estudo para aplicação de redes sem fio no ambiente industrial

0
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
ESPECIALIZAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
VALCIR ANTONIO PILON
ESTUDO PARA APLICAÇÃO DE REDES SEM FIO NO
AMBIENTE INDUSTRIAL
MONOGRAFIA - ESPECIALIZAÇÃO
CURITIBA
2009
1
VALCIR ANTONIO PILON
ESTUDO PARA APLICAÇÃO DE REDES SEM FIO NO
AMBIENTE INDUSTRIAL
Monografia de conclusão do curso de
Especialização em Automação Industrial do
Departamento Acadêmico de Eletrônica da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
apresentada como requisito parcial para
obtenção do grau de Especialista em
Automação Industrial.
Orientadora: M.Sc. Simone Massulini Acosta.
CURITIBA
2009
2
Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Diretoria do Campus Curitiba
Gerência de Pesquisa e Pós-Graduação
Departamento Acadêmico de Eletrônica
_______________________________________________________________
TERMO DE APROVAÇÃO
Titulo da Monografia
ESTUDO PARA APLICAÇÃO DE REDES SEM FIO NO AMBIENTE INDUSTRIAL
Área de conhecimento: Automação Eletrônica de Processos Elétricos e Industriais
por
Valcir Antônio Pilon
A presente monografia, requisito parcial para obtenção do título de ESPECIALISTA
EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL, foi avaliada pela banca examinadora, constituída
pelos docentes abaixo discriminados, que considerou o trabalho Aprovado.
________________________________________
Prof. Msc. Guilherme Alceu Schneider
_______________________________________
Prof. Dr. Sergio Leandro Stebel
______________________________________
Profa. Msc. Simone Massulini Acosta
Orientador
Curitiba, 10 de Novembro de 2009.
Visto da coordenação
_____________________________________
Prof. GUILHERME ALCEU SCHNEIDER
3
AGRADECIMENTOS
A Deus,
Em especial à minha esposa Ana Scatolin,
Às minhas filhas Maria Fernanda e Gabriela,
Aos meus pais,
À minha orientadora Simone Massulini Acosta,
A todo o corpo docente da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
4
RESUMO
PILON, Valcir A. Estudo para aplicação de redes sem fio no ambiente industrial.
2009. 52 p. Monografia (Especialização em Automação Industrial), Departamento
Acadêmico de Eletrônica, UTFPR, Curitiba.
Novos equipamentos estão sendo aprimorados na tentativa de aumentar a
velocidade de comunicação, reduzir os custos dos sistemas e aumentar a segurança
e a confiabilidade dos processos. Este trabalho tem como objetivo apresentar a
aplicação de redes sem fio no ambiente industrial, levando em consideração a
aplicação, o grau de segurança que oferecem e a confiabilidade nos dados
transmitidos pelas tecnologias Wireless, Wi-Fi e rádio frequência. O desenvolvimento
tecnológico vem trazendo sistemas de comunicação sem fio cada vez melhores e
compatível com sistemas cabeados, seja pelo custo ou pela tecnologia embarcada.
Atualmente, têm-se aplicações em todos os setores, entre eles, na indústria, na
segurança militar, em residências e, até mesmo, na agricultura, trazendo soluções
apropriadas ao ambiente onde os equipamentos estão instalados. A elaboração de
um projeto adequado e a reformulação de protocolos traz ótimos resultados quanto
ao aumento da vida útil das baterias, redução de interferências eletromagnéticas e
aumento na segurança de transmissão e recepção de dados das redes sem fio.
Palavras-chaves: Redes sem fio. Redes industriais. Bluetooth. Wi-Fi.
5
ABSTRACT
PILON, Valcir A. Estudo para aplicação de redes sem fio no ambiente industrial.
2009. 52 p. Monografia (Especialização em Automação Industrial), Departamento
Acadêmico de Eletrônica, UTFPR, Curitiba.
New equipment are being enhanced in the attempt to increase the speed of
communication, reduce costs and increase the safety and reliability of processes.
This work aims to present application of wireless networks in the industrial
environment, taking into account the application, the degree of safety and reliability in
the data transmitted by the Wireless technologies, Wi-Fi and radio frequency. THE
technological development comes bringing wireless communication systems each
better and compatible with wired systems, is at cost or by flood technology. Currently,
applications in all sectors, between they, in industry, in military security, in homes and
even in Agriculture, bringing solutions appropriate to the environment where the
equipment are installed. The establishment of an appropriate design and redesign
protocols brings great results as regards the increase in the life of the batteries,
reduction of electromagnetic interference, and increased security data transmission
and reception of wireless networks.
Keywords: Networks without wire. Networks industrial. Bluetooth. Wi-Fi.
6
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................8
1.1. TEMA
..............................................................................................................8
1.2. PROBLEMA E PREMISSAS.................................................................................9
1.3. OBJETIVOS .......................................................................................................10
1.3.1. Objetivo geral ..................................................................................................10
1.3.2. Objetivos específicos.......................................................................................10
1.4. JUSTIFICATIVA .................................................................................................11
1.5. ESTRUTURA DO TRABALHO ...........................................................................11
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................12
2.1. SETOR INDUSTRIAL .........................................................................................12
2.2. REDES INDUSTRIAIS .......................................................................................12
2.3. SENSORES SEM FIO REDES DE SENSORES SEM FIO (RSSF) ...................14
2.4. PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO ..................................................................18
3. TRABALHOS RELACIONADOS A RSSF............................................................20
3.1. APLICAÇÔES DE RSSF.....................................................................................20
3.2. PROTOCOLOS PARA RSSF .............................................................................29
3.3. SEGURANÇA EM RSSF ....................................................................................34
3.4. PROJETO DE RSSF...........................................................................................36
4. ANÁLISE E DISCUSSÃO .....................................................................................40
5. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ...............................................................46
5.1. SUGESTÕES PARA NOVOS TRABALHOS.......................................................46
REFERÊNCIAS.........................................................................................................48
7
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Exemplo de redes industrial cabeada ....................................................... 13
Figura 2 - Exemplo de rede sem fio .......................................................................... 15
Figura 3 - Exemplo de rede sem fio ......................................................................... 16
Figura 4 - Sensores sem fio ..................................................................................... 17
Figura 5 - Receptor de sinal de satélite para GPS .................................................. 17
Figura 6 - Aplicação de redes sem fio na exploração de petróleo ........................... 21
Figura 7 - Aplicação de redes sem fio na extração de petróleo ............................... 22
Figura 8 - Topologia típica de conexão remota ao servidor por GPRS .................... 23
Figura 9 - Topologia típica de conexão remota ao servidor por GPRS .................. 24
Figura 10 - Utilização de satélites de comunicação para interligação de
equipamentos ........................................................................................ 25
Figura 11 - Arquitetura típica de medição de nível com rede sem fio ...................... 26
Figura 12 - Medição e controle de nível com rede sem fio ....................................... 26
Figura 13 - Mestre rede sem fio conectando-se a múltiplos instrumentos rede
fio escravos ............................................................................................ 26
Figura 14 - Aplicação rede sem fio na Usiminas ...................................................... 27
Figura 15 - Controle de sistemas de irrigação agrícola ............................................ 27
Figura 16 - Monitoramento remoto do desempenho de motores elétricos ............... 28
Figura 17 - Monitoramento remoto do nível de fluido em múltiplos tanques ............ 28
Figura 18 - Aplicação em estação de tratamento de água ....................................... 29
Figura 19 - Exemplo de rede ZigBee ........................................................................ 32
Figura 20 - Instalação Típica de WirelessHART ...................................................... 33
Figura 21 - Aplicação de redes sem fio na indústria ................................................ 34
Figura 22 - Redes auto-organizadas ........................................................................ 38
Figura 23 - Adaptador ABB WirelessHart ................................................................. 43
8
1. INTRODUÇÃO
1.1.
TEMA
O desenvolvimento industrial vem acontecendo desde a descoberta do carvão
mineral, o que capacitou o surgimento das grandes indústrias. Gradativamente
novas formas de produzir energia (termoelétricas, hidroelétricas, nuclear e outras)
alavancaram o desenvolvimento industrial no mundo, com isto, a indústria
transformou-se em um dos principais, ou até mesmo o principal produto econômico
de cada país. Para um crescimento contínuo, os industriais foram à busca de novos
mercados no exterior, criando uma corrida desenfreada ao crescimento econômico,
surgindo assim uma concorrência muito forte entre as empresas. Para serem
competitivas, as indústrias tiveram que buscar as formas de produzir com alta
qualidade, baixo custo, volume e velocidade na fabricação. Uma das formas
utilizadas para que as empresas sejam competitivas no mercado mundial, foi a
automatização dos seus processos de produção, o que permitiu a redução de
custos, o aumento do volume de produção e o controle de qualidade dos produtos.
As primeiras máquinas automatizadas eram compostas de equipamentos
autônomos, como por exemplo, o controle de nível com bóias e mediante controles
pneumáticos localizados em campo, sem a integração com outros controladores.
