Binary Phase Shift Keying
(DBPSK), enquanto que a de 2 Mbps usa modulação Differential
Quadrature Phase Shift Keying (DQPSK);
•
Infrared PHY: Esta camada fornece operação 1 Mbps, com 2 Mbps,
opcional. A versão de 1 Mbps usa modulação Pulse Position
Modulation com 16 posições (16-PPM), e a versão de 2 Mbps utiliza
modulação 4-PPM.
No lado da host (estação), a subcamada MAC fornece os seguintes
serviços: autenticação, desautenticação, privacidade e transmissão da MAC
Sublayer Data Unit (MADU), e, no lado do sistema de distribuição (nós
gateway
e
nós
sensores):
associação,
desassociação,
distribuição,
307
integração e reassociação. As estações podem operar em duas situações
distintas:
•
Configuração Independente: Cada estação se comunica diretamente,
sem a necessidade de instalação de infra-estrutura. A operação
dessa rede é fácil, mas a desvantagem é que a área de cobertura é
limitada. Estações com essa configuração estão no serviço Basic
Service Set (BSS);
•
Configuração
de
Infra-estrutura:
Cada
estação
se
comunica
diretamente com o ponto de acesso que faz parte do sistema de
distribuição. Um ponto de acesso serve as estações em um BSS e o
conjunto de BBS é chamado de Extended Service Set (ESS).
O padrão 802.11 usa as duas técnicas, enquanto que outras
tecnologias, como o HomeRF e Bluetooth, usam apenas a técnica FHSS,
que é mais eficiente para ambientes que possuem outros tráfegos de rádio,
como áreas públicas abertas, por exemplo.
B.2.1 MODULAÇÃO FHSS
A técnica FHSS envia segmentos curtos de dados que são
transmitidos por freqüências específicas, controlando o fluxo com o receptor,
que negocia velocidades menores comparadas às velocidades oferecidas
pela técnica DSSS, mas menos suscetíveis a interferências. A técnica DSSS
distribui o sinal numa gama extensa da faixa de freqüência e reorganiza os
pacotes no receptor.
A camada física Frequency-Hopping Spread-Spectrum (FHSS) é um
esquema de modulação Spread Spectrum que utiliza uma portadora de
banda estreita alterando a freqüência segundo um padrão conhecido pelo
transmissor e pelo receptor. Sincronizados adequadamente, eles mantêm
308
um único canal lógico. Para um receptor não desejado, o FHSS aparece
como ruído de pulso de curta-duração.
A tecnologia FHSS usa a largura de banda de forma ineficaz para
garantir alta segurança; portanto, os sistemas FHSS costumam apresentar
velocidades de transferência menores do que as de sistemas Direct
Sequence Spread Spectrum (DSSS). Dispositivos WLAN com desempenho
mais lento (1 Mbps) utilizam FHSS.
A escolha de uma dessas camadas depende das necessidades da
aplicação. As seguintes características devem ser consideradas caso se
opte por escolher o FHSS:
•
Baixos custos dos equipamentos;
•
Baixo consumo de energia;
•
Menor tolerância à interferência de sinal;
•
Pequena área de cobertura de cada nó sensor; e
•
Maior número possível de nós sensores.
A técnica FHSS transforma a representação binária dos dados em
sinais de rádio adequados para transmissão. O FHSS executa essas
operações pelas técnicas de chaveamento de freqüência e modulação do
sinal.
O FHSS ‘salta’ de canal para canal de acordo com uma seqüência de
hopping pseudo-randômica que, uniformemente, distribui o sinal ao longo de
toda a banda.
Depois de estabelecida a seqüência de hopping para um determinado
ponto de acesso, as estações (desse ponto de acesso) automaticamente
sincronizam a correta seqüência de hopping.
O IEEE 802.11 estabelece uma particular seqüência de hopping, ele
especifica, por exemplo, 78 seqüências para América do Norte e maior parte
da Europa, e 12 seqüências para o Japão (JIANG; MANIVANNAN, 2005).
O FHSS transmite alguns bits numa determinada freqüência e depois
pula para outra freqüência, transmitindo mais alguns bits, e assim por diante.
