TRABALHO DE GRADUAO

AUTOMAO PREDIAL SEM FIO UTILIZANDO BACNET/ZIGBEE COM FOCO EM ECONOMIA DE

ENERGIA

Luclia Pereira Borges e Rodrigo de Carvalho Dores

Braslia, Setembro de 2010

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UNIVERSIDADE DE BRASILIA Faculdade de Tecnologia

Curso de Graduao em Engenharia de Controle e Automao

TRABALHO DE GRADUAO

AUTOMAO PREDIAL SEM FIO UTILIZANDO BACNET/ZIGBEE COM FOCO EM ECONOMIA

DE ENERGIA

Luclia Pereira Borges Rodrigo de Carvalho Dores

Relatrio submetido como requisito parcial para obteno do grau de Engenheiro de Controle e Automao.

Banca Examinadora Prof. Adolfo Bauchpiess, UnB/ ENE (Orientador) ____________________________________ Prof. Llio R. Soares Jnior, UnB/ ENE ____________________________________

Prof. Marco A. Egito Coelho, UnB/ENE ____________________________________

Braslia, Setembro de 2010

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FICHA CATALOGRFICA BORGES, LUCLIA PEREIRA & DORES, RODRIGO DE CARVALHO Automao predial sem fio utilizando BACnet/ZigBee com foco em economia de energia, [Distrito Federal] 2010. xi, 88p., 297 mm (FT/UnB, Engenheiro, Controle e Automao, 2010). Trabalho de Graduao Universidade de Braslia.Faculdade de Tecnologia.

1.Automao 2.Wireless 3.BACnet 4.Controle I. Mecatrnica/FT/UnB

REFERNCIA BIBLIOGRFICA BORGES, L.P. & DORES, R.C., (2010). Automao predial sem fio utilizando BACnet/ZigBee com foco em economia de energia. Trabalho de Graduao em Engenharia de Controle e Automao, Publicao FT.TG-n 06, Faculdade de Tecnologia, Universidade de Braslia, Braslia, DF, 88p.

CESSO DE DIREITOS AUTOR: Luclia Pereira Borges e Rodrigo de Carvalho Dores. TTULO DO TRABALHO DE GRADUAO:Automao predial sem fio utilizando BACnet/ZigBee com foco em economia de energia.

GRAU: Engenheiro ANO: 2010

concedida Universidade de Braslia permisso para reproduzir cpias deste Trabalho de Graduao e para emprestar ou vender tais cpias somente para propsitos acadmicos e cientficos. O autor reserva outros direitos de publicao e nenhuma parte desse Trabalho de Graduao pode ser reproduzida sem autorizao por escrito do autor.

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AGRADECIMENTOS

A toda minha famlia que sempre me apoiou em todos os momentos dessa minha jornada.

Aos meus amigos que, com alegria e companheirismo, fizeram com que essa

fase se tornasse menos rdua.

Luclia Pereira Borges.

A meus amigos que tornaram essa jornada inesquecvel.

A minha familia por estar presente a todo momento, especialmente a minha me

por toda sua ajuda nesse trabalho. A minha namorada pelo seu apoio.

A todos meus colegas e professores por todos momentos que nos trouxeram at aqui.

Rodrigo

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RESUMO

Neste trabalho foi implementada uma rede wireless composta por sensores e atuadores, com o propsito de diminuir o consumo de energia com sistemas de ar condicionado. Utilizaram-se sensores magnticos sem fio para deteco do estado, aberto ou fechado, de janelas e portas. Tendo essa informao pode-se decidir ligar ou desligar o ar condicionado. Ao fazer isso, economiza-se energia que seria dispendida para refrigerar um ambiente com influncia direta do meio externo. Para a monitorao e controle do sistema foi utilizado o software ActionView. Esse supervisrio se comunica com um roteador atravs do protocolo BACnet MS/TP. A comunicaco desse roteador com os mdulos que realizam o controle e o sensoreamente feita utilizando o protocolo BACnet/ZigBee .

ABSTRACT

In this project a wireless network of sensors and actuators was developed with the purpose of lessening energy consumption by air conditioning systems. Wireless magnetic sensors were used for the detection of the states, open or closed, of windows and doors. With this information at hand it is possible to decide whether to turn on or off the air conditioning. By doing this the energy wasted with the cooling of an environment with direct influence of an extern environment may be saved. For the supervision and control of the system it was used the software ActionView. This SCADA communicates with a router using the BACnet MS/TP protocol. This router communicates using the protocol BACnet/ZigBee with the modules that do the control and the sensing.

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SUMRIO

FICHA CATALOGRFICA ................................................................................................................. III REFERNCIA BIBLIOGRFICA ....................................................................................................... III CESSO DE DIREITOS .................................................................................................................... III

CAPTULO 1 INTRODUO E MOTIVAO ..................................................................................... 1 CAPTULO 2 AUTOMAO PREDIAL ............................................................................................... 2

2.1 CONTROLE DE ACESSO ..................................................................................................... 4 2.2 SENSORES ........................................................................................................................... 5

2.2.1 Sensores de contato fsico ................................................................................................ 6 2.2.2 Sensores de Aproximao ................................................................................................. 6

CAPTULO 3 ECONOMIA ENERGTICA .............................................................................................. 9 CAPTULO 4 SISTEMAS SUPERVISRIOS ....................................................................................... 11

4.1 ARQUITETURA DO SISTEMA ............................................................................................ 11 4.2 SOFTWARES SCADA ......................................................................................................... 12 4.3 SOFTWARE ACTIONVIEW ................................................................................................. 13

CAPTULO 5 PROTOCOLOS ............................................................................................................... 14 5.1 ZIGBEE ................................................................................................................................ 16

5.1.1 Rede ZigBee .................................................................................................................... 16 5.1.2 Topologia de redes ZigBee .............................................................................................. 18 5.1.3 Clusters ............................................................................................................................ 19

5.2 BACNET ............................................................................................................................... 20 5.2.1 Arquitetura ....................................................................................................................... 21 5.2.2 Camada de rede e roteamento ........................................................................................ 21 5.2.3 Servios, objetos e propriedades .................................................................................... 23 5.2.4 BACnet MS/TP................................................................................................................. 24 5.2.5 BACnet/ZigBee ................................................................................................................ 25

5.3 BITCLOUD ZIGBEE PRO STACK .................................................................................... 26 5.3.1 Arquitetura ....................................................................................................................... 26 5.3.2 Callback, task handler e o agendador de tarefas ............................................................ 27

CAPTULO 6 AMBIENTE DE TESTES ................................................................................................. 29 6.1 AR CONDICIONADO HBRIDO ........................................................................................... 30 6.2 CENTRAL DE ALARMES PPA ............................................................................................ 30 6.3 SENSORES DE ABERTURA............................................................................................... 30

6.3.1 Sensor magntico sem fio ............................................................................................... 31 6.3.2 Sistema com radiofreqncia .......................................................................................... 33 6.3.3 Instalao dos sensores .................................................................................................. 33

6.4 ZIGBIT .................................................................................................................................. 37 6.4.1 Meshbean2 board ............................................................................................................ 38

6.5 GRAVADOR ......................................................................................................................... 39

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6.6 ATUADOR ............................................................................................................................ 40 6.6.2 Rel de Estado Slido ..................................................................................................... 41

6.7 REDE ................................................................................................................................... 41 6.7.1 ZigBee .............................................................................................................................. 42 6.7.2 BACnet/ZigBee ................................................................................................................ 42 6.7.3 BACnet MS/TP................................................................................................................. 43 6.7.4 Roteamento ..................................................................................................................... 44

6.8 SOFTWARE EMBARCADO................................................................................................. 45 6.8.1 Aplicao ......................................................................................................................... 46 6.8.2 Coordenador .................................................................................................................... 48 6.8.3 End device ....................................................................................................................... 50

6.8.3.1 Mdulo Sensor ........................................................................................................ 51 6.8.3.2 Mdulo Atuador ....................................................................................................... 52

6.9 SUPERVISRIO ACTIONVIEW .......................................................................................... 52 6.9.1 Configurao do canal ..................................................................................................... 53 6.9.2 Tela .................................................................................................................................. 54 6.9.3 Rotinas ............................................................................................................................. 55

CAPTULO 7 ANLISE DE RESULTADOS .......................................................................................... 56 7.1 ANLISE DA REDE ............................................................................................................. 56

7.1.2 ZigBee .............................................................................................................................. 57 7.1.3 MS/TP .............................................................................................................................. 57 7.1.4 Anlise Geral ................................................................................................................... 58

7.2 ANLISE DA ECONOMIA DE ENERGIA ............................................................................ 59 7.2.2 Testes .............................................................................................................................. 61 7.2.3 Anlise dos testes ............................................................................................................ 62

CAPTULO 8 CONCLUSO E TRABALHOS FUTUROS ..................................................................... 68 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ...................................................................................................... 69 ANEXO 1 VB SCRIPT ON TIMER ........................................................................................................ 71 ANEXO 2 VB SCRIPT ON VALUE CHANGE ....................................................................................... 73 ANEXO 3 VB SCRIPT ON MOUSE CLICK ........................................................................................... 74 ANEXO 4 LOG ...................................................................................................................................... 75