Com a necessidade de um controle mais detalhado englobando todo o processo, foi
necessário integrar todos os equipamentos envolvidos na automação através de
uma rede cabeada de comunicação usando sinais analógicos centralizando todo o
processo em uma sala de controle (PANTONI, 2006).
O desenvolvimento tecnológico resultou em redes sem fio, aplicadas
principalmente em ambientes industriais agressivos, com elevada toxicidade e com
certo perigo de explosão. Estas redes podem, também, ser empregadas na área de
segurança militar e no monitoramento de fenômeno físicos e naturais (GINATTO,
2008), bem como em sistemas de automação predial, residencial e agrícola
(MONTEBELLER, 2006).
Para a aquisição, monitoramento e controle de dados existem a necessidade
constante de pesquisas de novos sistemas de comunicação para aquisição e
9
transmissão de dados. Segundo Boaretto (2005), uma destas pesquisas é na área
da tecnologia sem fio, que vem trazer maior flexibilidade na implantação de novos
sistemas. A necessidade cada vez maior de obter informações da produção, seja
quantitativamente ou qualitativamente, em diversos lugares distintos, até mesmo em
regiões remotas de difícil acesso e distante do fornecedor das informações, estimula
avanços na tecnologia sem fio na área industrial.
Os sistemas de comunicação sem fio possuem emprego crescente em
sistemas de automação na indústria, no comércio e até mesmo nas residências. A
sua empregabilidade é bastante difundida, pois existem inúmeros dispositivos que
utilizam as tecnologias bluetooth, Wi-Fi e outras, oferecendo segurança ao usuário e
possuindo compatibilidade para integração com sistemas de automação cabeados.
Outra característica de suma importância é a instalação e inclusão de novos
dispositivos sem fio (sensores, atuadores e controladores), sem a necessidade de
alterações físicas dos elementos construtivos e da rede cabeada, reduzindo
consideravelmente a utilização de cabos de alimentação e comunicação na
indústria,
eliminando
este
custo
e
tornando
ambientes
limpos
sem
o
congestionamento de cabos. A importância de redes sem fio cresce quando se trata
de ambientes com risco de explosão, em ambientes tóxico, de difícil acesso e muito
distante (MONTEBELLER, 2006).
Os sistemas de comunicação sem fio são, hoje, uma realidade e estes estão
vem se modernizando com muita rapidez. O monitoramento e controle de
informações em tempo real, não se restringem mais à sala de controle, devem estar
disponível a qualquer momento e em qualquer lugar, sendo isto possível através de
equipamentos móveis, como laptops, celulares e outros (ROCHA, 2005).
1.2.
PROBLEMA E PREMISSAS
Supõe-se que a pouca aplicação de sistemas sem fio na indústria esteja
vinculada basicamente na falta de conhecimento sobre estes sistemas.
Um dos problemas apresentados em sistemas sem fio é a troca periódica de
baterias, mas isto pode ser resolvido com alterações no meio físico ou, conforme
Ginatto (2008), alterando-se o protocolo de comunicação, que implica aumento na
vida útil das baterias em até 22%.
10
A segurança na transmissão e recepção de dados em redes sem fio também é
vista como um impedimento ao seu uso, porém verifica-se que as redes para internet
cabeadas estão disponíveis em todos os lugares, e também incide sobre estas a
insegurança no uso. Mesmo assim, as redes para internet cabeadas são utilizadas
em todos os ambientes, seja comercial, residencial e industrial. Através de sistemas
criptografados nas redes sem fio, a segurança pode atingir patamares aceitáveis e
até melhores do que as das redes cabeadas (ROCHA, 2005).
As interferências eletromagnéticas podem ocasionar distorção em dados
recebidos de determinada fonte, ocasionada por uso da mesma faixa ou por canais
adjacentes, mas isto pode ser evitado através da reprogramação da frequência, pela
análise daquelas existentes no local e reprogramação e pelo uso da técnica spread
spectrum, um combate a faixas estreitas (ROCHA, 2005).
1.3.
OBJETIVOS
1.3.1. Objetivo Geral
Realizar o estudo da aplicação de redes sem fio no controle e no
monitoramento de processos industriais.
1.3.2. Objetivos Específicos
•
Analisar as formas para alimentação de equipamentos sem fio na indústria,
visando o aumento da vida útil ou a eliminação das baterias.
•
Levantar o efeito da interferência eletromagnética em redes sem fio existentes
em ambientes industriais e o método para redução desta interferência.
•
Apresentar formas para tornar mais segura a transmissão e recepção de dados
na indústria e impedir o acesso externos aos dados das redes sem fio.
11
1.4.
JUSTIFICATIVA
Existem várias tecnologias de comunicação de redes sem fio no mercado,
porém a aplicação na indústria ainda é pequena. A eficiência do sistema no
ambiente industrial é duvidoso, devido as fortes interferências magnéticas,
segurança das informações trocadas entre os dispositivos e a dificuldade de
manutenção na troca periódica de baterias. Existe a necessidade de um estudo mais
específico de redes sem fio, com o objetivo de salientar sobre os meios de controle
de cada empecilho existente, fornecendo subsídios para aplicação segura de
sistemas sem fio em ambiente industrial.
1.5.
ESTRUTURA DO TRABALHO
O Capítulo 1 refere-se à introdução, apresentando a proposta central do
trabalho, o problema e premissas, os objetivos propostos e a justificativa de
execução do mesmo.
O Capítulo 2 relaciona-se ao embasamento teórico com os conceitos gerais do
ambiente industrial e as tecnologias de redes sem fio.
O Capítulo 3 apresenta as pesquisa em trabalhos técnicos sobre a utilização de
sistemas de redes sem fio, abordando análise quanto ao segurança, interferências
eletromagnéticas e a alimentação de dispositivos sem fio.
O Capítulo 4 apresenta uma análise crítica sobre as redes sem fio quanto a sua
aplicabilidade no setor industrial.
No Capítulo 5 encontram-se as conclusões encontradas após uma análise
crítica das tecnologias de redes sem fio.
12
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo serão apresentadas definições sobre o setor industrial e o que
basicamente compõe uma rede industrial.
2.1.
SETOR INDUTRIAL
A difusão da automação na indústria vem crescendo e modernizando-se
rapidamente nos últimos anos, passando do controle analógico, através das ligações
a dois fios por relé até a tecnologia ethernet e redes sem fio (BALDO, 2009).
A competitividade existente no setor industrial exige que as empresas utilizem
e desenvolvam novas tecnologias a fim de reduzir o custo e aumentar a qualidade
de seus produtos. A utilização de sistemas de transmissão sem fio encontra-se em
expansão, uma vez que sua utilização apresenta boa confiabilidade, permitindo
leituras instantâneas dos resultados com toda a mobilidade que somente as Redes
de Sensores Sem Fio (RSSF) podem oferecer, sendo utilizados em sistemas de
controle, supervisão de processos industriais, estoque de matéria prima e produto
final (REBELATO; LIDAK, 2006).
Boaretto (2005), também descreve que as empresas necessitam cada vez mais
de informações em tempo real diretamente do chão de fábrica, para um perfeito
controle do processo, do volume do produto final produzido e da rastreabilidade do
mesmo após a comercialização, para o controle de qualidade total de seus produtos.
Pode-se dizer que uma das estratégias de competitividade das indústrias e a
escolha correta da rede de comunicação a ser utilizada, a fim de obter-se a
integração de todos os setores, tais como, o setor de compras, recepção de matéria
prima, setor administrativo, faturamento, controle de estoque e outros (SOUZA;
OLIVEIRA, 2003).
2.2.
REDES INDUSTRAIS
No final do século XIX, surgiram os primeiros relés. Neste mesmo tempo,
Thomas Edson desenvolveu as primeiras válvulas, sendo que estas possibilitaram o
13
surgimento dos primeiros computadores, que eram grandes, pesados e lentos. Por
volta de 1940 foram desenvolvidos os transistores a base de materiais
semicondutores e na década de 1960, utilizando-se o silício, foi possível integrar
vários transistores em circuitos integrados, sendo que hoje estes podem chegar até
os quatorze milhões de transistores por centímetros quadrado. Desta forma, o
advento dos transistores permitiu que o controle industrial fosse realizado através de
sistemas com cabeamento serial, porém atualmente a rede ethernet, que também
suporta a tecnologia sem fio, vem dominando o mercado da automação, com
promessa de crescimento contínuo, desenvolvimento de novas tecnologias de
integração e com perspectiva de sobrevida por um longo período (MARLETA, 2007;
BALDO, 2009).
As redes industriais permitem a comunicação entre estações de controle e
monitoramento dos dispositivos de campo, seja através de cabos ou sem fio
(MONTEIRO et al. 2007). A Figura 01 apresenta um exemplo de rede industrial
cabeada.
Figura 01 - Exemplo de redes industrial cabeada
Fonte: Pantoni, 2006.
As redes de comunicação, sejam cabeadas ou sem fio, são de suma
importância em um ambiente industrial automatizado, principalmente na integração
dos instrumentos e equipamentos do chão de fábrica aos sistemas de controle e,
também, aos sistemas administrativos (SOUZA; OLIVEIRA, 2003).