309
Tal técnica dificulta a ação de possíveis interceptores do sinal, já que
esses não possuem a seqüência de hopping correta. Além disso, suponha
que haja uma fonte de ruído numa determinada freqüência fixa, tal fonte só
vai prejudicar a transmissão naquela determinada freqüência, ou seja,
apenas quando o FHSS pular para aquela determinada freqüência é que
haverá interferência, não havendo prejuízo para os demais canais daquela
seqüência.
O FHSS transmite os dados binários em 1 ou 2 Mbps, usando um tipo
de modulação específico para cada uma das taxas de transmissão.
Utiliza-se modulação GFSK de dois níveis para transmissões a
1Mbps. A idéia do GFSK é variar a freqüência da portadora para representar
símbolos binários diferentes (ANDREW, 2002; HEIDEMANN, 2002; JIANG;
MANIVANNAN, 2005).
Mudanças na freqüência mantêm a informação contida no sinal. O
ruído geralmente afeta a amplitude do sinal, não a freqüência. Como
resultado, a utilização da modulação GFSK reduz potencialmente a
interferência do sinal.
A entrada do modulador GFSK é 0 ou 1. O modulador transmite o
dado binário alterando ligeiramente a freqüência abaixo ou acima da
freqüência da portadora, para cada salto da seqüência de hopping.
Para a taxa de transmissão de 2 Mbps, o FHSS utiliza o GFSK de
quatro níveis.
As estações que utilizam a taxa de 2 Mbps também têm que ser aptas
a operar na taxa de 1 Mbps.
Na operação a 2 Mbps, a entrada do modulador é uma combinação
de 2 bits (00, 01, 10 ou 11).
Cada símbolo de 2 bits é enviado a 1 Mbps, ou seja, cada bit
individualmente é enviado a 2 Mbps.
Portanto, a modulação GFSK de quatro níveis dobra a taxa de
transmissão enquanto mantém a mesma velocidade de modulação dos
símbolos. A técnica de modulação é similar ao GFSK de dois níveis, porém
existindo mais duas possíveis freqüências de transmissão. O padrão IEEE
310
802.11 estabelece para o FHSS 100 mW como potência máxima de
transmissão.
A maioria das empresas está optando pela técnica DSSS porque
oferece freqüências mais altas do que a FHSS.
Todavia, o FHSS é mais tolerante a interferências ambientais.
B.2.2 MODULAÇÃO DSSS
A camada física DSSS usa uma seqüência de 11 bits para espalhar
os dados antes de transmiti-los. Cada bit transmitido é modulado por esta
seqüência. Este processo espalha a energia de rádio freqüência em torno de
uma largura extensa de banda que pode ser necessária para transmitir o
dado. A carga de processamento do sistema é definida como sendo 10
vezes o logaritmo da taxa de espalhamento (também conhecido como taxa
de chip) para o dado. O receptor concentra o sinal de rádio freqüência
recebido para recuperar o dado original. A vantagem desta técnica é que ela
reduz os efeitos de interferência de fontes de banda estreita. Para isto, o
código de chip cumpre duas funções principais:
1) Identifica os dados para que o receptor possa reconhecê-los como
pertencentes a determinado transmissor. O transmissor gera o código de
chip e apenas os receptores que conhecem o código são capazes de
decifrar os dados.
2) O código de chip executa a função de distribuir os dados pela largura de
banda disponível. Os chips maiores exigem maior largura de banda, mas
permitem maior probabilidade de recuperação dos dados originais. Ainda
que um ou mais bits do chip sejam danificados durante a transmissão, a
tecnologia incorporada no rádio recupera os dados originais, usando
técnicas estatísticas sem necessidade de retransmissão. Os receptores
ignoram os sinais DSSS em banda estreita, considerando-os como ruídos de
potência baixa em banda larga. As WLANs e 802.11b usam DSSS e
311
apresentam maior transferência de dados do que a contraparte FHSS,
devido à menor sobrecarga do protocolo DSSS (ANDREW, 2002).