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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1. Ilustrao cabeamento estruturado ..................................................................... 3 Figura 2.2. Diagrama de bloco de um transdutor ................................................................... 5 Figura 2.3. Tipos de chaves de contato, [1]. .......................................................................... 6 Figura 2.4. Esquema construtivo de um sensor indutivo, [1]. ................................................. 7 Figura 2.5. Esquema construtivo de um sensor capacitivo, [1]. ............................................. 7 Figura 4.1. Um tpico sistema SCADA,[5]. ............................................................................12 Figura 5.1. Modelo ISO OSI com adaptao, [8]. .................................................................14 Figura 5.2. Arquitetura ZigBee, [13]. .....................................................................................17 Figura 5.3. Topologia ZigBee, [16] .......................................................................................18 Figura 5.4. Funcionamento rede Mesh.[14] ..........................................................................19 Figura 5.5. Crescimento do nimero de vendors Ids,[19]. .....................................................20 Figura 5.6. Camandas BACnet. ............................................................................................21 Figura 5.7. Camadas BACnet/ZigBee [21]. ...........................................................................25 Figura 5.8. Arquitetura Bitcloud. ...........................................................................................26 Figura 5.9. Comparao da execuo Sncrona x Assncrona, [24]......................................27 Figura 6.1. Diagrama de Blocos do Sistema .........................................................................29 Figura 6.2. Central de alarmes PPA .....................................................................................30 Figura 6.3. Reed-Switch, [26] . .............................................................................................31 Figura 6.4. Sensor magntico. ..............................................................................................32 Figura 6.5. Foto dos resistores da central com a adaptao realizada. ................................34 Figura 6.6. Circuito acrescentado ao sensor magntico .......................................................35 Figura 6.7. Circuito optoacoplador ........................................................................................36 Figura 6.8. Ligaes central, circuito optoacoplador, placa meshbean2. ..............................37 Figura 6.9. Zigbit. .................................................................................................................38 Figura 6.10. Placa Meshbean. ..............................................................................................39 Figura 6.11. Mdulo Gravador, [28]. .....................................................................................40 Figura 6.12. Esquema eltrico do Mdulo Gravador, [28]. ....................................................40 Figura 6.13. Mdulo Atuador [28]. ........................................................................................41 Figura 6.14. Esquema eltrico SSR Teletronic ..................................................................41 Figura 6.15. Camadas de aplicao. ....................................................................................46 Figura 6.16. Mquina de estados da aplicao ....................................................................47 Figura 6.17. Mquina de estados do coordenador. ...............................................................48 Figura 6.18. Mquina de estados do end device. .................................................................50 Figura 6.19. Arvore de Sistema e Endereos das Variveis .................................................54 Figura 6.20. Tela grfica ActionView. ...................................................................................55

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Figura 7.1. Trecho do log de comunicao do ActionView ...................................................56 Figura 7.2. Medidor de energia trifsico ...............................................................................59 Figura 7.3. Controlador MT531Ri plus ..................................................................................60 Figura 7.4. Conversor EIA-485 para USB. ............................................................................60 Figura 7.5. Esquema de conexes PC, CONV32 e controlador . ..........................................61 Figura 7.6. Variao de temperatura e umidade com funcionamento normal da sala. ..........62 Figura 7.7. Variao de temperatura e umidade com a porta e janelas abertas. ..................63 Figura 7.8. Variao de temperatura e umidade em situaes distintas. ..............................64 Figura 7.9. Interferncia de uma janela aberta no consumo. ................................................65

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LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1. Tecnologia wireless ............................................................................................ 3 Tabela 6.1. Caractersticas eltricas do sensor PPA ............................................................32 Tabela 6.2. Caractersticas eltricas da central PPA ............................................................33 Tabela 6.3. Tabela de objetos BACnet do mdulo Sensor ...................................................52 Tabela 6.4. Tabela de objetos BACnet do mdulo Sensor ...................................................52 Tabela 7.1. Dados Coletados ...............................................................................................67

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LISTA DE SMBOLOS, NOMECLATURA E ABREVIAES

ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning

BACnet Building Automation and Control Network

CFTV Circuito Fechado de Televiso

IEA International Energy Agency

LEED Leadership in Energy and Environmental Design

GBC Green Building Council

WBCSD World Business Council for Sustainable Development

SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineer

UTR Unidade Terminal Remota

CPU Central Processing Unit

CLP Circuito Logicamente Programvel

IHM Interface Homem-Mquina

UTM Unidade Terminal Mestre

EIA Electronic Industries Alliance

IED Intelligent Eletronic Device

UCL Unidades de Controle Local

ISO International Organization for Standardization

OSI Open System Interconnection

ISM Industrial, Scientific, Medical

FFD Full Function Device

RFD Reduced Funtion Device

ZC ZigBee Coordenator

ZR ZigBee Router

ZED ZigBee End Device

HVAC Heating, Ventilating, and Air Conditioning

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NPDU Network layer Protocol Data Unit

APDU Aplication layer Protocol Data Unit

DNET Destination Network

DLEN Destination Length

DADR Destination Address

SNET Source Network

SLEN Source Length

SADR Source Address

OID Object_Identifier RF Radiofreqncia

GPRS General Packet Radio Service

LARA Laboratrio de Automao e Robtica

LED Light Emiting Device

BZLL BACnet ZigBee Link Layer

API Application Programming Interface

ANSI American National Standard Institute

ARCNET Attached Resource Computer Network

MS/TP Master Slave / Token Pass

PTP Picture Transfer Protocol

VBS Visual Basic Script

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CAPTULO 1 INTRODUO E MOTIVAO

Sistemas de automao predial tem como objetivo aumentar conforto, segurana e economia de energia. Sistemas que so mais comumente automatizados so os sitemas de ar condicionado. Para contolar esses sistemas preciso levar em conta a circulao de ar devido a portas e janelas abertas. Em alguns casos, como nos sistemas de ar condicionado evaporativo, a troca de ar com o ambiente externo necessria, enquanto que nos sistemas split no h essa troca. Para obter eficincia energtica necessrio saber como janelas e portas abertas influenciam o sistema e quais so as melhores formas de realizar o controle.

Para implementar sistemas de automao em edifcios em construo pode-se utilizar cabeamento estruturado, porm cabear um edifcio aps sua construo tem um custo elevado. Por isso, nesses casos recomendado utilizar uma rede sem fio para a comunicao entre os dispositivos desse sistema. Um protocolo sem fio que vem crescendo no mercado da automao predial o ZigBee. Um outro protocolo que vem tendo muito destaque neste mercado o BACnet. E nos ltimos anos muitos estudos tm sido feitos com o intuito de juntar esses dois protocolos complementares. Este trabalho tem o objetivo de desenvolver dispositivos capazes de se comunicar por uma rede BACnet/ZigBee.

Este trabalho visa reduo do consumo energtico em ambientes em que h um grande dispndio de energia com aparelhos de ar condicionado. Isso foi feito por meio da utilizao de sensores magnticos que, em tempo real, enviaram o estado de abertura ou fechamento de janelas e porta, para que dessa forma seja desligado ou ligado o ar condicionado Um sistema de alarme comercial da empresa PPA foi adaptado neste projeto para monitorar e fornecer o estado de portas e janelas a um sistema supervisrio ActionView. A integrao foi feita por uma rede BACnet/ZigBee. Um comando de desligamento do ar foi implementado caso existam portas ou janelas abertas. Ou seja, tivemos por meta utilizar ferramentas do controle de acesso e integr-las automao para alcanarmos nosso objetivo que a economia de energia.

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CAPTULO 2 AUTOMAO PREDIAL

Com a abertura dos mercados de informtica e de telecomunicaes no Brasil, a partir da dcada de 90, possibilitou-se a popularizao de diversas tecnologias de controle e servios de automao. Nesse sentido, a automao predial se desenvolveu tendo como principal objetivo a melhoria do estilo de vida dos ocupantes de uma edificao atravs do aumento do conforto ambiental, da segurana fsica e do aumento da eficincia energtica, tornando o ambiente mais confortvel, seguro e eficiente.

O uso racional de energia eltrica, a segurana e o conforto dos usurios e a preocupao com o meio ambiente so fatores relevantes para o uso de tecnologias aplicadas em edifcios. Os edifcios inteligentes so concebidos para causarem o mnimo de impacto ambiental, com o menor consumo de energia possvel e melhor aproveitamento de recursos, alm de proporcionar maior segurana e conforto para seus usurios. A automao bastante necessria e est sendo uma exigncia da maioria das novas construes. E os prdios que ainda no foram automatizados, com certeza, o sero no futuro, gerando um conflito com relao infra-estrutura exigida. Assim, deve-se tomar uma deciso: modificar a estrutura do prdio ou construir outro com tais exigncias.

Na construo de uma nova estrutura torna-se mais vivel a automao em que a integrao feita por meio de cabeamento estruturado. Este um sistema flexvel que comporta em uma nica infraestrutura de cabos e componentes, diversos servios de comunicao como voz, dados, imagem, automao e outros. Dessa maneira, os projetos interagem entre si, a arquitetura com o sistema de refrigerao, a parte eltrica, hidrulica e segurana, o que reduz os custos no gerenciamento da infraestrutura e os custos relacionados a esta. A Figura 2.1 demonstra essa integrao.

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Figura 2.1. Ilustrao cabeamento estruturado.

Esses so denominados prdios inteligentes, pois j nascem com o conceito de automao e integrao no projeto. Prdios j construdos possuem obstculos que podem comprometer a implementao da automao e das vantagens que esta proporciona. Geralmente, nesses prdios no h local para a insero de mais cabos e fios e no existe a possibilidade de se modificar a infraestrutura que a automao exige. nesse sentido que o emprego de dispositivos sem fio na automao predial vem se tornando mais vivel.

Algumas tecnologias podem auxiliar nesse processo denominado retrofit, como, por exemplo, tecnologias wireless. Essas tecnologias esto disponveis em sensores, equipamentos de controle e computadores e podem formar redes sem estrutura fsica permitindo que construes antigas, ou pouco automatizadas, tenham seus domnios interligados sem a necessidade de se modificar a estrutura do prdio.

As redes sem fio podem ser empregadas em diversas localidades dentro de um edifcio. Podendo abranger desde a conexo de um computador a uma impressora at a implementao de sensores e atuadores. A Tabela 2.1 mostra algumas aplicaes da tecnologia wireless em um edifcio

Tabela 2.1. Tecnologia wireless.

Elementos a serem automatizados Tecnologia Ar condicionado ZigBee ou Proprietria

Iluminao ZigBee ou Proprietria Bombas de gua ZigBee ou Proprietria

Alarme de Incndio ZigBee ou Proprietria Segurana e controle de acesso ZigBee Bluetooth ou Proprietaria

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As tecnologias wireless utilizam o ar como meio fsico de transmisso sendo que a comunicao entre os dispositivos pode ser feita por luz infravermelha ou radiofreqncia. As tecnologias por radiofreqncia so as mais utilizadas na elaborao de redes sem fio e as tecnologias por luz infravermelha so utilizadas em conexes entres dois dispositivos prximos.

O uso de uma determinada tecnologia sem fio depende da aplicao, do nmero de elementos a serem colocados na rede, do custo, da quantidade de dados a serem transmitidos.