14
Dentre as principais razões para a utilização da rede ethernet, está a ampla
conectividade em todo o mundo, com suporte a tecnologia TCP/IP e IEEE. Outro
ponto fundamental e que permite uma redução considerável nos custos, é a
existência de uma infra-estrutura pronta, com velocidades de 10Mbps e podem
chegar até 10Gbps, com inúmeros produtos que possuem interoperabilidade no
mercado a valores relativamente baixo. Abrangendo quase em total as exigências de
velocidade no transporte de dados atual, garantindo uma vida útil de pelo menos dez
anos (BONADEO, 2009).
2.3.
SENSORES SEM FIO E REDES DE SENSORES SEM FIO (RSSF)
Sistemas de comunicação sem fio, que originam as RSSFs, vem da utilização
de sistemas de comunicação sem a conexão física (cabos) entre equipamentos,
primeiramente utilizada entre computadores. É mais comum a utilização de sistemas
de comunicação sem fio através de rádio frequência, mas existem outros meios
como o infravermelho e raio laser, mas são poucos utilizados, pois não pode haver
barreira física entre os pontos de comunicação. Os sistemas de comunicação sem
fio possuem uma tecnologia bastante promissora e novas tecnologias estão sendo
empregadas na produção de novos equipamentos para RSSF, seja através da
utilização de nova matéria prima, da tecnologia embarcada como também da
redução de suas dimensões (SOBRINHO, 2007). Um exemplo de rede de sensores
sem fio é apresentado na Figura 02.
Hoje quase todas as tecnologias de rede sem fio, atendem a normas
internacionais, garantindo plena conectividade (MALIMA, 2009). Existe uma trilogia
do sistema de comunicação sem fio, sendo:
•
Bluetooth - desenvolvida para comunicação em distâncias de até 100m,
individual e com velocidade baixa de 721kbps, mas com boa segurança
a interferências e transmissão de dados mais seguros;
•
Wi-Fi - empregada em distâncias de até 1.000m, atendendo mais de um
equipamento ao mesmo tempo, com maior velocidade na transmissão
de dados;
•
UWB (banda ultra-larga) - de até 54 Mbps, aumentando a velocidade
para mais de 100Mbps e a largura de banda de 3,1GHz a 10,6GHz,
15
uma vez que a Wi-Fi e Bluetooth possuem bandas fixas em 2,4GHz.
Esta tecnologia de rádio funciona bem abaixo do nível de ruído; e
•
Temos ainda as tecnologias ZigBee e a WirelessHART bastante
difundidas no setor industrial.
Figura 02 - Exemplo de rede sem fio.
Fonte: Campista, 2008.
A ISA (The Instrumentation, Systems and Automation Society) está
desenvolvendo o padrão ISA SP-100, para estabelecer as normas, práticas
recomendadas, relatórios técnicos e outras informações que servirão para definir os
procedimentos para a implantação dos sistemas sem fio no ambiente de automação
e do controle de processos. Esta falta de padronização reduz a aceitação pelo setor
industrial do uso de RSSF, pela falta de segurança e integração dos variados
fornecedores. A Figura 03 apresenta uma rede sem fio típica nas indústrias de
instrumentação e controle de processos (ALMEIDA, 2009; PELUSO, 2007).
16
Figura 03 - Exemplo de rede sem fio.
Fonte: Peluso, 2007.
Pesquisas de novos sistemas sem fio constituem sistemas eficazes e
competitivos às redes cabeadas, reduzindo os custos para a implantação da rede e
viabilizando o acesso da tecnologia por todas as pessoas e sendo aplicável em
vários ambientes, como industrial, agrícola e outros (LOREIRO, 2009). Pesquisas
estão sendo direcionadas na tentativa de sanar alguns dos problemas dos sistemas
sem fio, tais como a alimentação através de baterias (que estão com maior vida útil e
com tamanho menores) e a baixa velocidade de transmissão e recepção de dados
(BARRETO, 2007).
O sistema de funcionamento de uma RSSF é basicamente a comunicação de
nó a nó, seja com a função de sensor, comunicação ou de processamento. A RSSF
pode ser utilizada para monitoramento da fertilidade do solo, da temperatura,
umidade, característica química do ar e outras; pela sua flexibilidade podem ser vista
em várias áreas: seja na militar, monitorando estoques e também na frente de
batalha estabelecendo estratégias de ataque ou defesa; seja na ambiental, no
monitoramento de colônia de insetos, migração de aves e despejos de poluente nos
rios; aplicações médicas, monitoramento dos batimentos cardíaco e nível de
colesterol; nas usinas hidrelétricas e nucleares; nas indústrias, química, montadoras
de automóveis e de petróleo e gás, no monitoramento de dutos, tanques, máquinas
e equipamentos e outros (SILVA, 2006). Sobrinho (2007) enfatiza que as RSSF são
aplicáveis nos lugares mais agressivos possíveis, como a exemplo: para monitorar
furacões, vulcões, geleiras e até no fundo do mar.
Além do desenvolvimento de novas tecnologias, proporcionando sensores cada
vez menores e de baixo custo, grande parte dos sensores sem fio, possui tecnologia
17
de controle próprio, podendo trabalhar em conjunto ou individualmente (SEIDEL;
FERREIRA; OLIVEIRA, 2009).
O desenvolvimento tecnológico de sensores sem fio teve início por volta de
1980, com sistemas de sensores sem fio, que possuíam o tamanho de uma caixa de
sapatos, com sistemas de sensoriamento, processamento e comunicação
separados, e que foram inicialmente empregados na área militar, para fins de
localização de embarcações no mar e rastreamento de aviões. Hoje, os sensores
são pequenos e utilizados em vários setores. A evolução dos sensores sem fio é
apresentada na Figura 04 e Figura 05 (SILVA, 2006).
Figura 04 - Sensores sem fio.
Fonte: Silva, 2006.
Figura 05 - Receptor de sinal de satélite para GPS
Fonte: Lima, 2005
Conforme Konstantinova (2005) estão sendo desenvolvidas pesquisas de
novos materiais para uso em sistemas eletrônicos, assim contribuindo para a
miniaturização de sensores sem fio, entre eles novos compostos de carbono,
encontrando materiais com estruturas mais densas que favorecem a passagem de
sinais elétricos.
A utilização de sensores sem fio pode ser visto em vários lugares. Silveira
(2004) utilizou sistemas com sinal de rádio telemetria para o monitoramento de
18
onças na selva. Tais equipamentos operaram na frequência de 150 GHz com vida
útil das baterias variando de 24 meses a 42 meses. Os sistemas eram compostos
por sensores que indicavam a posição do animal e se o mesmo estava vivo ou
morto. Segundo o autor, sem o uso de equipamentos sem fio para o monitoramento
dos animais na floresta, seria praticamente impossível a coleta de dados importantes
para o desempenho do trabalho, pois estes animais sendo carnívoros utilizam uma
área muito extensa no meio da mata e muitas vezes de difícil acesso.
2.4.
PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO
As soluções da utilização de rede sem fio definem somente o meio físico por
onde passam os dados e como enviar os dados através de diferentes meios: ondas
de radiofreqüência, laser ou infravermelho. A linguagem utilizada para transmitir os
dados, ou protocolos de comunicação, não é definida. Vários protocolos podem ser
utilizados, tais como: Modbus serial, Modbus TCP/IP, Foundation Fieldbus, Hart,
ProfiNet,
e também protocolos proprietários. É muito importante verificar se a
solução de rede sem fio escolhida é compatível e aceita o protocolo utilizado entre
os equipamentos que se deseja conectar (FAYAD, 2003).
Como cada fabricante de produtos com tecnologia sem fio utilizava uma
linguagem de comunicação própria e levando em consideração que existe a
necessidade de utilização de equipamentos de fabricantes diferentes para compor
uma RSSF, estes fabricantes se organizaram e surgiu assim o padrão IEEE 1451.
Além dos protocolos da família IEEE, existem vários outros protocolos,
cabendo ao projetista definir por aquele que melhor se encaixa no projeto,
adaptando-se ao sistema empregado, a infra-estrutura existente e aquela que será
utilizada e o meio físico onde irão operar os equipamentos (MACEDO, 2006).
Em redes de padrão IEEE 802.11, a utilização do algoritmo correto para
implementação e controle da taxa da camada de enlace, reduz substancialmente o
número de colisões e, com isto, há uma redução expressiva na perda de pacotes de
dados. Em Cardoso (2009), é possível verificar que o bom desempenho de uma
RSSF está vinculada não somente a tecnologia física do hardware a ser utilizado,
mas também a estrutura de transmissão de dados através de um protocolo
perfeitamente configurado, mesmo utilizando tecnologias iguais. Como exemplo,
19
duas RSSF utilizando um protocolo IEEE 802.11.g, podem possuir grande diferença
no desempenho de uma para outra, pois o padrão IEEE não especifica qual
algoritmo deve ser utilizado para o controle da taxa de enlace, afetando diretamente
a velocidade e a qualidade dos dados envidados pela rede de comunicação sem fio.
20
3. TRABALHOS RELACIONADOS A RSSF
3.1.