B.2.3 NOVOS PROTOCOLOS PADRÕES DA FAMÍLIA 802.11 PARA REDE
LOCAL SEM FIO
Para atender a diversas atividades sendo a necessidade de
velocidade de transmissão é fundamental, foram desenvolvidas uma família
do padrão IEEE 802.11. A seguir são apresentadas as suas principais
características:
- 802.11a: Operação em 5 GHz, 54 Mbps, modulação OFDM;
- 802.11b: Operação em até 2,4 GHz, 11 Mbps, DSSS/FHSS;
- 802.11d: Wold Mode (Europa 20 dB, EUA/BRA 36 dB);
- 802.11e: Suporte para aplicações que necessitam de Qualidade de Serviço
(QoS);
- 802.11f: Recomendação para redes ponto a ponto sob protocolo Inter
Access Point (IAP);
- 802.11g: Operação em 2,4 GHz, 54 Mbps, modulação OFDM,
compatibilidade com o 802.11b;
- 802.11h: Gerenciamento do espectro e;
- 802.11i: Avanços em segurança.
Não serão descritos em detalhes todos os protocolos listados acima,
apenas aqueles que interessam para as redes de sensores inteligentes sem
fios, ou seja, 802.11a, 802.11b e o 802.11h.
B.2.3.1 Protocolo Padrão IEEE 802.11a
O protocolo 802.11a utiliza a freqüência de 5 GHz, a interferência não
é problema. Graças à freqüência mais alta, o padrão é quase cinco vezes
312
mais rápido, atingindo respeitáveis 54 Mbps. A velocidade de transmissão
‘bruta’ inclui todos os sinais de modulação, cabeçalhos de pacotes, correção
de erros, etc.
A velocidade real das redes 802.11a é de 24 a 27 Mbps, pouco mais
de 4 vezes mais rápido que o 802.11b. Outra vantagem da família 802.11 é
permitir um total de 8 canais simultâneos, contra apenas 3 canais no
802.11b.
Isso permite que mais pontos de acesso sejam utilizados no mesmo
ambiente, sem que haja perda de desempenho. O maior problema é que o
padrão também é mais caro, por isso a primeira gama de produtos vai ser
destinada ao mercado corporativo, existe mais dinheiro e mais necessidade
de redes mais rápidas (BONKERCHE; NIKOLETSEAS, 2004).
Além disso, por utilizarem uma freqüência mais alta, os transmissores
802.11a também possuem um alcance mais curto, teoricamente metade do
alcance dos transmissores 802.11b, o que torna necessário usar mais
pontos de acesso para cobrir a mesma área, o que contribui para aumentar
ainda mais os custos. A diferença de custo vai se manter por um ou dois
anos. É de se esperar então que as redes de 11 Mbps continuem se
popularizando no mercado doméstico, enquanto as de 54 Mbps ganhem
terreno no mercado corporativo, até que um dia o preço dos dois padrões se
nivele e se tenha uma transição semelhante à das redes Ethernet de 10 para
100 Mbps (BONKERCHE; NIKOLETSEAS, 2004, HEIDEMANN, 2002).
Ao contrário do que o nome sugere, o 802.11a é um padrão mais
recente do que o 802.11b. Na verdade, os dois padrões foram propostos
pelo IEEE na mesma época, mas o 802.11b foi finalizado antes e por isso
chegou ao mercado com mais de 6 meses de antecedência. Os primeiros
periféricos 802.11a foram lançados em novembro de 2001.
313
B.2.3.2 Protocolo Padrão IEEE 802.11b
O 802.11b utiliza a freqüência de 2,4 GHz, a mesma utilizada por
outros padrões de rede sem fio e micro-ondas, todos potenciais causadores
de interferência. Atualmente, a velocidade das redes com o protocolo
802.11b é de 11 Mbps, comparável à das redes Ethernet de 10 Mbps, mas
muito atrás da velocidade das redes de 100 Mbps. Estes 11 Mbps não são
adequados para redes com um tráfego muito pesado, mas são mais do que
suficientes para compartilhar o acesso a Web, trocar pequenos arquivos,
jogar games multiplayer, etc.
Os 11 Mbps são a taxa bruta de transmissão de dados, que incluem
modulação, códigos de correção de erro, retransmissões de pacotes, etc.,
como em outras arquiteturas de rede.