Com o objetivo de resolver a questo de incompatibilidade entre dispositivos de diversos fabricantes, o Institute of Electrical and Eletronic Engineers (IEEE) e o European Telecommunications Standardisation Institute (ETSI) desenvolveram vrios padres para redes locais sem fio. Equipamentos que utilizam padres definidos pelo IEEE so os recomendados para a elaborao de projetos de automao sem fio. Os padres definidos pelo IEEE possuem a vantagem de serem mais conhecidos, com maior nmero de fabricantes e menor preo. Dentre os padres mais conhecidos encontram-se o Bluetooth, o IEEE 802.11b e o ZigBee.

2.1 CONTROLE DE ACESSO

Constantemente surgem novas necessidades de segurana, identificao e economia, fazendo com que as atuais tecnologias ofeream tranquilidade e simplicidade. O aumento do sentimento de insegurana nas grandes cidades somado necessidade de identificao de funcionrios e visitantes de estabelecimentos e o monitoramento de ambientes e pessoas impulsionam uma demanda por sistemas de controle de acesso e pontos automatizados.

Inserido no contexto da automao predial, o controle de acesso um dos principais motivos para se optar em automatizar. Esse muito utilizado em reas em que a necessidade de ter o conhecimento exato da passagem da pessoa essencial.

O controle de acesso de qualquer ambiente pode ser feito atravs de uma central ou pela internet. Dentre as tecnologias disponveis nesse segmento encontram-se:

Autenticao/identificao de pessoas atravs de tecnologia biomtrica (cartes, leitores biomtricos);

Leitoras de carto por proximidade;

Cancelas;

Catracas;

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Sensores de presena;

Sensores de contato com e sem fio;

Barreiras horizontais, entre outras.

Na dcada de 80, os sistemas de controle de acesso comearam a se popularizar devido ao barateamento dos computadores de pequeno porte. Desde ento, passaram a ter processamento suficiente para controlar as transaes em tempo real.

Hoje em dia, os sistemas de controle de acesso tornam vivel a integrao com leitores biomtricos, controle de estacionamento, interligao com alarme de incndio, sensores de portas e janelas, integrao com CFTV, etc.

2.2 SENSORES

Sensores so dispositivos que mudam seu comportamento sob a ao de uma grandeza fsica, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. Quando operam diretamente, convertendo uma forma de energia em outra, so chamados de transdutores. Os de operao indireta alteram suas propriedades, como a resistncia, a capacitncia ou a indutncia, sob ao de uma grandeza, de forma mais ou menos proporcional. O sinal de um sensor pode ser usado para detectar e corrigir desvios em sistemas de controle, e nos instrumentos de medio, que frequentemente esto associados aos sistemas de controle de malha aberta (no automticos), orientando o usurio. Portanto, para tal definio, nos referimos queles dispositivos que transformam uma grandeza fsica em uma eltrica, com o mesmo significado de sensores. O diagrama de bloco genrico de um transdutor mostrado na Figura 2.2.

Figura 2.2. Diagrama de bloco de um transdutor.

A grandeza eltrica de sada de um transdutor pode ser uma tenso, uma corrente, uma resistncia, etc. Dependendo da natureza da grandeza eltrica de sada, os transdutores so subdivididos em analgicos e digitais: Para uma natureza fsica contnua na entrada, um transdutor analgico faz corresponder uma grandeza eltrica contnua na sada e proporcional grandeza fsica medida, no entanto um transdutor digital faz corresponder uma sucesso de sinais digitais. Resumidamente podemos dizer que os sensores podem ser de dois tipos:

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- Digital: aquele cuja sada assume apenas dois estados, ON/Off. - Analgico: aquele cuja sada varia proporcionalmente com a variao fsica percebida pelo sensor. Os sinais eltricos de sada mais comum so:

Corrente - 4 a 20mA

Tenso - 0 a 10v

2.2.1 Sensores de contato fsico

So sensores que necessitam estar em contato com a grandeza a ser monitorada. Um contato mecnico e uma fora resultante entre o sensor e o objeto so necessrios para efetuar a deteco. Nesse tipo de sensor, h a presena de uma chave de contato que consiste em um atuador mecanicamente ligado a um conjunto de contatos. Quando um objeto entra em contato fsico com o atuador, o dispositivo opera os contatos para abrir ou fechar uma conexo eltrica. As chaves de contato podem apresentar as configuraes detalhadas na Figura 2.3.

Figura 2.3. Tipos de chaves de contato, [1].

2.2.2 Sensores de Aproximao

So sensores que detectam o evento ou a grandeza sem que haja necessidade de estar em contato fsico com a mesma, alm do que, so blindados, prova de vibrao, etc. Podem ser indutivos, capacitivos, pticos dentre outros.

Os sensores indutivos executam uma comutao eletrnica, quando um objeto metlico entra dentro de um campo eletromagntico de alta freqncia, produzido por um oscilador eletrnico. Sua instalao se d em mquinas ferramentas, mquinas operatrizes, de embalagens, txteis, correias transportadoras e na indstria automobilstica, para resolver problemas gerais de automao. Na Figura 2.4 pode ser observada sua composio em blocos.

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Figura 2.4. Esquema construtivo de um sensor indutivo, [1].

Em que:

Osciliador: diminui a freqncia de oscilao quando um evento for detectado.

Demodulador: converte o sinal do oscilador em nvel de tenso cc.

Detector de nvel de disparo: dispara quando o oscilador diminui a freqncia.

Amplificador de sada: amplifica o sinal gerado pelo sensor e entrega-o a carga.

Funcionamento:

O oscilador com auxlio de uma bobina gera um campo magntico de alta freqncia. Este campo direcionado para fora do elemento ativo, formando uma regio de sensibilidade denominada de face sensvel, chamada de distncia de comutao. Quando um corpo metlico est distante da face sensvel e, dentro da distncia de comutao, este metal amortece a oscilao, provocando a comutao eletrnica, ou seja, faz o sensor mudar de estado. Com a retirada do corpo metlico da distncia de comutao, o oscilador volta a trabalhar normalmente e o sensor volta a seu estado normal.

Os sensores capacitivos, assim como os sensores indutivos, tambm podem efetuar um chaveamento eletrnico sem qualquer contato fsico. Estes sensores foram desenvolvidos para atuarem na presena de materiais orgnicos, plsticos, vidro, lquido, alm de metais. Sua aplicao se d em detectores de nvel em tanques, contagem de garrafas (cheias ou vazias), contagem de embalagens plsticas, limitadores de carretis, etc. Na Figura 2.5 pode ser vista sua composio em blocos.

Figura 2.5. Esquema construtivo de um sensor capacitivo, [1].

Em que:

Osciliador: diminui a freqncia de oscilao quando um evento for detectado.

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Demodulador: converte o sinal do oscilador em nvel de tenso cc.

Detector de nvel de disparo: dispara quando o oscilador diminui a freqncia.

Amplificador de sada: amplifica o sinal gerado pelo sensor e entrega-o a carga.

Funcionamento:

Conforme pode ser notado na Figura 2.5 o esquema em blocos de um oscilador capacitivo igual ao do indutivo. A diferena entre eles reside no fato de que no sensor capacitivo o princpio de funcionamento est baseado na variao do dieltrico no meio em que o sensor est inserido. Quando nesta regio penetrar algum objeto, este provoca a variao do dieltrico e, consequentemente a variao da frequncia do oscilador, variao esta que detectada e transformada em um nvel de tenso cc. Com a retirada do objeto da distncia de comutao, o oscilador volta a trabalhar normalmente e o sensor volta ao seu estado normal.

Os sensores pticos so fabricados segundo a tecnologia da emisso de irradiao infravermelha modulada, sendo divididos em trs sistemas. Independente do sistema que um sensor ptico construdo, ele totalmente imune iluminao ambiente, quer ele seja manual ou artificial, devido o sensor estar sintonizado na mesma freqncia de modulao do emissor.

No Sistema por Barreira (Unidirecionais), o elemento emissor da irradiao infravermelha, alinhado frontalmente a um receptor de infravermelho, a uma distncia pr-determinada e especfica para cada tipo de sensor. Qualquer interrupo desta irradiao deixar de atingir o receptor, o que ocasionar um chaveamento eletrnico.

No Sistema por Difuso (Retroreflexivo), os elementos de emisso e recepo infravermelha, esto montados justapostos em um conjunto ptico, direcionados para a face sensvel do sensor. Os raios infravermelhos emitidos refletem sobre a superfcie de um objeto e retornam em direo de um receptor, a uma distncia determinada como distncia de comutao, que provoca o chaveamento eletrnico, desde que o objeto possua uma superfcie no totalmente fosca.

O Sistema por Reflexo possui caractersticas semelhantes ao sistema por difuso, diferindo no sistema ptico. Os raios infravermelhos emitidos, somente refletem em um espelho prismtico especial, colocado a uma certa distncia, dentro da distncia de comutao, frontalmente face sensvel do sensor, e retornam em direo ao receptor, formando uma barreira ptica. A comutao ocorre quando se retira o espelho ou quando interrompe o feixe de raios infravermelho entre o sensor e o espelho com algum objeto de qualquer natureza.

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CAPTULO 3 ECONOMIA ENERGTICA

No Brasil, observa-se um grande desperdcio de energia. Muitas pessoas no a usam com responsabilidade, o que colabora para uma perspectiva de crise energtica futura.

Investir na economia energtica colabora no s para tornar o ambiente mais sustentvel como tambm para se gastar menos. De acordo com pesquisa divulgada pela Agncia Internacional de Energia (IEA), o brasileiro paga mais pela energia eltrica do que consumidores de alguns pases desenvolvidos com renda per capita superior.

Quanto menos energia utilizarmos, menor ser a necessidade de produzi-la, o que uma grande vantagem para o planeta, j que grande parte da eletricidade gerada atualmente proveniente da queima de combustveis fsseis. Esses combustveis emitem gases de efeito estufa, como o dixido de carbono (CO2), um dos principais causadores do aquecimento global. Outras formas de se obter energia eltrica so por meio de hidreltricas, que incorre no alagamento de grandes reas, e de usinas nucleares que geram lixo atmico [2]. Constata-se que, em prdios comerciais, os maiores gastos energticos devem-se utilizao de ar condicionado. Caso na fase de construo do edifcio seja feito um projeto arquitetnico com materiais adequados, canais de ventilao, equipamentos de baixo consumo, com certeza, esse prdio ser vivel do ponto de vista de se consumir pouca energia. Posteriormente, procedimentos como diminuio do uso de aparelhos que consomem energia, levam a uma economia ainda maior.