APLICAÇÕES DE RSSF
Segundo Campista (2008), em sistemas de computares que trabalham em
rede, a utilização de redes sem fio, é uma das melhores formas de transporte de
dados com ótimo desempenho e com custo baixo. Redes sem fio utilizadas através
de uma rede ad hoc (redes desprovidas de infra-estrutura ou organização central),
possibilitam a ligação de qualquer equipamento que possua a tecnologia de
comunicação sem fio, a qualquer momento e de qualquer ponto, sem a necessidade
de um ponto físico para estabelecer a sua conectividade; podendo ser feita a
inclusão do equipamento sem fio, sua configuração e calibragem em laboratório,
antes mesmo de sua instalação. Esta mobilidade é um dos fatores de maior
relevância para redes sem fio, pois estes sistemas reduzem consideravelmente os
custos para a implantação da rede, pois não há necessidade da utilização de cabos.
Deve-se levar em consideração, também, que em muitos ambientes onde se
necessita de redes de comunicação de dados, não existe a infra-estrutura de
tubulações e pontos definidos, pois geralmente as construções são antigas ou não
foram previstos em projeto. Nesses casos, geralmente há a necessidade de quebra
de paredes e lajes para uma implantação adequada ou uso de formas ou
equipamentos provisórios, gerando instalações de má qualidade. A redução de
custos também está na redução de manutenção da rede, pois não existe a conexão
com redes cabeadas e pontos fixos para o acesso a rede e, com isto, a manutenção
fica restrita ao servidor da rede. Conforme Silva (2006), no setor de petróleo e gás, a
aplicação de RSSF apresentou melhores resultados em relação às redes cabeadas,
estando entre eles: a facilidade de configurar equipamentos remotamente, em
ambientes distintos; instalação e reconfiguração da rede após a instalação de novos
equipamentos, sem a necessidade de intervenção física; inexistência de cabos,
podendo ser instalados em ambientes de difícil acesso e ambientes hostis e,
principalmente o monitoramento e coleta de dados remotamente em tempo real, a
qualquer momento e de qualquer lugar, sem a necessidade de um local fixo para
21
conexão na rede. Sendo as RSSFs serem bastantes dinâmicas, podem ser
empregadas para monitoramento de objetos e fenômenos físicos e químicos em
vários ambientes, como no setor militar, agrícola, controle ambiental, industrial e
outros.
O sistema sem fio pode ser utilizado, conforme Figura 06, para monitoração e
controle de poços remotos na exploração de petróleo. Estes poços normalmente
possuem instrumentos de campo, sinais discretos e uma instrumentação específica,
que fica instalada dentro do poço em profundidades de até 4.800 metros. Todos
estes equipamentos são ligados a um controlador central, que transmite os dados a
uma estação de supervisão central. Todo o conjunto é alimentado por painéis
solares e bancos de baterias (FAYAD, 2003).
Figura 06 - Aplicação de redes sem fio na exploração de petróleo
Fonte: Fayad, 2003
As estações de vazão e bombeamento de petróleo podem estar em locais bem
remotos e, também, podem utilizar sistemas sem fio para a transmissão dos valores
de vazão e massa para um computador que agrupa, armazena e gera relatórios da
transferência de material. A Figura 07 apresenta uma aplicação em estação de
vazão e bombeamento (FAYAD, 2003).
22
Figura 07 - Aplicação de redes sem fio na extração de petróleo
Fonte: Fayad, 2003
A existência de inúmeros tipos de sensores, com variada tecnologia de
sensoriamento, a aplicação pode ser variada como o monitoramento de objetos, a
variação do clima, umidade do solo e outras formas de monitoramento conforme a
necessidade, pois os sensores são completos, formados por unidade de
sensoriamento, transceptor, processador e memória. No setor industrial a aplicação
de RSSF é verificada no sensoriamento de temperatura, nível, pressão,
superaquecimento, vazamentos e outros (SEIDEL; FERREIRA; OLIVEIRA, 2009).
Rebelato e Lidak (2006), utilizaram o modelo Toyota de produção, que consiste
em um sistema gestor de sucesso, na produção e qualidade de seus produtos,
através da tecnologia de rede sem fio de comunicação, sendo utilizada em todos os
setores da empresa, integrando o chão de fábrica com o controle de produção,
manutenção, estoques e outros, com mobilidade total para a aquisição e controle de
dados através de PDAs (Personal Digital Assitents – Assistentes Pessoais Digitais)
apresentando um ótimo desempenho final, conforme o que era esperado. A
utilização dos PDAs apresenta baixo custo, flexibilidade, facilidade de integração e
possibilidade de compartilhamento com outros sistemas e produtos. Além disto, a
redefinição do layout na produção e em outros setores facilita a utilização da RSSF
devido a inexistência de pontos de contato fixos com a rede de automação.
Segundo Boaretto (2005), o sistema de comunicação sem fio com
espalhamento espectral é considerado uma solução segura e de custo relativamente
23
baixo, seja na implantação, como também no custo de manutenção da rede;
garantindo qualidade, flexibilidade e mobilidade na supervisão e controle do que é
realizado na produção das indústrias.
Fazendo parte e ampliando esta rede de comunicação, Sobrinho (2007)
salienta que os serviços de sinal por celular, hoje não são apenas serviços de
telefone e voz. Todas as companhias que oferecem serviços de celular com
tecnologia GSM (Global System for Mobile Communications), GPRS (General
Packet Radio System) e 1xRTT (1xRadio Transmission Technology), oferecem em
seus pacotes de produtos a opção para a transmissão de dados.
O sistema GPRS cria uma rede de pacotes sobre a rede de telefonia celular
GSM para o envio e recepção de dados. Neste sistema, um canal de radio só é
utilizado quando o usuário está efetivamente enviando ou recebendo dados, ficando
o canal livre para outros usuários do serviço que compartilham o mesmo canal, o
que permite que um grande número de usuários utilize o sistema em uma mesma
célula. A utilização de modem GPRS permite ainda acesso a outros serviços da rede
de telefonia celular, sendo de interesse especial o sistema de mensagens curtas
SMS (Short Message Servise) para ser usado na notificação de anormalidades às
equipes de manutenção (DILLENBURG, 2003).
Conforme a Figura 08, a unidade remota pode enviar dados diretamente a um
ou mais computadores na internet. Uma aplicação rodando no servidor aguarda a
requisição de conexão originada pela unidade remota, recebe e envia dados através
desta conexão e armazena os dados recebidos.
Figura 08 - Topologia típica de conexão remota ao servidor por GPRS
Fonte: Dillenburg, 2003
24
A Figura 9 apresenta a interligação de equipamentos de campo, como
transmissores e válvulas, através de modem GSM (FAYAD, 2003).
Figura 9 - Utilização de modem GSM para interligação de equipamentos de campo
Fonte: Fayad, 2003
As redes que operam através do protocolo TCP/IP possuem suporte garantido
para redes de comunicação sem fio rede sem fio, sendo este tipo de rede muito
recomendada atualmente. Essa possui perfeita integração com outras redes,
tornando-se uma solução de custo baixo para implantação de novos sistemas.
Quando as redes sem fio trabalham em conjunto com a tecnologia de celulares,
estas redes tornam-se globais, com o recebimento de informações através de
programas para a supervisão dos serviços e controle dos processos e, também, a
transmissão de dados através de sensores de qualquer parte do mundo em tempo
real (ROZAS, 2004).
Segundo Atos (2009), os sistemas redes sem fio integrados com tecnologia
GSM/CDMA possuem a capacidade de comunicação remota em ambientes
incapacitados de haver uma estrutura cabeada e fora do alcance do sinal de rádio
do sistema de rede sem fio. Podem ser empregados em regiões próximas ou
distantes, em locais de difícil acesso, apenas havendo a necessidade de cobertura
de transmissão das operadoras de celular ou que possuam a comunicação via
satélite.
25
Conforme Fayad (2003), além das soluções em radiofrequência, pode-se
utilizar soluções que utilizam satélites de comunicação espalhados na órbita terrestre
para obter comunicação com áreas afastadas, de difícil acesso, ou até em locais
onde uma estrutura fixa não possa ser montada, conforme Figura 10.
Figura 10 - Utilização de satélites de comunicação para interligação de equipamentos
Fonte: Fayad, 2003
Estes sistemas também não necessitam de rede de energia, pois como o
consumo é bastante baixo, podem ser alimentados através de baterias com longa
duração e até mesmo com pequenos sistemas de fornecimento de energia solar. A
largura de banda e a velocidade de transmissão de dados são limitadas, porém a
grande vantagem é a comunicação remota de lugares inóspitos. Esta tecnologia
também pode ser utilizada para comunicação de servidor com servidor e também
com sistemas supervisórios, uma vez que existe compatibilidade com a
comunicação de protocolo TCP/IP – rede sem fio.
Outra aplicação em que se pode utilizar comunicação sem fio é na medição de
nível. A rede sem fio levará os dados de pressão analógica até o sistema de
controle, conforme Figura 11. Também se pode utilizar o controle do sistema através
de rede sem fio, como por exemplo, quando o nível alcançar um nível baixo prédefinido, o sistema de controle gera um sinal para abrir a válvula que permite que o
tanque seja reabastecido, conforme Figura 12. O mesmo mestre da rede sem fio
pode se conectar a múltiplos instrumentos de rede sem fio escravos, como
representado na Figura 13 (KIELBLOCK, 2009).