A velocidade real de conexão fica em torno de 6 Mbps, o suficiente
para transmitir arquivos a 750 kB/s, uma velocidade real semelhante à das
redes Ethernet de 10 Mbps.
O alcance do sinal varia entre 15 e 100 metros, dependendo da
quantidade de obstáculos entre o ponto de acesso e cada uma das placas.
Paredes, portas e até mesmo pessoas atrapalham a propagação do sinal.
Numa construção com muitas paredes, ou paredes muito grossas, o alcance
pode se aproximar dos 15 metros mínimos, enquanto num ambiente aberto,
como o pátio de uma escola o alcance pode se aproximar dos 100 metros
máximos.
A potência do sinal decai conforme aumenta a distância, enquanto a
qualidade decai pela combinação do aumento da distância e dos obstáculos
pelo caminho.
É por isso que num campo aberto o alcance será muito maior do que
dentro de um prédio. Conforme a potência e a qualidade do sinal se
degradam, o ponto de acesso pode diminuir a velocidade de transmissão a
fim de melhorar a confiabilidade da transmissão.
314
A velocidade pode cair para 5,5 Mbps, 2 Mbps ou chegar a apenas 1
Mbps antes do sinal se perder completamente. Algumas placas e pontos de
acesso são capazes de negociar velocidades ainda mais baixas,
possibilitando a conexão a distâncias ainda maiores.
Nestes casos extremos o acesso à rede pode se parecer mais com
uma conexão via modem do que via rede local (FLORENZANO, 2002).
B.2.3.3 Protocolo Padrão IEEE 802.11g
Este é uma das famílias do IEEE 802.11 mais recente aprovado pelo
IEEE, que é capaz de transmitir dados a 54 Mbps, assim como o 802.11a.
A principal novidade é que este padrão utiliza a mesma faixa de
freqüência do 802.11b, atual 2,4 GHz. Isso permite que os dois padrões
sejam interoperáveis.
A idéia é que se possa montar uma rede 802.11b agora e mais para
frente adicionar placas e pontos de acesso 802.11g, mantendo os
componentes antigos, assim como hoje em dia se tem a liberdade para
adicionar placas e hubs de 100 Mbps a uma rede já existente de 10 Mbps.
A velocidade de transferência nas redes mistas pode ou não ser de 54
Mbps ao serem feitas transferências entre pontos 802.11g e de 11 Mbps
quando um dos pontos 801.11b estiver envolvido, ou então ser de 11 Mbps
em toda a rede, dependendo dos componentes que forem utilizados.
Esta é uma grande vantagem sobre o 802.11a, que também transmite
a 54 Mbps, mas é incompatível com os outros dois padrões.
Os primeiros produtos baseados no 802.11g chegaram ao mercado
no final de 2002, um ano depois da primeira leva do 802.11a, que é o
concorrente direto.
O padrão IEEE 802.11b também define o protocolo para dois tipos de
redes: redes ad hoc e redes com infra-estrutura (Cliente/Servidor).
•
315
Uma rede ad hoc é um sistema sendo as comunicações
estabelecidas entre várias estações de uma mesma área (célula),
sem o uso de um ponto de acesso ou servidor e sem a necessidade
de infra-estrutura.
•
Uma rede Cliente/Servidor é um sistema com infra-estrutura sendo
várias células parte da arquitetura e estações se comunicam com
estações de outras células através de pontos de acesso usando um
sistema de distribuição.
Como
mencionado
anteriormente,
a
tecnologia
sem
fios
foi
desenvolvida com o propósito de atender as necessidades na área
computacional e da comunicação entre sistemas. Esta tecnologia está
atualmente sendo disponibilizada para diversas aplicações. Neste sentido,
os fabricantes de sensores e atuadores, na área de instrumentação,
passaram a aplicar esta tecnologia em seus dispositivos, tornando-os muito
mais atraentes.
Conseqüentemente, cada fabricante
passou
a
construir suas
linguagens proprietárias de comunicação sem fio empregando estes
protocolos existentes, gerando assim, incompatibilidade entre os diversos
dispositivos para aplicações específicas numa rede complexa de sensores e
atuadores que dependem de dispositivos de diferentes fabricantes.