Os primeiros edifcios verdes (green buildings, em ingls) surgiram na dcada de 1970 na Holanda, na Alemanha e nos pases nrdicos. A sede do Parlamento alemo (Reichstag) tem um gerador que no s produz a prpria energia com base em combustveis renovveis como envia o excedente para as construes vizinhas. Na Noruega, foi inaugurada a primeira cadeia ecolgica do mundo. O presdio da Ilha Bastoey, destinado a 115 detentos, usa painis solares e recicla quase todo o material consumido [3]. Estima-se que h nos Estados Unidos cerca de 6 mil edifcios verdes e a tendncia aumentar para 100 mil. Esses edifcios so certificados pelo selo LEED (Liderana em Energia e Projetos Ambientais, na sigla em ingls), da organizao Green Building Council (GBC) e representam grandes empresas, bancos, agncias governamentais e prdios de escritrios.

Nos Estados Unidos, os edifcios comerciais consomem 65% da energia eltrica distribuda no pas, sendo que apenas ar-condicionado, gasta mais da metade da energia de um prdio. O uso do ar-condicionado tambm responsvel por 50% dos gastos com energia no Brasil. Esse apenas um dos exemplos dos problemas relacionados s construes que

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a nova onda de prdios verdes pretende enfrentar. Atualmente, a tecnologia j existente pode aumentar a eficincia energtica em 35% e reduzir os custos com aquecimento, resfriamento, ventilao e gua. De acordo com pesquisa realizada pelo Conselho Mundial de Negcios para o Desenvolvimento Sustentvel (WBCSD), combinar os materiais certos tambm pode significar economia de energia [3].

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CAPTULO 4 SISTEMAS SUPERVISRIOS Sistemas supervisrios, ou SCADA (supervisory control and data acquisition), coletam informao, transferem para uma central, realizam qualquer anlise ou controle e mostram a informao para o usurio. Os controles necessrios so enviados de volta para o processo. Sistemas SCADA so definidos de diversas maneiras por diferentes autores. De acordo com a IEEE[4], define-se como um sistema operando com sinais codificados sobre canais de comunicao para controlar UTRs (Unidade Terminal Remota). Estes sistemas fornecem dados em tempo real para a administrao sobre as operaes, implementam controle mais eficiente, aumentam a segurana da planta e reduzem custos de operao. Essas vantagens se tornaram possveis com a combinao de hardware e software em um sistema SCADA com protocolos de comunicao e a ligao do sistema com redes externas incluindo a internet.

Sistemas supervisrios existem desde que existem sistemas de controle. Os primeiros SCADAs eram painis que mostravam os dados para um operador atravs de mostradores analgicos e luzes e realizavam o controle utilizando diversos botes. Muitos dispositivos desses ainda so utilizados para controle e superviso de diferentes locais. Com a criao da CPU e outros dispositivos eletrnicos, fabricantes incorporaram a eletrnica digital no controle de rels. CLPs (Controlador Logicamente Programvel) so at hoje um dos sistemas mais utilizados na indstria. Conforme a necessidade de monitorar e controlar mais dispositivos cresceu, os CLPs se tornaram mais distribudos e o sistema ficou mais inteligente e de menor tamanho.

4.1 ARQUITETURA DO SISTEMA

Sistemas SCADA seguem uma arquitetura que consiste de alguns elementos bsicos [4][3]:

Operador: homem que ir monitorar o sistema;

Interface homem-mquina (IHM): apresenta os dados para o operador e fornece diferentes interfaces para facilitar o controle e supervisionamento;

Unidade Terminal Mestre (UTM): equivalente unidade mestre em uma arquitetura mestre/escravo. A UTM apresenta dados para o operador atravs da IHM, recebe dados do campo, e envia sinais de controle para as UTRs;

Comunicao: pode ser atravs de cabos (como Ethernet, EIA-232 ou EIA-485), wireless (Wi-Fi ou ZigBee) ou rdio;

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Unidade Terminal Remota (UTR): Funciona como o escravo na arquitetura mestre/escravo. Envia sinais de controle para os dispositivos e recebe dados desses dispositivos e envia os dados para a UTM. Uma UTR pode ser um CLP ou uma IED (intelligent eletronic device, Dispositivo Eletrnico Inteligente), por exemplo.

4.2 SOFTWARES SCADA

O software SCADA pode ser dividido em dois tipos, proprietrio ou aberto. Fabricantes desenvolvem proprietrio para que ele se comunique apenas com seu hardware. O problema a alta dependncia do fabricante. Sistemas abertos tm ganhado popularidade devido interoperabilidade com diferentes equipamentos. O ActionView, software SCADA da Spin Engenharia de Automao Ltda, um exemplo de sistema aberto. Um sistema tpico est indicado na Figura 4.2.

Figura 4.1. Um tpico sistema SCADA,[5].

As caractersticas de um software SCADA so:

Interface grfica;

Alarmes;

Grficos;

Log de Eventos;

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Interface com UTRs;

Banco de dados;

Rede;

Tolerncia a falhas e redundncias;

Processo distribudo Cliente\Servidor;

Monitoramento em tempo real e

Drivers para controle de diferentes componentes.

4.3 SOFTWARE ACTIONVIEW

ActionView um software SCADA desenvolvido pela Spin Engenharia de Automao Ltda. um sistema aberto e configurvel para qualquer sistema de superviso e controle. Possui todas as caractersticas de um SCADA mencionadas anteriormente. Por ser um sistema aberto, possui a possibilidade de se comunicar utilizando diversos protocolos. Alguns deles so BACnet (MS/TP e IP), Modbus, IEC-61850, DNP30, OPC e outros inclusive alguns protocolos proprietrios.

O sistema separado em mdulos. Existem 8 tipos de mdulos, porm para este trabalho s sero abordados os utilizados. Os mdulos utlizados foram AVMaster e o Mdulo de Comunicao BACnet. No Manual ActionView Introduo [6], estes mdulos foram definidos da seguinte forma:

AVStudio: licena para executar em um computador o mdulo de desenvolvimento de aplicativos, responsvel pela gerao da base de dados de tempo real e das telas. Um mdulo pode desenvolver um nmero ilimitado de aplicaes, e independe do nmero de pontos

AVServer: licena de um mdulo Run-Time servidor de comunicao e dados de tempo real. O AVServer limitado por nmero de tags e vem acompanhado de um mdulo de visualizao.

AVMaster: licena para executar em um computador tanto o mdulo AVStudio, como o mdulo AVServer. Vem acompanhado tambm, de um mdulo emulador de campo, que permite testar todas as funcionalidades das aplicaes parametrizadas.

Mdulos de Comunicao: o software inclui mdulos de comunicao compatveis com os protocolos dos principais fabricantes de UCLs (Unidades de Controle Local), UTRs (Unidades Terminais Remotas), CLPs (Controladores Lgicos Programveis), rels e outros IEDs (Dispositivos Eletrnicos Inteligentes).

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CAPTULO 5 PROTOCOLOS

Protocolos so uma parte fundamental da automao. Eles definem o formato e a ordem das mensagens trocadas entre dois ou mais dispositivos e tambm as aes tomadas na transmisso e/ou recebimento de uma mensagem [7]. Para que dois dispositivos se comuniquem preciso que eles falem o mesmo protocolo.

Como sistemas SCADA precisam fornecer informaes em tempo real preciso que se conhea o tempo gasto em cada operao do sistema, principalmente na comunicao. Assim protocolos para automao se diferenciam de outras aplicaes, porque alm de precisarem entregar a informao de forma confivel preciso que se faa isso num perodo de tempo determinado. Para garantir isso, diversos fabricantes foram desenvolvendo seus protocolos proprietrios. O prximo passo na evoluo dos protocolos foram os protocolos abertos. Com isso, qualquer fabricante poderia utilizar estes protocolos facilitando a integrao.

Diversos modelos foram criados para definir o uso e a organizao dos protocolos para facilitar seus projetos. Os modelos por camada foram bem aceitos e um dos mais aceitos o modelo da ISO (International Organization for Standardization) OSI (open systems interconnection)[4]. Esse modelo dividido em sete camadas como mostrado na Figura 5.1.

Figura 5.1. Modelo ISO OSI com adaptao, [8].

A camada fisca a conexo entre os dispositivos e o sinal eletrnico que transmite a informao.

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A camada de enlace (Data Link) organiza a mensagem em frames, regula o acesso camada fsica e controla o endereamento. Pode ser responsvel por tratamento de erros e controle de fluxo.

A camada de rede responsvel pela traduo do endereo global para local, roteamento, sequenciamento, controle de fluxo, controle de erro e multiplexao.

A camada de transporte garante a entrega da mensagem ao destino final, trata da segmentao, sequenciamento, controle de fluxo e tratamento de erros. Apesar de ter funes similares camada de enlace seu escopo diferente. Seu tratamento na mensagem apenas para o destino final enquanto a de enlace ponto a ponto sendo tratada em cada n que a mensagem passar.

A camada de sesso usada para estabelecer a conexo e manter longos dilogos entre os dispositivos.

A camada de apresentao para encriptar/desencriptar mensagens e traduo das mensagens.

A camada de aplicao fornece os servios de comunicao que a aplicao precisar.

Cada camada se comunica com a prxima e com a anterior. O pacote vai passando de camada em camada at chegar sua aplicao de destino. Estas camadas servem para serem diretivas de como projetar o protocolo e no para o restringir. Inclusive, na maioria das vezes nem todas so utilizadas [9]. Em aplicaes de tempo real onde h restries de tempo, este modelo no recomendado. Porm, muitas vezes utilizado um subconjunto destas camadas onde algumas camadas ou so removidas ou unidas a outras.

O projeto de protocolos para Sistemas SCADA precisa levar diversos fatores em considerao, sendo que os principais so eficincia, segurana, flexibilidade e facilidade de implementao[10]. Segurana a capacidade de detectar erros. Flexibilidade permitir o trfego de diversos tipos de informao. Eficincia definida como a relao entre bits de informao transmitidos e o total de bits transmitidos.