26
Figura 11 - Arquitetura típica de medição de nível com rede sem fio
Fonte: Kielblock, 2009
Figura 12 - Medição e controle de nível com rede sem fio
Fonte: Kielblock, 2009
Figura 13 - Mestre rede sem fio conectando-se a múltiplos instrumentos rede sem fio
escravos
Fonte: Kielblock, 2009
Na empresa Usiminas, o sistema de rede sem fio foi utilizada para supervisão e
controle dos fornos de reaquecimento, que consistem de duas estações de controle
e três interfaces homem-máquina (IHM) que se comunicam entre si em uma rede
ethernet e com as estações de controle através do barramento de controle,
denominado control bus, conforme Figura 14 (OLIVEIRA, 2009).
27
Figura 14 - Aplicação rede sem fio na Usiminas
Fonte: Kielblock, 2009
Kielblock (2009) apresenta algumas aplicações para sistemas de sensores sem
fio. Na Figura 15 é apresentada a aplicação para controle de irrigação agrícola, onde
não seria prático a conexão com fios. A Figura 16 apresenta o monitoramento
remoto do desempenho de motores elétricos para levantamento da necessidade de
manutenção preventiva. A Figura 17 apresenta o monitoramento simultâneo do nível
do fluido de múltiplos tanques. A Figura 18 apresenta uma aplicação em estações de
tratamento de água, para que a água não tratada não seja transferida para o
próximo reservatório de tratamento ou retornada a rios ou lagos.
Figura 15 - Controle de sistemas de irrigação agrícola
Fonte: Kielblock, 2009
28
Figura 16 - Monitoramento remoto do desempenho de motores elétricos
Fonte: Kielblock, 2009
Figura 17 - Monitoramento remoto do nível de fluido em múltiplos tanques
Fonte: Kielblock, 2009
29
Figura 18 - Aplicação em estação de tratamento de água
Fonte: Kielblock, 2009
A utilização de RSSF no monitoramento e controle de diversos equipamentos
em
plataformas
petrolíferas,
é
de
extrema
importância,
pois
reduz
consideravelmente o custo sendo uma ótima opção do uso, pois o ambiente marinho
é extremamente agressivo. Para aplicação de RSSF em plataformas de petróleo,
devem ser bem robustas, pois no local existem inúmeros obstáculos: variação
extrema de temperatura, várias superfícies de aço, a utilização de vários dispositivos
sem fio emissores de diferentes faixas de frequência de uso pessoal e industrial e a
segurança dos dados que muitas vezes são confidenciais. Segundo Birkemor et. Al
(2008), o protocolo WirelessHART é bastante robusto para implantação em
plataformas petrolíferas, pois possui baixo consumo de energia, velocidade de
comunicação compatível com a necessidade do sistema de controle, ótima
performance na transmissão e recepção de pacotes de dados e mensagens
enviadas podem ser totalmente criptografadas (BIRKEMOE, 2008).
3.2.
PROTOCOLOS PARA RSSF
O bom desempenho das redes de sensores sem fio está relacionado
diretamente com o protocolo de comunicação. Otimizar um protocolo apresenta
excelentes resultados, na eficiência e na confiabilidade da transmissão e recepção
dos dados gerados pelos nós de sistemas sem fio. Vários protocolos estão no
30
mercado para serem utilizados em comunicação sem fio, de acordo com a
necessidade de cada rede.
Macedo (2006), analisou o desempenho do protocolo PROC (Proactive
ROuting with Coordination), que é um protocolo de roteamento desenvolvido para
redes de sensores homogêneas e estacionárias, onde os nós enviam dados
periodicamente para uma Estação Base. Nesta análise, verificou que houve um
ganho de 12% na vida útil do sistema em relação aos outros protocolos e, também, a
eficiência é verificada pela pouca memória utilizada, o que reduziu o consumo de
energia na rede e a recuperação mais rápida de falhas eventuais de nós de
comunicação.
Utilizando-se um protocolo adequado, de acordo com utilização da rede, temse maior segurança nos dados trafegados por ela e o aproveitamento dos recursos
disponíveis. Segundo Campista (2008), a avaliação da qualidade do protocolo deve
ser criteriosa, visto que na maioria das vezes os protocolos possuem suas
particularidades: uns voltados mais a segurança dos dados, mas que sobrecarregam
a rede; outros se preocupam com o fluxo, mas esquecem da qualidade e, outros que
fazem seu trabalho comum, sem melhorias de qualquer característica que seja.
Dispositivos que utilizam comunicação sem fio são geralmente alimentados
através de baterias. Utilizar um protocolo adequado e configurá-lo de forma eficiente
traz economia de energia e automaticamente, ganho na vida útil das baterias e dos
equipamentos utilizados na RSSF. Franciscani (2004) comparou a utilização de
protocolos em RSSF e verificou que protocolos de redes cabeadas não apresentam
um bom desempenho quando utilizados em RSSF, principalmente em relação ao
consumo de energia dos sensores.
Silva (2006) enfatiza que a escolha de um protocolo específico ao trabalho
que será desempenhado pela RSSF é de vital importância para a vida útil e o
sucesso do sistema utilizado.
Segundo Sobrinho (2007), o protocolo de comunicação sem fio mais utilizado
da família IEEE 802.11, através de transmissão por rádio frequência. Entre os mais
utilizados encontra-se o IEEE 802.11.a que trabalha na faixa de 5 GHz,
apresentando baixa interferência, devido a sua alta frequência e velocidade de
transmissão de 54 Mbps, e com oito canais simultâneos. O protocolo IEEE 802.11.b
é outro protocolo bastante utilizado, principalmente na comunicação entre
computadores pessoais e seus periféricos, utiliza a faixa de 2,4 GHz e taxa de
31
transferência de até 11 Mbps, sendo três canais utilizados para comunicação
simultânea. Quanto maior o número de canais, maior será o desempenho na troca
de informações. O padrão IEEE 802.11.g é relativamente o mais novo existente no
mercado, sendo compatível com o IEEE 802.11.b, que opera na mesma faixa de
frequência de 2,4 GHz, porém com velocidade no tráfego de dados de 54 Mbps.
Moraes, Marini e Boaretto (2006), apresentam os protocolos de comunicação
sem fio IEEE 802.11 e suas especificações, como sendo os melhores meios de
configuração de RSSF, apresentando ótimos resultados, tanto na comunicação entre
os nós, como também a robustez da rede, redução no consumo de energia e
aumento na vida útil do sistema.
O Bluetooth citado por Malima (2009) que possui comunicação em distâncias
de até 100m, sem obstáculos, com velocidade de 721kbps e boa segurança a
interferências e transmissão de dados, também é uma boa opção para o setor
industrial, embora devido a sua baixa velocidade e indicada para pequenas
distâncias.
O protocolo ZigBee é bastante recente, estando em fase de melhorias e
aperfeiçoamento,
mas
está
sendo
bastante
utilizado,
com
características
promissoras no uso também industrial. Segundo Miafaya, Tomás e Souza (2005),
em comparação com o Bluettoth, o ZigBee apresenta uma economia no consumo de
energia com duração de suas baterias em até cem vezes superior, isto acontece
porque o protocolo ZigBee faz entrar em operação o equipamento sem fio somente
no momento em que é solicitado e o tempo restante fica em estado de dormência
com baixíssimo consumo de energia, outra característica de extrema importância,
que em apenas um canal de comunicação, poderá haver uma malha com mais de
65.000 dispositivos sem fio. O protocolo ZigBee trabalha em canais específicos de
comunicação com as seguintes velocidades:
2,4 GHz a uma taxa de 250 kb/s;
915 MHz a uma taxa de 40 kb/s e,
868 MHz a uma taxa de 20 kb/s.
A tecnologia ZigBee é bastante robusta com alta resistência a interferências
eletromagnética. Segundo Vika Controls (2008), este protocolo conforme esquema
da Figura 19 funciona basicamente através de três dispositivos:
Coordenador, chamado de ZC (ZigBee Coordinator) que possui de 1 a
16 canis de comunicação, ele é responsável pela formação da red
32
através da escolha de um dos seus canais e o número lógico que irá
operar, permitindo a integração dos roteadores e dispositivos finais a
ela;
Roteador, chamado de ZR (ZigBee Router) que tem a função de
estabelecer a comunicação da rede entre o ZC e os dispositivos finais,
quando estes estão situados em posições onde a comunicação com o
ZC não pode ser direta, também é função dos ZRs a determinação da
melhor rota de comunicação da rede; e
Dispositivos finais, chamados de ZEB (ZigBee End Divice) podendo ser
um sendor ou um atuador, que sempre deve estar ligado a um ZC ou
ZR.