O IEEE e alguns destes fabricantes de instrumentação, reconhecendo
a necessidade de resolver esses problemas, criaram na década de 90,
grupos para discutir e formatar padrões e protocolos que pudessem ser
disponibilizados para todos os fabricantes de instrumentação, para que seus
produtos pudessem ser interoperáveis entre si.
Foram
aprovadas
as
primeiras
diretrizes
do
padrão
de
interfaceamento para transdutores inteligentes, o IEEE 1451 (TC-9, 1997,
1999).
316
B.3 PADRÃO IEEE 1451
B.3.1. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO PADRÃO IEEE-1451 E SUAS
PARTES
Na Figura AB.1, é apresentado o padrão IEEE 1451 e suas partes de
forma global e como interagem.
Figura AB.1 – Modelo do padrão IEEE 1451 e suas partes, (CAO, 2006)
•
Características do IEEE 1451-1
-
Modelo de objeto comum podendo ser usado com protocolos de redes
múltiplas.
-
Modelos
uniformes
para
funções
fundamentais
317
necessárias
em
transdutores inteligentes que incluem dados físicos paramétricos,
funcionalidade de aplicação e comunicação.
-
Framework é definido para ajudar a criar transdutores inteligentes.
Nas Figuras AB.2 e AB.3, são apresentados modelos do padrão IEEE
1451-1 e suas particularidades.
Figura AB.2 – Modelo conforme o padrão IEEE 1451.1, (CAO, 2006)
Figura AB.3 – Modelo implementado no padrão IEEE 1451.1, (CAO, 2006)
318
•
-
(TEDS) Folha de Dados de Transdutor Eletrônico Extensível.
-
Modelo geral de calibração / correção para transdutores.
-
Representação das unidades físicas baseadas no sistema SI.
-
Modelo de controle e disparo define como os canais são acessados.
-
Todos os canais podem ser disparados simultaneamente, parâmetros de
tempo são usados para indicar canais diferentes.
-
Modelos para tipos diferentes de sensores.
1451.2 e suas particularidades.
Figura AB.4 – Modelo conforme padrão IEEE 1451.2, (CAO, 2006)
319
•
-
Multi pontos, interface de alta velocidade permite fluxo contínuo de dados
para o host.
-
Similar ao 1451.2, em termos de (TEDS), modelo de calibração/correção,
modelo de disparo/controle, modelo de dados.
-
Os TEDS aumentaram com características novas como o formato XML,
mais modelos de atuador.
-
Medidas sincronizadas ao módulo de interface do bus do transdutor
(TBIM).
Figura AB.6 – Modelo conforme padrão IEEE 1451.3, (CAO, 2006)
320
•
-
TEDS compacto e muito pequeno, de tamanho em bits (tão pequeno com
67 bits, tipicamente 256 bits) e não mais em bytes.
-
TEDS-plus permite extensão de auto-identificação para parâmetros
chave do transdutor.
-
Interface de modo misturado.
-
Interface digital para ler e escrever o TEDS ou controle do transdutor.
-
Por exemplo, ajustar o ganho do pré-amplificador, mudar o ajuste do
filtro, iniciar auto-teste.
-
Interface analógica para fazer medidas de maneira normal.
Figura AB.8 – Modelo conforme o padrão IEEE 1451-4, (CAO, 2006)
•
321
Características do IEEE-P-1451-5
- Bluetooth TII, um simples ponto NCAP conectado a múltiplos STIMs.
- Para controladores e outros NCAPS implementados em um dispositivo
host, o SPP requer memória mínima da host e código de aplicação (porta
virtual).
- Sinais Inband podem ser implementados em comandos AT.
- Sinais de largura de banda podem ser implementados em canais extras
RFCOMM.
- RFCOMM permite multiplexagem de múltiplos canais em um simples link.
- STIM pode implementar o Bluetooth SPP TII em um único chip do
dispositivo Bluetooth.
- NCAP pode implementar o Bluetooth SPP TII para múltiplos STIMS em um
simples chip do dispositivo Bluetooth.
- A maioria dos HHDs comerciais, PCs e telefones móveis suportam o SPP.
Na Figura AB.10, apresenta-se o escopo do padrão IEEE 1451.5
numa rede de sensores sem fio.