Mensagens so divididas em trs partes[10]: estabelecimento da mensagem que inclui sinais de sincronizao, informaes de transmisso da mensagem e o encerramento da mensagem. A informao a parte que contm os dados que precisam ser transmitidos e o encerramento da mensagem inclui checagens de segurana e formas de determinar o fim da mensagem.

O desenvolvimento de protocolos precisa levar em conta tantos fatores que preciso escolher qual o objetivo deste novo protocolo. Protocolos projetados com o foco em automao predial so novos se comparados a protocolos da automao industrial. ZigBee

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e BACnet so exemplos de protocolos que foram desenvolvidos principalmente para o setor predial.

5.1 ZIGBEE

A comunicao um dos aspectos mais importantes de projetos de automao. Como j foi dito, a comunicao sem fio vem se tornando cada vez mais confivel e assim, sendo uma ferramenta importante para a automao.

Para este tipo de implementao, a tecnologia que melhor se adqua do grupo das LR-WPAN (Low Rate - Wireless Personal Area Network). Existem diversas tecnologias nesta rea. Algumas das que possuem maior expresso no mercado mundial atualmente so: ZigBee e WirelessHart. Apesar de essas tecnologias terem muitas similaridades, cada uma, foca em um tipo de aplicao principal. O ZigBee foi desenvolvido para automao predial e residencial e vem expandindo seu uso. Foi considerado o protocolo mais adequado aplicao do presente trabalho. O WirelessHart foi desenvolvido principalmente para aplicaes industriais [11]. Bluetooth e Wi-fi so as tecnologias de comunicao wireless mais comuns, porm elas no se enquadram nos requisitos comumente necessrios a automao. O comparativo entre algumas destas tecnologias j foram realizadas em trabalhos anteriores e no sero discutidos aqui [8], [12].

5.1.1 Rede ZigBee

O protocolo ZigBee foi idealizado pela ZigBee Alliance que uma parceria de diversas empresas que visou criar um produto que reunisse baixo custo, baixo consumo de energia, comunicao wireless para aplicaes prediais, residenciais e industriais.

O protocolo ZigBee foi desenvolvido a partir de uma combinao de protocolos para comunicao wireless. Utiliza o padro IEEE 802.15.4. A Figura 5.2 apresenta a arquitetura do ZigBee, onde cada camada tem sua funo e interfaces bem definidas e mostra quais foram definidas pelo padro da IEE 802.15.4, pela ZigBee Aliance e o que responsabilidade da aplicao.

Figura 5.2.

Esse protocolo funciona na freqncia de ISM868 MHz na Europa, 915 Mhz nos EUA e Austrlia e 2.4 Ghz na maioria das outras jurisdies incluindo o Brasil. Possui taxas de transmisso entre 10alcance de 10 a 100 metros. Uma de suas vantagens poder comunicar cada membro entre si. Um dispositivo pode se comunicar com mais de 65000

Apesar de operar na mesma frequncia que a tecnologia WiSchneider Eletric [14], foi comprovada que a existncia em situaes reais de automao residencial no compromete a entrega dos pacotes. Somente em casos extremos, com a rede Wi-Fi sendo usada com um trfego muito acima do qocorrer a falha na entrega das mensagens, porm isso ocorre principalmente quando a rede Wi-Fi est operando no modo IEEE 802.11b, quando se usa uma rede IEEE 802.11g, ou melhor, a interferncia diminui muito. Comprovaram aiutilizada tambm a retransmisso por aplicao obtm

Figura 5.2. Arquitetura ZigBee, [13].

funciona na freqncia de ISM (Industrial, Scientific, Medicalna Europa, 915 Mhz nos EUA e Austrlia e 2.4 Ghz na maioria das outras

. Possui taxas de transmisso entre 10 Kbps e 115. Uma de suas vantagens poder comunicar cada membro entre

si. Um dispositivo pode se comunicar com mais de 65000 [13]. Apesar de operar na mesma frequncia que a tecnologia Wi-Fi, em testes realizados pela

, foi comprovada que a existncia em situaes reais de automao residencial no compromete a entrega dos pacotes. Somente em casos extremos, com a

sendo usada com um trfego muito acima do que nomalmente utilizado, pode ocorrer a falha na entrega das mensagens, porm isso ocorre principalmente quando a rede

Fi est operando no modo IEEE 802.11b, quando se usa uma rede IEEE 802.11g, ou melhor, a interferncia diminui muito. Comprovaram ainda em seus experimentos que se for utilizada tambm a retransmisso por aplicao obtm-se 0% de falha na entrega.

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Industrial, Scientific, Medical) que de na Europa, 915 Mhz nos EUA e Austrlia e 2.4 Ghz na maioria das outras

Kbps e 115 Kbps e um . Uma de suas vantagens poder comunicar cada membro entre

Fi, em testes realizados pela , foi comprovada que a existncia em situaes reais de automao

residencial no compromete a entrega dos pacotes. Somente em casos extremos, com a ue nomalmente utilizado, pode

ocorrer a falha na entrega das mensagens, porm isso ocorre principalmente quando a rede Fi est operando no modo IEEE 802.11b, quando se usa uma rede IEEE 802.11g, ou

nda em seus experimentos que se for se 0% de falha na entrega.

5.1.2 Topologia de redes

Uma rede ZigBee possui dois tipos de dispositivos: FFD e RFD

FFD Full Function Device (Dispositivos de Funes Completas) complexos e por isso consomem mais energia. Numa topologia Coordenador, Roteador ou um dispositivo final. FFDs podem se comunicar com quaisquer membros da rede.

RFD Reduced Funtion Devicesimples onde sua pilha de protocolo pode ser implementada usando mnimos possveis de hardware. S podem se comunicar com FFDs. So os dispositivos finais.

Existem trs classes de dispositivos

ZC ZigBee Coordenator (coordenador FFD. responsvel pela inicializao, distribuio de endereos, manuteno da Rede, reconhecimento de todos os Ns, entre outras funesvrias outras Redes ZigBee.

ZR - ZigBee Router (Roteador dispositivo FFD. um intermedirio entre o dispositivo final e o coordenador. Com oroteadores possvel expandir o alcance de uma rede

ZED - ZigBee End Device (Dispositivo final sero hospedados. Pode ser um FFD ou um RFD. o n que consome menos energia, pois passa mais tempo no modo Sleep

O ZigBee pode utilizar trs tipos de rede: rvore, estrela e malha (geralmente chamada de mesh). Na Figura 5.3 so apresentados exemplos de topologias

Figura 5.3.

Topologia de redes ZigBee

possui dois tipos de dispositivos: FFD e RFD [15]. (Dispositivos de Funes Completas) So dispositivos mais

complexos e por isso consomem mais energia. Numa topologia ZigBeeCoordenador, Roteador ou um dispositivo final. FFDs podem se comunicar com quaisquer

Reduced Funtion Device (Dispositivo de Funes Reduzidas) So dispositivos mais simples onde sua pilha de protocolo pode ser implementada usando mnimos

. S podem se comunicar com FFDs. So os dispositivos finais.

tem trs classes de dispositivos [15]: (coordenador ZigBee) S pode ser implementado como um

FFD. responsvel pela inicializao, distribuio de endereos, manuteno da Rede, os os Ns, entre outras funes, podendo servir como ponte entre

(Roteador ZigBee) - S pode ser implementado atravs de um dispositivo FFD. um intermedirio entre o dispositivo final e o coordenador. Com oroteadores possvel expandir o alcance de uma rede ZigBee.

(Dispositivo final ZigBee) onde os atuadores ou sensores sero hospedados. Pode ser um FFD ou um RFD. o n que consome menos energia, pois

Sleep (dormindo). pode utilizar trs tipos de rede: rvore, estrela e malha (geralmente chamada de

so apresentados exemplos de topologias ZigBee.

Figura 5.3. Topologia ZigBee, [16].

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So dispositivos mais ZigBee eles podem ser

Coordenador, Roteador ou um dispositivo final. FFDs podem se comunicar com quaisquer

So dispositivos mais simples onde sua pilha de protocolo pode ser implementada usando mnimos recursos

. S podem se comunicar com FFDs. So os dispositivos finais.

S pode ser implementado como um FFD. responsvel pela inicializao, distribuio de endereos, manuteno da Rede,

podendo servir como ponte entre

S pode ser implementado atravs de um dispositivo FFD. um intermedirio entre o dispositivo final e o coordenador. Com os

onde os atuadores ou sensores sero hospedados. Pode ser um FFD ou um RFD. o n que consome menos energia, pois

pode utilizar trs tipos de rede: rvore, estrela e malha (geralmente chamada de

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O ZigBee tem a capacidade de gerenciar uma rede inteligente do tipo Mesh. Com isso, o pacote percorre o melhor caminho entre os roteadores para chegar a seu destino. No caso de falha de algum roteador os pacotes adotam um outro caminho. Assim, quanto maior o nmero de dispositivos ZR na rede menor a chance de falha de entrega de pacotes. Um exemplo mostrado na Figura 5.4, em que na ocorrncia de uma interferncia atrapalhando um caminho, adotado um caminho melhor para garantir a entrega. Com isso quanto maior o nmero de ZR na rede mais segura ela se torna.

Figura 5.4. Funcionamento rede Mesh [14].

5.1.3 Clusters

O ZigBee possui uma gama muito grande de diferentes usos, sendo uma opo o tunelamento de protocolos, porm tambm capaz de realizar a automao como o nico protocolo na rede. Alm disso, existem diversas funcionalidades diferentes que podem ser implementadas, especficas para cada caso. Para garantir a interoperabilidade sem necessitar que todos dispositivos tenham que implementar um grande nmero de funcionalidades, foram criados os Clusters.

Clusters so uma coleo de atributos e comandos que define a interface de comunicao. Os dispositivos devem implementar a interface de servidor e cliente respectivamente (referncia ao ZigBee Cluster Library[17]). Assim, dispositivos com finalidades especificas como controle HVAC no precisam implementar funes de outros tipos de controle, como iluminao por exemplo.