Fonte 19 - Exemplo de rede ZigBee
Fonte Vika Controls (2009)
Um dos protocolos mais utilizados no ambiente industrial, segundo HART
Communication Foundation (2009), é o protocolo WirelessHART, que foi
desenvolvido para aplicação no setor industrial, sendo hoje empregado em 85% dos
dispositivos que operam em comunicação sem fio no setor industrial no mundo,
conforme visto uma aplicação típica na Figura 20. Possui velocidade de
comunicação de 250 kbps, baseado no protocolo IEEE 802.15.4 de 2006, opera na
frequência de 2,4 Ghz a 2,4835, alterando automaticamente, de forma aleatória,
quando existe interferências na faixa que esta operando (Direct Sequence Spread
Spectrum) , distância de comunicação até 250m (sem obstruções), os equipamentos
podem ser alimentados por baterias ou diretamente da rede de energia além de
apresentarem baixo consumo.
33
Figura 20 - Instalação Típica de WirelessHART
Fonte: HART Communication Foundation (2007)
A Figura 21 apresenta uma aplicação em que a estação se supervisão utiliza o
protocolo Modbus RTU até o rádio mestre, e a comunicação com os rádios Modbus
escravos em rádio freqüência (de 330 a 512 MHz), sendo que os escravos estão
conectados aos equipamentos de campo (FAYAD, 2003).
Figura 21 - Aplicação de redes sem fio na indústria
Fonte: Fayad, 2003
34
3.3.
SEGURANÇA EM RSSF
Segundo Cabrini, Florido e Kofuki (2006), em uma RSSF destinada ao controle
de temperatura em diversos ambientes, no laboratório de sistemas integráveis da
Universidade de São Paulo, onde foram utilizados vários dispositivos como sensores
e atuadores do tipo MICAZdot em uma rede de comunicação sem fio por rádio
frequência, ao final do experimento esta apresentou um ótimo desempenho, uma
boa robustez da rede e o nível de variação da temperatura ficou dentro da faixa
inicialmente desejada. Através da análise dos dados gerados por diversas leituras
de pontos diferentes, com situações em que havia equipamentos formadores de
ondas eletromagnéticas, foi possível verificar que devido a tais ondas interferindo na
comunicação entre os nós sensores, houve uma perde significativa de dados,
concluindo que os meios de comunicação por rádio frequência apresentam alta
sensibilidade em se tratando de ondas eletromagnéticas. A existência de barreiras
como paredes e painéis também causam perdas na qualidade de sinal, embora bem
menores que as interferências verificadas em fontes de ruído por ondas
eletromagnéticas.
Os meios de comunicação globalizados, especialmente através da internet,
trazem novas perspectivas de comunicação de dados interligando quase todas as
redes e pontos do planeta. Essa forma de comunicação global, por sua vez, é de
extrema importância para o desenvolvimento tecnológico e humano, mas como
praticamente tudo está interligado, torna-se um ambiente extremamente inseguro.
Uma das formas de garantir a segurança dessas redes é a utilização de redes
internas dedicadas (VPN), que podem ser cabeadas e sem fio, mas somente isto
não basta. Marleta (2007), propôs a utilização de uma VPN criptografada fazendo
com que a comunicação passe a ser pessoal, ou seja, tanto os transmissores quanto
os receptores, devem estar vinculados com a mesma programação de criptografia,
caso contrário, a comunicação não é estabelecida. O método de criptografia torna a
rede com segurança relativamente elevada, sendo possível a comunicação de uma
VPN através da internet com alto grau de segurança. A utilização de uma VPN
criptografada, que pode ser cabeada ou sem fio, mostrou que é possível o controle
de equipamentos remotamente, neste caso específico um robô controlado via
internet, através de protocolo de comunicação TCP/IP, obteve ótimos resultados
aliado a boa segurança, como se a rede estivesse isolada totalmente.
35
As RSSFs vieram também para permitir a mobilidade de instrumentos e
equipamentos eletrônicos de trabalho e lazer, como por exemplo, a utilização de
computadores pessoais e sensores. Sistemas que possuem tecnologia sem fio e que
possuem redes do tipo ad hoc podem entrar formar ou sair de uma rede sem fio, ou
até mesmo de uma RSSF, a qualquer momento que desejar. De uma maneira geral,
redes sem fio são vistas como inseguras, pois podem ser acessadas livremente
dentro do limite de seu alcance. Por isso, redes sem fio necessitam, sem dúvida, de
um alto padrão de segurança, como autorização de acesso através de senhas,
autenticação e comunicação com seus dados criptografados. Este sistema de
segurança na rede pode ser de uso pessoal (DSP) utilizado em computadores e
seus periféricos, e estendia (DSPE) onde poderá ser formada uma RSSF com alto
padrão de proteção para um número de pessoas que acessam tal rede (SAKUAGUI,
2006).
Segurança em redes, segundo Sobrinho (2007), a utilização teve início em
redes de computadores que apresentam acesso remoto livre, mas também devem
ser aplicadas em RSSF, uma vez que o sinal é aberto estando sempre pré-disposto
a sofrer ataques externos e internos. A insegurança não está voltada apenas a
ataques, mas também vinculada a perdas na transmissão e recepção de dados,
decorrente de interferências na própria rede e até de interferência ambiental. Esta
segurança que deve ser observada devidamente na fase de projeto, irá trazer como
resultado a confiabilidade e integridade dos dados gerados.
Um dos problemas vistos por muitas empresas, principalmente no nível de
gerência, é a insegurança que a RSSF algumas vezes apresenta, sendo uma delas
o recebimento de pacotes de dados incompletos, por falha na transmissão de dados.
Essas falhas, geralmente, são devido a interferências do meio físico ou ondas
eletromagnéticas oriunda de outros campos. Um bom projeto de layout da infraestrutura da RSSF, pode resolver em grande parte estes problemas, mas em alguns
casos há obstáculos que não podem ser removidos. Sobrinho (2007) utilizou uma
RSSF em ambiente marinho, que possui alta taxa de interferência além de ser
bastante agressivo quimicamente e não ter como alterar as características do meio
físico, as interferências existentes serão de convívio permanente para o sistema de
comunicação empregado. Mas isto não torna inviável a utilização de uma RSSF
neste ambiente sendo que, neste caso específico, a solução adotada foi a utilização
de software adequado, juntamente com protocolo específico. Mesmo que o
36
equipamento a ser monitorado não admita falha no funcionamento, a configuração
adequada do software e do protocolo, juntamente com a tecnologia escolhida,
podem ser a uma solução eficaz do problema de perda de pacotes na transmissão e
recepção de dados.
3.4.
PROJETO DE RSSF
Rebelato e Lidak (2006) salientam que para atingir o sucesso no uso de uma
RSSF em ambiente fabril, deve-se levar em consideração, como resultado final da
implantação, a qualidade dos dados coletados do processo, o monitoramento
contínuo, o compartilhamento das informações com o setor de produção, a
compatibilização eletrônica entre máquinas e equipamentos, o acesso remoto móvel
de qualquer lugar e a qualquer instante no ambiente produtivo e administrativo.
Altamente relevante é a elaboração de um projeto de automação industrial,
principalmente quando se trata de RSSF. Em função do layout do ambiente a ser
monitorado, o efeito de irradiações e os efeitos dos campos eletromagnéticos
gerados por máquinas e equipamentos existentes no local, podem afetar
significativamente a transmissão e a recepção de sinal de rádio frequência, que é o
caso de RSSF. Estas interferências, segundo Moraes, Marini e Boaretto (2006), são
causadas devido à reflexão em materiais condutivos na composição de máquinas,
equipamentos, móveis, paredes e divisórias.
O estudo do layout do local a implantar a RSSF antes de iniciar o projeto é de
extrema importância, pois o projetista deve ter a noção exata de onde serão
instalados os transmissores e receptores e da necessidade ou não da utilização de
amplificadores e antenas, bem como da altura a serem instalados, evitando
obstáculos físicos e campos eletromagnéticos que possam interferir na transmissão
e recepção de informações pelos sensores sem fio. Além da posição adequada dos
transmissores e receptores, a escolha do tipo de modulação do sinal torna uma
RSSF mais segura e menos suscetível a interferências, tornando-a robusta e
aumentando a vida útil da rede empregada.
Aplicações de RSSF quando projetadas com critério, podem trazer excelentes
resultados. Seidel, Ferreira e Oliveira (2009), desenvolveram um projeto de pesquisa
sobre o monitoramento de parte da floresta amazônica. Apenas monitorando a
37
umidade e a temperatura, foi possível definir: se no local estava havendo derrubada
de árvores, devido à variação de umidade do solo pela incidência solar; queimadas,
pelo aumento incomum da temperatura; e outras agressões sofridas pela floresta. O
sistema instalado foi de grande sucesso, uma vez que aquilo que era analisado
remotamente através dos dados enviados pelos sensores espalhadas na floresta,
estavam realmente acontecendo no local.