Figura AB.10 – Modelo conforme padrão IEEE 1451.5, (KENNETH, 2006)
•
322
Características do IEEE-P-1451-6
- Uma rede de alta velocidade baseada no sistema CAN6-open.
- Diversos módulos contendo transdutores.
- Definição de uma camada de segurança no modelo de comunicação.
B.3.2 OBJETIVOS DO PADRÃO IEEE 1451
Os principais objetivos deste padrão são:
- Habilitar a conexão plug and play de um transdutor (sensor ou atuador)
fornecendo uma interface de comunicação comum para o transdutor.
- Habilitar e simplificar a criação de redes de transdutores inteligentes.
- Facilitar o suporte de múltiplas redes.
Como
mencionado
anteriormente,
devido
à
existência
de
fragmentação do mercado de sensores, está se buscando hoje, caminhos
para a construção a baixo custo de redes de sensores inteligentes. Muitas
redes de sensores ou implementação de Fieldbus estão cada vez mais
disponíveis cada um com suas próprias vantagens e desvantagens para
uma classe de aplicação específica.
Conectar-se os transdutores nas redes de controle a grande
variedade de protocolos, representa um esforço significativo e caro aos
fabricantes de transdutores. Uma comunicação padrão de um transdutor
universalmente aceito não só permitiria o desenvolvimento de sensores e
atuadores inteligentes como também poderia conduzir ao baixo custo de
desenvolvimento.
Como dito anteriormente, o objetivo dessas normas não foi o de
propor outra rede de controle, mas desenvolver uma interface padrão para
transdutores inteligentes que permitirá a escolha de transdutores e redes.
6
Protocolo de comunicação para aplicações industriais Controller Area Network (CAN)
323
Não havia nenhum padrão de interface de comunicação digital comum
definido entre transdutores e redes (NCAPs). Cada fabricante de
transdutores construía sua própria interface.
Conseqüentemente, os fabricantes de transdutores não podiam
suportar todo o controle de redes aos quais os seus produtos eram
submetidos. Foi realizada uma série de cinco seminários sobre interfaces de
transdutores entre 1994 e 1995, sendo sugerida uma proposta de interface
padrão comum de comunicação para transdutores.
Esta interface permitiria aos fabricantes de transdutores darem
suporte para múltiplas redes de controle mais facilmente. Este padrão
simplificaria o desenvolvimento de redes de transdutores definindo o
hardware e blocos de software que não dependem de redes de controle
específicas. Este projeto desenvolveu uma interface de hardware padrão
para conectar um módulo de interface de transdutor inteligente (STIM) para
um (NCAP).
Enquanto
o
projeto
não
incluísse
especificações
para
o
condicionamento de sinais ou conversão de dados, forneceria um
mecanismo
para
especificar
a
combinação
de
transdutores,
condicionamento de sinais e conversão de sinais ao resto do sistema. Este
mecanismo é a tabela de dados eletrônicos para transdutores (TEDS).
O grupo de trabalho definiu um (TEDS) que dá suporte a uma
variedade grande de transdutores como também uma interface digital para
ter acesso ao TEDS, sensores e atuadores fixos. Isto permite aos
fabricantes de transdutores a diferenciação competitiva em áreas de
qualidade, característica de ajuste e custo, e, ao mesmo tempo dispõe a
oportunidade para projetar uma interface comum podendo ser usada em
uma variedade grande de aplicações.
O TEDS fornece auto-identificação dos transdutores e é o ponto
principal deste esforço. O TEDS contém campos que descrevem
completamente o tipo, operação, e atributos de um ou mais transdutores.
Requerendo que o TEDS seja associado fisicamente ao transdutor,
resultando uma partição de hardware encapsulado sob aspectos de medidas
324
em um STIM, em uma interface digital e na aplicação relacionada aos
aspectos no NCAP. Além de redes de controle, os STIMs podem ser usados
com
microprocessadores
em
uma
variedade
de
aplicações
como
instrumentos portáteis e cartões de aquisição de dados.