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5.2 BACNET

O BACnet (Building Automation and Control network) um protocolo orientado a objeto desenvolvido com o apoio da ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) com o objetivo principal da automao de sistemas HVAC (Heating, Ventilating, and Air Conditioning), que j foi expandido para diversos outros tipos de automao e controle como iluminao, controle de acesso e sistemas de incndio. Seu desenvolvimento comeou em 1987 e seu uso vem crescendo muito desde ento [18]. Cada fabricante pode pedir um Vendor Id para ASHRAE, e com isso seus equipamentos podem ter no cabealho das mensagens a informao de quem o fabricante. A quantidade de nmeros entregues pela ASHRAE vem crescendo muito conforme pode-se observar na Figura 5.5.

Figura 5.5. Crescimento do nimero de vendors Ids,[19].

Este protocolo foi desenvolvido como um padro americano, est se tornando padro europeu e est prximo de entrar para os padres ISO. Algumas de suas vantagens so [20]:

Desenvolvido especificamente para automao e controle predial. Com isso, est voltado para suprir todas as necessidades especficas deste setor;

No depende de nenhuma tecnologia especfica de rede. Alm de no ficar preso a nenhuma tecnologia, o padro vem expandindo o nmero de tecnologias que podem ser usadas;

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No restringe o tamanho da aplicao. Pode ser completamente escalvel da pequena at uma grande aplicao;

Podem ser criadas funes especficas do fabricante sem alterar sua interoperabilidade e

Est em constante desenvolvimento e acompanha as necessidades do mercado.

5.2.1 Arquitetura

A arquitetura do BACnet segue um modelo simplificado do modelo ISO OSI. Utiliza quatro das sete camadas, aplicao, rede, enlace e fisca. O BACnet pode ser usado em cima de diversas formas de rede, como MS/TP em EIA-485, Point-to-Point em EIA-232, ZigBee e outros que podem ser vistos na Figura 5.6. Nessa figura, pode-se ver tambm qual a respectiva camada ISO OSI de cada modelo.

Figura 5.6. Camandas BACnet.

A norma BACnet no restringe a nenhuma topologia, ficando a critrio do modelo acima que for utilizado. O uso de rede ZigBee como opo de camada de enlace s foi adicionada em janeiro de 2009 [21].

5.2.2 Camada de rede e roteamento

A camada de rede no BACnet tem o objetivo de fazer com que mensagens possam ser enviadas de uma rede para outra independente da tecnologia utilizada na camada de enlace. Esta camada permite que sejam enviadas mensagens para um dispositivo especfico, broadcast em uma determinada rede ou broadcast para todas as redes. Cada dispositivo BACnet identificado por um nmero de rede e seu endereo MAC. Dispositivos que conectam duas redes BACnet so chamados de BACnet router, ou roteador BACnet.

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O datagrama da camada de rede possui tamanho varivel e chamado de NPDU (Network layer Protocol Data Unit). O datagrama APDU (Aplication layer Protocol Data Unit) est contido dentro do NPDU e ele contm a mensagem para a aplicao. O NPDU contm informaes obrigatrias e outras opcionais. As informaes obrigatrias so:

Verso: Atualmente o protocolo BACnet est na verso 1;

Controle: um byte de controle que contm informao de quais so os dados contidos na NPDU. O bit7 informa se a mensagem uma mensagem de rede ou se possui APDU. O bit6 e o bit4 so reservados. O bit5 determina se h a informao de destino e Hop Count, utilizados para roteamento. O bit3 determina se h a informao de fonte, tambm utilizado para roteamento. O bit2 determina se a mensgem espera resposta. Os bit1 e bit0 determinam a prioridade da mensagem de rede e

Vendor ID: O nmero que identifica o fabricante do equipamento, caso no possua 0.

As informaes opcionais so:

DNET, DLEN e DADR: So as informaes a respeito do endereo de destino da mensagem quando o destino se encontra em outra rede diferente da origem;

Hop Count: Nmero mximo de roteadores pelo qual a mensagem pode passar, para garantir que ela no fique em loop indefinidamente;

SNET, SLEN e SADR: So informaes a respeito do endereo do dispositivo que originou a mesagem que vem de uma outra rede diferente do destino;

Message Type: Tipo de mensagem de rede, quando este campo est presente no h APDU e

APDU: Mensagem que ser passada para a camada de aplicao.

Roteadores BACnet possuem diversos servios que podem ou precisam ser implementados para garantir o roteamento adequado. Estes servios no sero abordados e podem ser encontrados na documentao oficial da norma BACnet[22]. Para um dispositvo ser um roteador BACnet no basta ele poder receber mensagens de redes diferentes e enviar ao dispositivo final, ele tem que ser capaz de encontrar outros roteadores na rede e poder perguntar a cada um quais so os dispositivos que aquele roteador alcana e com isso manter sua tabela de endereos de roteamento atualizada. Alm desses servios, ainda exige outros auxiliares para inicializao, reinicializao e tratamento de erros na rede.

O roteamento entre duas redes BACnet onde existe apenas um nico roteador, e este j tenha sua tabela de endereos de roteamento atualizada, segue os seguintes

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procedimentos. O dispositivo que ir enviar a mensagem coloca no NPDU a informaao de destino, conforme foi mostrado acima, e envia a mensagem ao roteador. Este ir adicionar as informaes de fonte e remover informao de destino do NPDU e enviar a mensagem ao seu destino final. Este dispositivo recebe a mensagem com a informao de quem foi a fonte da mensagem e, caso precise enviar uma resposta, ir seguir os mesmos passos usados no envio da mensagem original.

5.2.3 Servios, objetos e propriedades Como dito anteriormente, BACnet orientado a objeto. Todo dispositivo BACnet possui um conjunto de objetos e cada um destes possuem um conjunto de propriedades. Toda informao que pode ser requisitada atravs de uma rede BACnet est contida dentro dos objetos. Desde seu desenvolvimento, o nmero de objetos vem crescendo. Na norma BACnet 2008 existem 31 objetos, desde ento foram lanados vrios addenda [23] que propem novos objetos. Os objetos no so restritos a estes, sendo que, caso haja a necessidade, pode-se criar novos objetos proprietrios. Estes no tero interoperabilidade, porm o dispositivo pode continuar operando em qualquer rede BACnet e apenas os objetos proprietrios no sero reconhecidos.

Todo dispositivo BACnet obrigado a possuir um objeto chamado BACnet Device, e no pode possuir outros objetos desse mesmo tipo. Esse objeto possui diversas configuraes a respeito do dispositivo. Esse objeto tem um cdigo que o identifica OID (Object_Identifier), e esse codigo nico na rede.

Todo objeto possui seu conjunto de propriedades. Ainda mais do que o nmero de objetos, o de propriedades vem crescendo desde sua primeira lista. Na primeira verso oficial da norma BACnet em 1995, existiam 123 propriedades e atualmente este nmero mais que dobrou. Cada objeto possui seu conjunto de propriedades, sendo que algumas so optativas e outras so obrigatrias. Tambm podem existir propriedades proprietrias porm elas podem no ser entendidas por outros fabricantes. Um dos objetos mais comuns o Analog Input. Algumas de suas principais propriedades obrigatrias so:

Object_Identifier: Cdigo identificador que identifica o objeto. Cada objeto nico dentro de uma rede com as trs informaes, Object_Identifier, Object_type e OID do objeto device;

Object_Name: Identifica o nome do objeto, uma string de no mnimo um caractere. Ex. Sensor Externo 2;

Object_Type: Tipo do Objeto. Ex. Analog_Input;

Present_Value: Valor atual, em unidades de engenharia. Ex. 2,63154 e

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Reliability: Indica o confiabilidade do valor em Present_Value. Os valores que esta propriedade aceita so: NO_FAULT_DETECTED, NO_SENSOR, OVER_RANGE, UNDER_RANGE, OPEN_LOOP, SHORTED_LOOP, UNRELIABLE_OTHER.

Os servios so os meios com que um dispositivo BACnet requisita informao de outro dispositivos, comanda outro dispositivo e anuncia o acontecimento de um evento. O pedido do servio se chama Service Request e sua resposta se chama Service Response. Toda a comunicao baseada nestes servios. Aquele que requisita o servio chamado de cliente, e aquele que responde de servidor, caracterizando a comunicao cliente-servidor. Porm, os dispositivos BACnet no so exclusivamente clientes ou servidores (exceo no caso do MS/TP), pois todos os dispositivos podem requisitar e responder servios. Por essa razo, cada dispositivo poder ser o cliente ou o servidor em determinado momento da comunicao. Existem cinco categorias de servios: alarme e eventos; acesso a arquivos acesso a objetos; gerenciamento de equipamentos; e terminal virtual. Os servios mais comuns so Who-is, I-am, Write-property e Read-property. Who-is um servio que no requer confirmao e pode ser enviado a um dispositivo ou em broadcast, que, ao receber este servio, caso ele seja um dos que requisitados, pode enviar o I-am. Este servio pode ser em broadcast ou em unicast para o dispositivo que tiver enviado o Who-is e tambm no requer confimao. Nele contm informaes a respeito do dispositivo. Esta conversa uma parte importante do BACnet para que se conhea quem so os outros dispositivos na rede. Write-property e Read-property so servios de leitura e escrita, respectivamente, de uma propriedade de um objeto. Ambos necessitam de confirmao, e na prpria confirmao j est a resposta do pedido.

5.2.4 BACnet MS/TP

Tambm conhecido como Master-Slave/Token-Passing, descreve como deve ser a comunicao BACnet numa rede em cima de EIA-485. Nessas redes temos o problema de que apenas um dispositivo na rede pode estar falando por vez. Para organizar isso, foi utilizado a tcnica de Token-Passing, onde existe um nico token na rede e apenas o dispositivo que estiver com o token pode iniciar servios. Devido ao fato do gerenciamento do Token pode ter um custo em processamento e em trfego na rede, os dispositivos BACnet foram separados em dois, mestre (master) e escravo (slave). Assim o escravo sempre servidor e o mestre poder ser cliente ou servidor caso haja outros mestres na rede. O token fica sendo passado apenas entre os mestres. Uma rede com um nmero grande de mestres em relao aos escravos corre o risco de ter mais mensagens de gerenciamento de token do que mensagens com informao trafegando na rede.