Instrumentos de campo, alimentados por baterias, podem se comunicar com
gateways, que convertem os sinais recebidos em protocolos comumente utilizados
pela indústria, tais como Modbus, Hart, Fieldbus etc. Para garantir que os
instrumentos consigam se comunicar corretamente com o gateway, se ocorrer algum
atraso na comunicação ou mesmo se algum obstáculo interromper o sinal de rádio,
utiliza-se o conceito de redes auto-organizadas. Nessas redes, cada elemento ou nó
da rede, é também um repetidor, conforme a Figura 22. Na figura, o gateway é
instalado nas proximidades do sistema de controle e conectado ao mesmo através
de Ethernet ou Modbus. A Ethernet pode suportar Hart, Profinet etc. Os instrumentos
A e B possuem uma vista desimpedida do gateway e, considerando que a distância
entre eles seja menor do que 250 metros, a comunicação ocorre sem empecilhos. O
instrumento C não possui vista desimpedida, mas o sinal pode ser refletido por outro
tanque e atingir o gateway e, também, pode se comunicar através dos instrumentos
A ou B. Considerando que o instrumento D esteja muito longe do gateway, ele pode
se comunicar através dos instrumentos A, B ou C, o mesmo ocorrendo com o
instrumento E que não possui vista desimpedida (PELUSO, 2007).
Como qualquer outro sistema, as RSSF estão sujeitas a falhas, principalmente
porque a maioria dos sensores utilizam baterias para alimentação e, também por
possíveis interferências eletromagnéticas. Para cada sistema a ser projetado existe
uma tolerância aceitável à falhas, dentro de limites pré-estabelecidos. Cada projeto
possui suas características e relevâncias e, como exemplo, quando está sendo
monitorada a umidade no interior de uma residência, a ocorrência de falhas no
sistema será praticamente insignificante, mas por outro lado, no monitoramento de
possíveis vazamentos de tubulações de combustível não podem ocorrer falhas,
devido aos sérios danos que poderão ocorrer. Mesmo em sistemas de detecção
onde as falhas são intoleráveis, a utilização de programas de controle específicos e
a duplicação da RSSF poderá ser a melhor alternativa técnica encontrada, com
custos aceitáveis (SILVA, 2006).
38
Figura 22 - Redes auto-organizadas
Fonte: Peluso, 2007
Algumas limitações vistas em RSSF, como a largura da banda, a capacidade
energética
das
baterias,
a
segurança
do
sistema
e
as
interferências
eletromagnéticas, podem ser sanadas na fase de projeto. Este custo gerado para
elaboração de um projeto adequado, é pequeno perante as características positivas
que o sistema possui, tais como: acesso remoto, controle descentralizado, inúmeros
caminhos de comunicação, o que reduz os custos na formação de uma malha de
sensoriamento (SEIDEL; FERREIRA; OLIVEIRA, 2006).
A utilização de RSSF é um grande avanço na tecnologia de transmissão e
recepção de dados, tornando o monitoramento do mundo físico cada vez mais
eficaz, através da utilização de sensores cada vez menores. Esta redução no
tamanho dos sensores afeta diretamente a quantidade de energia disponível para os
mesmos existente em suas baterias que também são em tamanho reduzido,
exigindo do projetista de RSSF uma atenção especial, pois a condição de operação
de uma rede pode ser o fator determinante na vida útil do sistema. Souza (2007)
otimizou uma RSSF, atribuindo papéis específicos para cada nó da rede, através de
algoritmo genético e reconfiguração do sistema para operar em intervalos de tempo.
Foi definido, também, que a tomada de decisão seria de modo cíclico entre os
sensores, pois quando centralizado existe a necessidade de toda uma linha de
sensores ficarem ativos a fim de estabelecer a comunicação. Mantendo vários
39
sensores ativos, aumenta-se significativamente o consumo de energia pelos
mesmos.
Vários fenômenos físicos, como pressão, umidade e temperatura, podem ser
monitorados por RSSF. Um dos problemas encontrados, visto como restrição ao
uso, é a largura de banda, onde o roteamento de uma quantidade elevada de
informações ao mesmo tempo, acarreta em aumento do tempo de resposta do
sistema, gerando problema no processamento dos dados. A solução adotada por
Aquino (2008) é tratar os dados que chegam para processamento, utilizando
somente aqueles mais relevantes, através da técnica stream de dados. Com a
manipulação dos dados, foi possível manter uma representatividade suficiente dos
dados, garantindo que os resultados gerados fossem satisfatórios e com qualidade,
na solução dos problemas.
40
4. ANÁLISE E DISCUSSÃO
Neste capítulo será feita uma análise crítica dos diversos trabalhos vistos no
Capítulo 3, visando à definição das características que as RSSF podem
desempenhar em redes de automação industrial.
As redes de automação industrial apresentam um grande marco no
desenvolvimento mundial. Sendo compostas por sistemas cabeados ou sem fio,
possuem os mesmos objetivos, que é o controle de fabricação de seus produtos,
seja o controle de processos, o monitoramento da produção, controle de estoque
entre outros. A concorrência existente em todos os setores, a velocidade, o volume
de produção e a qualidade dos produtos podem ser fatores determinantes para a
sobrevivência de várias empresas. Como citado por Montebeller (2006), as redes de
automação são um fato crescente, podendo ser cabeada ou sem fio, em todos os
setores, não apenas no industrial, mas também no comercial, no campo e nas
residências.
A utilização de RSSF pode ser considerada uma tecnologia que irá crescer ao
longo do tempo (SEIDEL; FERREIRA; OLIVEIRA, 2009). Conforme Silva (2006), o
custo de implantação de uma RSSF não está ligado apenas ao custo do nó sensor
especificamente, mas a todos os equipamentos da rede e a escolha do fornecedor
certo pode ser o que definirá o uso da tecnologia sem fio. A utilização com sucesso
de RSSF na indústria, é visto por vários autores como Barreto (2007), Monteiro
(2007), Rebelato e Lidak (2006) e Silva (2006).
Segundo Seidel, Ferreira e Oliveira (2006), a utilização de RSSF é bastante
flexível, pois uma rede pode ser formada por dois sensores ou por vários, formando
uma malha de sensoriamento, uma vez que geralmente cada sensor é autônomo,
não necessita de fios e sua inclusão na rede é basicamente através de um sistema
supervisório. Através de redes sem fio, existe uma grande facilidade de uso de
equipamentos em lugares e situações provisórias e momentâneas. As redes sem fio
estabelecem conectividade com redes cabeadas com simplicidade, segurança e
baixo custo (MALIMA, 2009).
Muitos empecilhos para o uso de RSSF são impostos, entre eles, segundo
Baretto (2005), está a largura de banda existente para RSSF que são consideradas
41
baixas, pois variam de 11 a 54 Mbps. Mas, o que geralmente acontece na
configuração das redes cabeadas industriais, que podem comportar velocidades de
até 10 Gbps (BONADEO, 2009), é a fixação de uma velocidade de não mais de
9,6 kbps, ficando bem abaixo do menor valor que as RSSF comportam. Além disto,
existem técnicas de projeto que podem resolver o problema da largura de banda,
consistindo basicamente no estabelecimento de limites na transferência de dados,
de acordo com a qualidade que se deseja do monitoramento, garantindo que mesmo
sistemas que possuam pouca capacidade na transmissão de dados, comportem o
serviço a que foram destinadas (AQUINO, 2008). A utilização de um protocolo
adequado, também pode suprir a deficiência da largura de banda das RSSFs
(SILVA, 2006).
O tempo de duração das baterias, na maioria dos sensores, é outro ponto visto
como relevante ao uso de RSSF. Ginatto (2008) salienta que uma das soluções para
este problema é a reconfiguração do protocolo utilizado aumentando a vida útil do
sistema em até 22%. Silva (2006), em seu trabalho de monitoramento florestal
especificou que os sensores entrassem em operação de 50 em 50 minutos,
reduzindo o consumo de energia. Souza (2007), através do sistema descentralizado
de processamento e Aquino (2008) na relevância e quantidade de dados
necessários para o processamento, trouxeram resultados excelentes para a redução
no consumo de energia e o aumento na vida útil da rede. A alimentação dos
sensores diretamente na rede elétrica pode ser uma alternativa viável para o uso de
sensores sem fio, pois em alguns casos a dificuldade está na instalação de cabos de
comunicação, seja devido a distâncias elevadas ou devido a ambientes com altas
interferências eletromagnética e ataques químicos.
Segundo Peluso (2007), as baterias podem durar vários anos, dependendo da
taxa de comunicação. Em um projeto os transmissores se comunicam uma vez por
minuto viabilizando a vida útil do sistema de três a sete anos, sem a necessidade de
troca de baterias ou utilização de fontes alternativas de energia. Para prolongar a
vida das baterias, é possível utilizar painéis solares, que fornecem energia para o
instrumento e carregam as baterias para o período noturno.
A utilização de fontes renováveis de energia é uma ótima opção para o
aumento da vida útil das baterias, Junior (2008) em seu trabalho de monitoramento
do nível de poços para o controle da variação do lençol freático, primeiramente
utilizou apenas baterias convencionais para alimentação dos dispositivos sem fio, a
42
troca foi necessária 90 horas após o início do uso; a vida útil das baterias pôde ser
estendida por todo o período do experimento, de três semanas, com implantação de
células solares para o carregamento das mesmas, sem a necessidade de nenhuma
substituição neste período.