Dados de saída pelo STIM podem ser um número inteiro, um número
real de simples precisão ou real com formatos de dupla precisão. O dado é
passado ao NCAP e do NCAP para o resto do sistema. Mais adiante, o
processamento destes dados pode acontecer no NCAP e em outros
processadores de um sistema maior. Ao longo deste padrão é assumido,
mas não exigido, que todo o processo seja executado em dados em formato
real de dupla ou simples precisão, segundo (CONWAY, 2000).
São especificados todos os campos no TEDS baseados na suposição
que, a menos que especificamente declarem ao contrário, todos os dados
serão convertidos para real de precisão simples ou duplo antes de qualquer
processamento ser executado. Este padrão fornece áreas que são ‘abertas à
indústria’. Deve ser notado que qualquer uso destas áreas compromete o
potencial plug and play7 dos NCAPs e STIMs, (IEEE-1451.1 e 2, pg. iii ao iv,
1997 e 1999).
7
Termo utilizado ao processo de conexão e posterior funcionamento de um dispositivo em
um determinado sistema, sem a necessidade de reconfiguração.
325
C.4 REFERÊNCIAS
ANDREW, G. Handheld Devices, Wireless Communications, and Smart
Sensors What It All Means for Field Service. InHand Electronics Inc.
Disponível em:<http://www.sensorsmag.com/articles/article_index/>. Acesso
BOUKERCHE; A; NIKOLETSEAS, S. Energy Efficient Algoritms in
Wireless Sensor Networks, 2004. Springer Verlag, Chapter in book.
BOUKERCHE, A.; NIKOLETSEAS, S. Wireless Communications Systems
and Networks; in: Chapter Protocols for Data Propagation in Wireless
Sensor Networks: A Sruvey, 2004. Kluwer Academic Publishers, p. 708.
CAO, F. IEEE 1451 Smart Sensor Networking, 2006. 16722 Sensing and
Sensors, EUA, 2006.
CONWAY, P. IEEE 1451.2—An Interpretation
Implementation, 2002 Proc 17th IEEE IMTC.
and
Example
FLORENZANO, V. Siga as Pistas do Wireless. Disponível
em:<http://www.sensorsmag.com/articles/article_index/>. Acesso em: 20 de
outubro de 2002.
HEIDEMANN, W.Y.; ESTRIN, D.; An EEnergy-efficient MAC protocol for
Wireless Sensor Network; 2002 in: Proceeding of the IEEE International
Conference on Computer Communication; pp.1567-1576.
IEEE.IEEE Standard Codes, Formats, Protocols, and Commands for Use
whith IEEE Std 488.1-1987, IEEE Standard Digital Interface for
Programmable Instrumentation, 1992. IEEE Std 488.2-1992.
IEEE.IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and
Actuators – Transducer to Microprocessor Communication Protocols
and Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) Formats, 1998. IEEE Std
1451.2 – 1997.
326
Actuators – Network Capable Application Processor (NCAP)
Information Model, 2000. IEEE Std 1451.1 – 1999.
IEEE.IEEE Standard for Smart Transducer Interface for Sensors and
Actuators – Digital Communication and Transducer Electronic Data
Sheet (TEDS) Formats for Distributed Multidrop Systems, 2004. IEEE
Std 1451.3 – 2003.
Actuators – Mixed-Mode Communication Protocols and Transducer
Electronic Data Sheet (TEDS) Formats, 2005. IEEE Std 1451.4 – 2004,
2005.
JIANG, Q., MANIVANNAN, D.; Routing Protocols for Sensor Network,
2005. First IEEE Transactions on Industrial Informatics”; v.1; n.1; p.62 – 70.
KENNETH, D.; CORNETT, P. D.. Clarification of Motorola’s Proposal for
IEEE 1451.5 Wireless Smart Sensor Standard, 2006. EUA.
TC-9, Committee on Sensor Technology of the IEEE Instrumentation and
Measurement Society. IEEE Standard for a Smart Transducer Interface
for Sensors and Actuators Transducer to Microprocessor
Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet
(TEDS) Formats, 1997.
TC-9, Committee on Sensor Technology of the IEEE Instrumentation and
Measurement Society. IEEE Standard for a Smart Transducer Interface
for Sensors and Actuators - Network Capable Application Processor
(NCAP) Information Model, 1999.

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No da revisão: 05 Data: jul/2010 Código: POP