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5.2.5 BACnet/ZigBee

O uso do protocolo BACnet sobre uma rede wireless estava sendo estudado pela ASHRAE e diversos pesquisadores pelo mundo para encontrar a melhor soluo. Em janeiro de 2009, a ASHRAE lanou o addendum q [21]. Esse anexo sobre a norma BACnet define o ZigBee como camada de Enlace ou Data Link.

Dois clusters ZigBee precisam ser implementados para essa utilizao. O ZigBee Generic Tunnel cluster, que possui funes para tunelamento de protocolo, e BACnet Protocol Tunnel cluster, que possui a funo de envio da mensagem BACnet.

Para utilizar o ZigBee como uma camada de enlace foi definida uma camada de interface entre a camada de rede BACnet e o ZigBee, que foi denominada de BZLL (BACnet ZigBee Link Layer).A primeira responsabilidade dessa camada criar uma tabela virtual de endereamento (VMAC Table). O maior endereo MAC que o BACnet aceita de 7 bytes, porm a IEEE 802.15.4 define a utilizao de MAC de 64bits. Assim, ao invs de usar o MAC, utiliza-se o BACnet Identifier, que nico de cada dispositivo na rede. Essa camada faz a traduo e passa para a camada do ZigBee. Na Figura 5.7 pode-se observar como a interface entre as camadas.

Figura 5.7. Camadas BACnet/ZigBee [21].

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5.3 BITCLOUD ZIGBEE PRO STACK

Bitcloud uma pilha software para sistemas embarcados da Atmel. Foi desenvolvida para ser completamente compatvel com ZigBee PRO e possui um conjunto de APIs para facilitar no desenvolvimento e gerenciamento de redes ZigBee.

5.3.1 Arquitetura

A arquitetura desta pilha segue a separao lgica encontrada na IEEE 802.15.4 e nas especificaes ZIGBEE [13]. Ela separada em 12 camadas como mostrado na Figura 5.8.

Figura 5.8. Arquitetura Bitcloud.

As camadas do ncleo da pilha so ZDO, APS, NWK e MAC. So as camadas mais ligadas ao gerenciamento da rede. APS (Sub-camada de suporte a aplicao) a interface de mais alto nvel com a camada de rede. ZDO (ZigBee Device Object) responsvel pelo gerenciamento da rede. NWK (Network) e MAC (Medium Access Control) so as camadas que realizam as funes de rede como definidas nas especificaes ZigBee [13]. Estas devem ser transparentes ao usurio. HAL (Hardware Abstraction Layer) e BSP (Board Support Layer) so camadas de abstrao de hardware e inclusive recomendado que no se utilize nenhuma funo de mais baixo nvel para acesso ao hardware utilizando sempre que possvel as funes destas camada para isto. HWD e MAC PHY HWD so as camadas que fazem a interface de mais baixo nvel com o hardware, tambm transparentes ao usurio. O task manager o gerenciador de tarefa baseado em prioridades onde o tempo de execuo de cada tarefa crtico. A bitcloud tambm pode gerenciar a segurana da rede,

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como criptografar as mensagens, e o consumo de energia podendo o dispositivo dormir e acordar para economizar energia.

Por conveno, todas funes da API possuem a camada a que elas pertencem em letras maisculas seguida de um sublinhado antes do seu nome, por exemplo, ZDO_GetLqiRssi.

O Bitcloud orientado a eventos e sistemas desse tipo so comuns em sistemas embarcados, sendo assim chamadas de funes da API e so acompanhadas de funes de notificao assncronas com o resultado da operao. No programa, quando uma camada superior fizer um pedido para uma camada inferior, dever passar tambm um ponteiro para a funo de callback, que ser chamada quando a tarefa for completada. Apesar das principais funes da API serem assncronas, no so todas as funes da API que seguem esta estrutura. Todas as funes da camada BAC so sncronas. Figura 5.9 temos uma comparao entre chamadas sncronas e assncronas.

Figura 5.9. Comparao da execuo Sncrona x Assncrona, [24].

5.3.2 Callback, task handler e o agendador de tarefas

A aplicao responsvel por criar os callbacks, que so chamados pelas camadas inferiores, que iro tratar todos os eventos de interesse. Cada camada possui sua prioridade, senda a APL a de menor prioridade, e callbacks so executados com a prioridade da camada que os invocou e no da camada onde eles residem. Utilizando estas prioridades, o agendador de tarefas decide quais so as prximas tarefas a serem executadas. importante que callbacks da APL sejam executados em menos de 10 ms, caso contrrio a pilha fica presa naquela tarefa e no pode executar outras de maior prioridade enquanto esta no acabar.

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A camada de aplicao no executada somente atravs de callback, tambm possui o APL_TaskHandler. O task handler de cada camada executado com a prioridade daquela camada, assim sendo o APL_TaskHandler s executado quando todas tarefas de maior prioridade j tiverem sido executadas, e por isso sua execuo pode durar at 50 ms. Para postar uma tarefa para o agendador de tarefas, utiliza a funo SYS_PostTask que recebe como parmetro a camada do task handler a ser executado. Como o APL_TaskHandler pode ter uma execuo mais longa que callbacks, pode-se separar a execuo de um callback para que no ultrapasse o tempo limite. Para isso, basta salvar o estado da execuo e postar a tarefa para o agendador. Assim, quando o APL_TaskHandler for executado a tarefa do callback pode ser terminada.

CAPTULO 6 AMBIENTE DE TESTES

O trabalho realizado se caracteriza numa rede magnticos, uma central de alarmes, ar condicionado hbrido, duas placas mdulo com chip Zigbit e um como o sistema interligado.

Figura 6.1.

Os sensores sem fio das janelas e porta se comunicam com a central de alarmes, que est conectada ao mdulo sensor. Este mdulo se comunica com o coordenador que est conectado ao computador com o ActionView. O coordenador tambm se comunica com o mdulo atuador, e este est conectado controladora do ar condicionado hbrido

A sala sendo monitorada uma sala de reunio de 8laboratrio. O ar condicionado hbrido responsavel apenas pela refrigerao desta sala. O laboratrio possui ar condicionados prprios

AMBIENTE DE TESTES

O trabalho realizado se caracteriza numa rede wireless composta por quatro sensores magnticos, uma central de alarmes, ar condicionado hbrido, duas placas

e um desktop com o software Actionview. Na figura X podemos ver

Figura 6.1. Diagrama de Blocos do Sistema.

Os sensores sem fio das janelas e porta se comunicam com a central de alarmes, que est conectada ao mdulo sensor. Este mdulo se comunica com o coordenador que est conectado ao computador com o ActionView. O coordenador tambm se comunica com o

o atuador, e este est conectado controladora do ar condicionado hbrido

A sala sendo monitorada uma sala de reunio de 8 m x 3 m e fica dentro de um laboratrio. O ar condicionado hbrido responsavel apenas pela refrigerao desta sala. O

o possui ar condicionados prprios.

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por quatro sensores magnticos, uma central de alarmes, ar condicionado hbrido, duas placas meshbean, um

Na figura X podemos ver

Os sensores sem fio das janelas e porta se comunicam com a central de alarmes, que est conectada ao mdulo sensor. Este mdulo se comunica com o coordenador que est conectado ao computador com o ActionView. O coordenador tambm se comunica com o

o atuador, e este est conectado controladora do ar condicionado hbrido

m e fica dentro de um laboratrio. O ar condicionado hbrido responsavel apenas pela refrigerao desta sala. O

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6.1 AR CONDICIONADO HBRIDO

O ar condicionado hbrido foi projetado de forma a garantir conforto trmico e economizar energia. um sistema hbrido, porque nesse contm um ar condicionado evaporativo e convencional. O evaporativo puxa o ar externo, umidifica e ventila para dentro da sala o ar resfriado e umidificado. Esse sistema utiliza menos energia, porm possui uma capacidade menor de resfriar um ambiente, se comparado ao convencional. O convencional no utiliza o ar externo, apenas refrigera e re-circula o ar ambiente, ele resfria o ambiente mais rpido e, geralmente, diminui a umidade do ar. O ar condicionado convencional gasta mais energia que o evaporativo. O ar condicionado hbrido fica alternando entre seus modos de operao e assim consegue controlar umidade e temperatura. Logo se economiza energia e manter conforto trmico[25].

6.2 CENTRAL DE ALARMES PPA

O modelo Cdigus 5 plus da PPA alarmes foi o utilizado por ser vivel economicamente e de muito fcil manipulao. Esse painel de alarmes microcontrolado e possui 5 zonas. Esse modelo possui a limitao de no funcionar adequadamente se duas zonas estiverem abertas ao mesmo tempo, pois ela s processa um sinal de cada vez. Entretanto, isso no interferiu no andamento do projeto.

Figura 6.2. Central de alarmes PPA.

6.3 SENSORES DE ABERTURA

Comercialmente denominados sensores magnticos. So dispositivos baseados em pequenos componentes chamados reed-switch. So instalados em portas, janelas e em

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outros lugares onde se permita um movimento de abertura ou separao entre duas partes, pois a separao entre o reed-switch e um m que compe o conjunto que ir gerar a informao para a central de que houve uma abertura indevida do local monitorado [26]. Esses sensores sero os dispositivos que percebero a informao e enviaro central de alarmes. Eles podem estar ligados central fisicamente atravs de fios (hardwired) ou transmitir seus sinais por meio de ondas de rdio, denominados de sensores sem-fio (wireless).

6.3.1 Sensor magntico sem fio

O componente principal desse sensor o reed-switch (reed palheta, switch interruptor/chave), que se constitui de duas lminas metlicas prximas uma da outra e inseridas em uma ampola de vidro. A Figura 6.3 representa esse dispositivo.

Figura 6.3. Reed-Switch, [26].

Cada lmina est ligada a um terminal externo. Quando expostas a um campo magntico, as lminas so atradas uma sobre a outra, o que estabelece em contato eltrico entre as mesmas. Quando elas se encontram nesse estado, diz-se que esto com os contatos fechados. Quando se desencostam uma da outra, diz-se que esto com os contatos abertos. Alguns fabricantes estimam que um reed-switch pode cumprir 10 milhes de ciclos de abertura e fechamento [26]. A abertura dos contatos do reed-switch ativa o transmissor ao qual ele est ligado que, por sua vez, envia seu sinal ao circuito receptor de RF da central de alarmes. As freqncias de transmisso variam conforme o modelo e fabricante: 315,00; 392,00; 433,00 e 868,00 MHz, por exemplo. Tais freqncias esto dentro de bandas de freqncias destinadas ao uso industrial, cientfico e mdico, assim estabelecidas internacionalmente (ISM Band industrial, scientific and medical). A Figura 6.4 apresenta o modelo utilizado no projeto.