A segurança de uma rede de automação está diretamente relacionada com a
qualidade dos dados gerados por ela, para que isto aconteça, a rede deve funcionar
adequadamente. Um dos principais fatores que contribui para esta qualidade está na
utilização de um protocolo e um software adequado e a configuração dos mesmos
(SOBRINHO, 2007; MACEDO, 2006). Sendo as RSSF abertas, acessadas de
qualquer lugar onde o alcance de sinal de rádio da mesma é possível e geralmente
passando dos limites da indústria, as mesmas devem ser protegidas contra ataques
externos. Uma das formas utilizadas por Marleta (2007) é a utilização de VPNs
criptografadas garantindo, na maioria das vezes, a integridade da rede. Com a
criptografia, as redes não necessitam de ser uma VPN e podem estar ligadas
diretamente a uma rede externa, com grande segurança para a mesma.
O uso de um protocolo adequado, conforme Cardoso (2009), bem como de sua
configuração adequada, é um dos principais fatores que irá definir a qualidade dos
serviços efetuados pela RSSF. Além da configuração, cada projeto possui
características peculiares para a definição do tipo de protocolo a ser utilizado.
Macedo (2006) em seu trabalho de pesquisa comparando alguns protocolos,
concluiu que houve um ganho expressivo de 12% na vida útil do sistema apenas
pelo uso de um protocolo adequado. No momento de definir a utilização de um
protocolo de comunicação, deve ser levada em consideração a integração do
sistema que será implantado com as redes existentes (BONADEO, 2009;
SOBRINHO 2007).
WirelessHART é um dos protocolos mais utilizados no mundo, em se falando
de RSSF; existe no mercado componentes (adaptadores), conforme Figura 23, que
podem ser acoplados diretamente sobre os transmissores com fio, já existente no
chão de fábrica, reduzindo custos na remodelação do sistema e sendo uma ótima
opção para testes de viabilidade técnica para implantação de RSSF (ABB LIMITED,
2005).
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Figura 23 - Adaptador ABB WirelessHart
Fonte: ABB Limited (2005)
Em geral, como em toda a área técnica, o importante é um bom projeto. Para
uma rede de automação industrial, e em especial para as RSSFs, devem ser
levados em consideração inúmeros fatores. Além do conhecimento adequado do
processo e da estrutura da empresa onde será implantada esta tecnologia, é
necessário que o projetista faça um estudo adequado do layout do local a ser
monitorado em relação aos tipos e disposição das máquinas, equipamentos e
mobiliário em geral, a existência de obstáculos físicos como paredes, divisórias, lajes
e, também, a disposição onde ficarão os sensores sem fio que farão a comunicação
entre os equipamentos e as centrais de controle e operação. Em termos de estudo
do local, também deve ser verificado se existe alguma agressividade química. Além
do layout, deve ser levado em consideração o tipo de rede que será utilizada, o
padrão e a marca dos equipamentos, os protocolos que melhor se adaptarão aos
equipamentos e ao monitoramento que será executado, o software indicado e os
melhores parâmetros a serem utilizados para uma programação adequada do
sistema (SOBRINHO, 2007; MORAES, MARINI, BOARETTO, 2006; REBELATO,
LIDAK, 2006; SEIDEL, FERREIRA, OLIVEIRA, 2009).
Os pontos positivos para a aplicação de RSSF são vistos por todos os autores,
sejam referentes a aplicabilidade ou sejam pela qualidade dos serviços que pode
oferecer. Barreto (2007) indica que a utilização de sistemas de monitoramento com
sensores sem fio é aplicável em todos os ambientes como, por exemplo, a indústria,
em operações militar, na proteção do meio ambiente, em residências e outros vários
lugares onde se deseja o controle de equipamentos e sistemas.
Segundo Savells e McAdams (2008), algumas das vantagens das redes sem
fio sobre as redes com fiação de cobre são:
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Economia na instalação: redução de trabalho e custos do material requerido
para a fiação, bem como a velocidade da montagem;
Economias de escalas: montar pontos adicionais em redes sem fio depende
somente da instalação de equipamentos escravos adicionais, visto que os
equipamentos mestres podem ser compartilhados, ou seja, não existe a
necessidade de deixar uma reserva instalada como ocorreria nos projetos
com fiação;
Segurança contra falhas: sistemas com fio tendem a ter fios cortados durante
a construção ou mesmo durante uma manutenção de rotina. Ataques por
ferrugem, corrosão, vapor, sujeira, poeira, água etc. podem afetar um sistema
de instrumentação com fio. Os alarmes de sistemas sem fio permitem aos
usuários saber se os dados não estão mais vindo do instrumento devido a
uma perda de sinal entre um equipamento escravo e o mestre;
Flexibilidade: a rede sem fio pode ser implementada lentamente e integra-se a
sistemas cabeados já existentes, possui facilidade para expansão da rede e
para a reconfiguração desta, com a realocação de instrumentos;
Confiabilidade: os sistemas rede sem fio precisam ser tão confiáveis quanto
os sistemas cabeados;
Monitoração do diagnóstico: a medida que o sensor de um instrumento rede
sem fio opera, o sistema monitora o sinal a procura de anormalidades em
termos de sinal, barulho, tensão, temperatura, energia refletida etc., sendo
que o usuário pode determinar em que níveis deve ser dado um aviso;
Baixo consumo de energia: apesar de não ser uma vantagem específica em
relação aos sistemas cabeados, o baixo consumo de energia se traduz em
baterias menores e painéis solares, tornando a montagem remota realizável
em áreas antes consideradas impraticáveis para monitoramento e controle.
Quanto à abrangência das redes, Sobrinho (2007) e Atos (2009) citam que as
RSSFs são aplicáveis em todos os lugares e sua abrangência torna-se global,
quando utilizada com o serviço de dados via celular, formando uma rede de longo
alcance, com acesso remoto de sensores que podem estar inseridos em pontos
diferentes e distantes uns dos outros, desde que exista sinal de celular ou sistema
por torre ou via satélite.
Outra característica bastante marcante das RSSF é a mobilidade total, pois
segundo Silva (2006), o controle e supervisão de serviços ou até mesmo de uma
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planta, pode ser efetuado através de um PDA ou de um laptop de qualquer lugar, a
qualquer instante. Segundo Sakuragui (2006), sensores sem fio são de uma
flexibilidade inigualável, pois os sensores sem fio, que na maioria dos casos são
completos, com alimentação, sensoriamento, processamento e comunicação,
possuem a característica de poderem sair ou entrar e formar ou desfazer uma rede a
qualquer momento que se desejar.
A viabilidade do uso de RSSF em ambiente industrial é sem dúvida possível,
pois todas as barreiras impostas aos sistemas de comunicação sem fio podem ser
contornadas utilizando equipamentos adequados a tarefa que irá desempenhar o
sistema bem como a utilização de protocolos e programas de gerenciamento e
controle que podem ser modelados de acordo com o objetivo e necessidade do
sistema. Esta viabilidade de uso de sistemas sem fio também pode ser concluída
devido sua alta escala de utilização em diversos setores como no militar, ambiental e
outros, não ficando apenas restrito ao uso industrial, sendo empregados em
ambientes com características peculiares e todos apresentando ótimos resultados.
46
5. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
As RSSF estão sendo aplicadas em todos os setores, inclusive o industrial,
possuindo ótimas perspectivas para seu crescimento, em função de novos estudos e
o desenvolvimento de novos equipamentos.
Inúmeros são os pontos positivos que as RSSFs podem apresentar, sendo os
principais, a mobilidade completa da rede e a aplicação de sensores em qualquer
lugar com acesso remoto, por mais complicado que seja.
Na área de automação industrial, a utilização de RSSF sofre resistência quanto
à qualidade do sistema em si e quanto a qualidade dos dados transmitidos e
recebidos, principalmente quanto a interferências eletromagnéticas e ataques
externos. Mas isso pode ser resolvido se forem considerados alguns detalhes na
implantação destas redes, tornando-as seguras e com alta qualidade.
O projeto bem elaborado é um dos fatores de maior relevância para a
implantação da RSSF. Devem-se utilizar equipamentos adequados, de acordo com a
agressividade do meio, as distâncias e outros fatores.
O uso de um protocolo adequado, assim como do software que melhor se
adapta ao sistema que será implantado e, também, ao meio físico com suas
interferências, recurso energético limitado das baterias e obstáculos físicos e
eletromagnéticos. Devem-se levar em consideração a configuração e programação
do sistema com parâmetros adequados, levando em consideração possíveis ataques
externos, área de alcance do sensoriamento e outros.
5.1. SUGESTÕES PARA NOVOS TRABALHOS
Existe deficiência de trabalhos relacionados com RSSF, sobre o assunto de
transferência de dados através de infravermelho e raio laser. Pesquisas poderiam
ser efetuadas neste assunto podendo ser utilizados cabos de fibra ótica para a
transferência de sinal.
Pouco é falado sobre problemas que ondas de rádio podem causar ao ser
humano e seus limites aceitáveis.
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A relação de custos entre sistemas cabeados e sem fio, de uma planta com as
mesmas características, é de grande relevância para a decisão de qual rede utilizar.
Um nicho bastante interessante é o uso de energia solar empregada
especificamente em sensores sem fio.
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