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Figura 6.4. Sensor magntico.

Este modelo alimentado por uma bateria de 12 V tipo 23AE. O manual de instalao da central explica que comandos devem ser dados na central para que esta entre no modo de aprendizagem (modo em que a central poder receber e memorizar os sinais dos transmissores). A distncia mxima do sensor central varia de acordo com o modelo e a instalao. Quando o sensor transmite o seu sinal sem haver qualquer obstculo entre ele e a central, pode-se ter uma distncia aproximada de 30 metros[26]. Quando h a presena de obstculos fsicos essa distncia pode diminuir, principalmente ser forem metlicos.

Nas Tabela 6.1 e Tabela 6.2, encontram-se as configuraes bsicas, respectivamente, do sensor magntico e da central de alarmes utilizados no projeto.

Tabela 6.1. Caractersticas eltricas do sensor PPA.

Consumo em operao 6.5 mA

Freqncia de Operao 433 MHz

Tenso Mxima de Operao 13 V

Consumo Stand-by 1 a 3 A

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Tabela 6.2. Caractersticas eltricas da central PPA.

Modelo Codigus 5 Plus

Entrada rede 127 ou 220 Volts AC 20W

Sada Auxiliar 12 14 Volts DC

Tenso de Carga da Bateria 12.5 Volts DC MAX 700 MA

Setores de Alarme 5 setores

Temperatura de operao 20 a 70

Dimenses 215 x 195 x 80 mm

Peso 1.548 Kg sem bateria

6.3.2 Sistema com radiofreqncia

A comunicao via radiofreqncia (RF) ou ondas de radio de longo alcance (Long Range Radio) caracteriza-se por no usar um meio fsico, parecido com a comunicao via rede de telefonia celular (voz e GPRS). A central de alarmes ligada a um transmissor que envia os sinais de alarme e estado do sistema por intermdio de uma antena.

A central de alarmes utilizada possui um receptor de RF incorporado placa e uma memria para 30 dispositivos sem fio.

6.3.3 Instalao dos sensores

Um dos sensores foi instalado na porta e os outros em cada uma das janelas existentes na sala de reunio do laboratrio de automao e robtica (LARA). Cada vez que uma janela ou a porta da sala aberta, o sensor magntico comunica central PPA. Na central existe um Led correspondente a cada sensor instalado e esse se apaga quando h essa comunicao. O normal que os quatro leds utilizados estejam acesos e s se apaguem se algum setor for violado (ser aberto). Para cada led h um resistor de proteo com uma tenso, em mdia, de 2.5 V se o led estiver aceso e 0 V quando apagado. Ento, aproveitou-se desses resistores para obter o sinal que ir entrar na placa Meshbean2. Dessa forma, tem-se em tempo real a situao da porta e das janelas. Na Figura 6.5, pode-se obervar essas conexes.

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Figura 6.5. Foto dos resistores da central com a adaptao realizada.

Essa placa Meshbean enviar ao coordenador, toda vez que for solicitada por esse, o estado dos sensores. O coordenador tambm uma placa Meshbean2 s que programado de forma diferente. Ele ficar conectado ao computador por cabo USB, e, por isso, o supervisrio saber o estado de todos os sensores.

Se algum sensor for aberto e permanecer nesse estado por mais de 2 minutos, o supervisrio dar a mensagem para que o coordenador, por meio de comunicao sem fio, envie um comando ao mdulo atuador, existente no quadro de rels, para que seja desligado o sistema de ar condicionado.

Inicialmente, encontrou-se um problema, os sensores apenas enviavam um pulso central quando a regio era violada e esta por sua vez disparava o alarme. O que condiz com o propsito do sistema disponvel para o projeto, pois esse utilizado comercialmente para gerar alarme de intruso e no para monitorar o ambiente. Por isso, necessitou-se fazer alguns ajustes nos sensores, j que o interesse que o sinal emitido pelo sensor seja binrio, que esteja em um nvel lgico quando estiver aberto e em outro nvel lgico quando estiver fechado.

Para tanto, montou-se um circuito que foi acoplado ao do sensor. Esse constitudo por dois resistores de 4K7 ohms e um transistor BC 548. A bateria do sensor alimentar o circuito. Utilizou-se o jumper de comunicao existente no sensor para se obter um sinal binrio. Quando esse jumper possui seus terminais em curto circuito fica a todo instante enviando sinal central. A Figura 6.6 demonstra esse circuito.

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Figura 6.6. Circuito acrescentado ao sensor magntico.

Aps a insero desse circuito em cada um dos sensores o sinal passou a ser binrio como necessrio. Quando a rea estiver aberta, h comunicao entre o sensor e a central. O prximo passo foi utilizar o sinal de cada resistor de proteo dos leds da central. S que, para isso, montou-se outro circuito com a finalidade de colocar um terra comum para as tenses de sada dos resistores. Para tanto, foi necessrio quatro optoacopladores e quatro resistores de 4k7 ohms para proteger a placa de possveis picos de tenso. O desenho esquemtico desse circuito pode ser visto na Figura 6.7 e a Figura 6.8 mostra uma fotografia de todas as ligaes da central com o circuito optoacoplador e com a placa Meshbean2.

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Figura 6.7. Circuito optoacoplador

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Figura 6.8. Ligaes central, circuito optoacoplador, placa meshbean2.

Depois de todas essas modificaes foi possvel ver o estado de todos os setores monitorados atravs do supervisrio Action View. Quando, por exemplo, abre-se uma janela observa-se pelo monitor do computador essa mudana. Posteriormente o desafio foi programar o Zigbit existente na placa atuadora para que esse recebesse o comando do coordenador de desligamento do ar condicionado.

6.4 ZIGBIT

Zigbit um chip desenvolvido pela Meshnetics (atualmente faz parte da ATMEL). Ele a juno de dois chips dentro de um s, um microcontrolador ATMEGA1281 e um RF transceiver AT86RF230 compatvel com IEEE 802.15.4 com frequncia de 2.4 GHz. Alm desta verso, h tambm a verso que inclui um dual-chip Antena, eliminando assim a necessidade de uma antena externa. Existem outras verses alm destas, porm no sero abordadas neste trabalho. A Figura 6.9 ilustra a interface entre estes componentes dentro do Zigbit.

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Figura 6.9. Zigbit.

O ATMega1281 um microcontrolador de RISC de 8bits. Possui 128 kB de memria flash, 8 kB de RAM e 4 kB de EEPROM. Possui tambm interfaces ADC, I/O de uso geral, compatvel com J-Tag, UART, USART, SPI, I2C, IRQ e 1-wire [27] . Este chip compatvel com Bitcloud e foi escolhido como a melhor opo para este trabalho por j possuir uma biblioteca com a pilha ZigBee j implementada.

6.4.1 Meshbean2 board

A placa Meshbean2 faz parte de um kit de desenvolvimento da Meshnetics para facilitar o primeiro uso do Zigbit. Possui uma interface facilitada para diversos dos possveis usos do mdulo Zigbit. Esta placa possui sensor de temperatura, sensor de luz, trs LEDs programveis, trs DIP switch, dois botes programveis e um de reset e interface USB-UART para facilitar a comunicao serial com o computador. Tambm h a possibilidade de se acessar diversos pinos ADC, GPIO, I2C, SPI e J-Tag por uma interface na lateral da placa. Na Figura 6.10, observa-se uma imagem da placa.

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Figura 6.10. Placa Meshbean.

6.5 GRAVADOR

Esse mdulo, desenvolvido por trabalhos anteriores [28], foi necessrio para fazer a gravao dos programas no mdulo Zigbit. Foi por meio dele, que o cdigo responsvel pelo controle liga-desliga do ar condicionado foi transferido ao Zigbit anexado ao quadro de rels.

As Figura 6.11 e Figura 6.12 apresentam, respectivamente, uma imagem do mdulo gravador e seu esquema eltrico.

Figura 6.11.

Figura 6.12.

6.6 ATUADOR

O atuador (Figura 6.13) o dispositivo que comanda o sistema de ar condicionado hbrido. No presente trabalho, ele ter a funo de gerenciar apenas o rel que far o ldo ar condicionado, alm de enviar ao coordenador o est conectado ao ventilador do ar condicionado, assim caso o ventilador seja desligado todo o sistema desligado.

Figura 6.11. Mdulo Gravador, [28].

Figura 6.12. Esquema eltrico do Mdulo Gravador, [28]

) o dispositivo que comanda o sistema de ar condicionado hbrido. No presente trabalho, ele ter a funo de gerenciar apenas o rel que far o ldo ar condicionado, alm de enviar ao coordenador o status deste equipamento. Este rel est conectado ao ventilador do ar condicionado, assim caso o ventilador seja desligado

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[28].

) o dispositivo que comanda o sistema de ar condicionado hbrido. No presente trabalho, ele ter a funo de gerenciar apenas o rel que far o liga-desliga

deste equipamento. Este rel est conectado ao ventilador do ar condicionado, assim caso o ventilador seja desligado

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Figura 6.13. Mdulo Atuador [28].

6.6.2 Rel de Estado Slido

Um dispositivo muito utilizado para acionamento de cargas de corrente alternada so as chaves estticas. Elas promovem o chaveamento da potncia fornecida pela carga, liga e desliga, mas no a modifica em nenhum outro aspecto. Chaves estticas, disjuntores, contactores e rels de estado slido so exemplos de dispositivos utilizados na rea de chaveamento esttico [29]. Utilizou-se o rel SSR T2405Z-M da Teletrom existente na sala de reunio do LARA para se fazer o controle liga-desliga do ar condicionado. O esquema eltrico desse rel pode ser visto na Figura 6.14.

Figura 6.14. Esquema eltrico SSR Teletronic

6.7 REDE

Ao todo, existem trs redes. Uma rede ZigBee, composta pelos sistemas embarcados, uma rede BACnet/ZigBee, composta pelos m