Transmissão de dados via rede elétrica

Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da

disciplina:

DAS 5511: Projeto de Fim de Curso

Gabriel Alan Gehm Marques

Florianópolis, agosto de 2004

Agradecimentos

Esta página é destinada a fazer uma singela homenagem a todos os que de alguma forma ajudaram ou

acreditaram nos objetivos deste trabalho, que não termina com a apresentação do projeto de fim de curso,

mas tem início nela. Alguns por já me conhecerem pessoalmente ou ao meu trabalho, outros com o

objetivo de ajudar a desenvolver tecnologias e empreendimentos inovadores neste país. Espero atender às

expectativas daqueles que em mim acreditaram.

Tantas pessoas participaram de alguma forma que não posso citar todos, mas de uma forma muito

especial agradeço:

- Ao Augustinho e ao Prof. Barcellos, que têm o mesmo espírito entusiasta, pelo apoio e positivismo com

que abraçaram este projeto, mantendo sempre em alta o animo da equipe de desenvolvimento.

- Ao Prof. Daniel, que passou algumas horas revisando minuciosamente esta monografia, e mesmo dando

apoio, me manteve com os pés no chão.

- À Franciele, minha namorada, que não me deixava desistir de nada, que me abraçou, me consolou, me

apoiou nos momentos difíceis e me ensinou muito sobre amar a vida. É simplesmente minha família aqui

em floripa.

- Ao Caiubi, que solucionou nossos problemas com fontes chaveadas, e emprestou um livro [ 10 ] que

ainda vou devolver.

- Ao Cirilo, sócio desta empreitada e de trabalhos futuros, nós dois batalhamos lado a lado nos últimos

nove meses, e ainda antes, contra realimentados e outros dragões. Ele confiou em mim mais do que eu

mesmo em alguns momentos.

- Ao Celso Cavalli, um modelo a ser seguido, com sua visão que vai além de qualquer equipe de

engenheiros, e que além de apoio moral patrocinou grande parte do projeto.

- Ao Provin e ao Anderson, que tomaram decisões e criaram conosco, integrantes adicionais da equipe.

- Ao pessoal do Inep, que já está cansado de ouvir as mesmas estórias pedindo pra confeccionar placas de

circuito impresso e doar componentes difíceis de achar.

- Ao mestre Melga, que nos permitiu utilizar seu laboratório tantas vezes e nos iluminou com seus

conselhos.

- E é claro, a meu pai, Daniel Marques, e minha mãe, Ingrid Gehm, a quem agradeço por nada mais nada

menos que a minha vida.

Resumo

A motivação que levou à escolha do tema deste projeto foi a percepção de que os dois maiores obstáculos

à automação de residências atualmente são a ausência de suporte à transmissão de sinais e o custo elevado

das soluções existentes. Um esforço conjunto de dois alunos de graduação foi realizado na busca e

desenvolvimento de várias soluções de automação de baixo custo, dando origem a dois projetos de fim de

curso. O trabalho aqui apresentado descreve a implementação de uma tecnologia para a transmissão de

informação digital através

da rede elétrica doméstica, como suporte e meio de integração destas soluções.

Os primeiros capítulos descrevem as justificativas da escolha, que levou ao desenvolvimento do sistema

denominado TaT, e as dificuldades que foram superadas. A seguir o resultado da coleta de informações

sobre tecnologias existentes é apresentado, dando inicio às etapas de desenvolvimento como transmissão

de portadoras e codificação de sinais. Terminando com a criação de um protocolo de rede bidirecional e

robusto, e a apresentação de resultados finais.

Como o trabalho além de uma pesquisa acadêmica, visa o desenvolvimento de produtos comerciais e

aplicações que utilizarão o sistema de transmissão, algumas decisões de projeto foram pragmáticas e

visando o mercado.

Sumário

Agradecimentos

Resumo

Sumário

Índice de tabelas e figuras

Simbologia e terminologia

Capítulo 1: Introdução

1.1: Contexto

1.2: Justificativa

1.3: Objetivo

1.3.1: Metodologia

1.4: Origens da tecnologia pesquisada

1.5: Solução buscada

1.5.1: Forma de abordagem

Capítulo 2: Breve história da transmissão de dados via rede elétrica

2.1: PLC no Brasil

2.2: Mercado

2.2.1: Os competidores

2.3: Legislação e regulamentações

2.3.1: Legislação brasileira para PLC

Capítulo 3: O desafio encontrado

3.1: Tensões elevadas

3.2: Interferência com eletrodomésticos

3.3: Meio de transmissão ruidoso

3.3.2: Fontes chaveadas

3.3.3: Dimmers

3.3.4: Fluorescentes compactas

3.4: Atenuação de Sinal

3.4.1: Impedância variável

3.4.2: Indutância elevada dos fios

3.4.3: Filtros EMC de eletrodomésticos

3.5: Distorção de sinal

3.6: Instalações trifásicas

Capítulo 4: Desenvolvimento de um sistema de transmissão via rede elétrica

4.1: A transmissão de uma portadora

4.1.1: Recuperação e detecção da portadora

4.1.2: Avaliação da qualidade de sinal

4.1.3: Determinação da freqüência

4.2: Codificação do sinal

4.2.1: Protocolo DTMF

4.3: Modulação da portadora

4.4: Implementação de um par transmissor/receptor

4.4.1: Diagrama do transmissor

4.4.2: Diagrama do receptor

4.5: Uso de um microcontrolador

4.5.1: Características necessárias

4.5.2: O microcontrolador escolhido

4.6: O trabalho de instrumentação

4.7: Problemas encontrados na implementação do sistema

4.7.1: Necessidade de sincronia com a rede

Capítulo 5: A segunda geração do sistema de transmissão de dados

5.1: Definição do campo de aplicação

5.2: Busca de uma nova codificação

5.2.1: Diagrama em blocos do codificador

5.2.2: Simplificando a eletrônica

5.3: Detecção do sinal

5.3.1: Diagrama do decodificador

5.4: Construção dos circuitos

5.4.1: Diagrama esquemático do decodificador

5.4.2: Simplificação do receptor

5.5: Determinação da velocidade de transmissão

5.5.1: Testes de velocidade

5.5.2: Limitação da detecção

5.5.3: Sincronia com o zero

5.6: Transmissão de bytes

5.7: Transmissão bidirecional

5.7.1: Utilização de um display de cristal líquido

5.7.2: Conclusão da camada física

5.8: Trabalho de programação

5.8.1: Utilização dos recursos do microcontrolador

5.8.2: Estruturação do programa

5.9: Protocolo de rede

5.9.1: Protocolo próprio ou padronizado

5.10: Implementação de um protocolo próprio

5.10.1: Descrição do protocolo

Capítulo 6: Aplicação do sistema e resultados obtidos

6.1.1: Contagem de falhas

6.1.2: O testador de rede

6.1.3: Estatísticas obtidas

6.1.4: Confecção do testador

Capítulo 7: Conclusões e Perspectivas

Bibliografia:

Anexo I - Diagrama esquemático do módulo TaT

Capítulo 1: Introdução

Este trabalho descreve a implementação de uma tecnologia para a transmissão de informação digital

através da rede elétrica doméstica, como suporte para aplicações de automação residencial de baixo custo.

1.1: Contexto

Através de informações obtidas no decorrer da graduação, soube-se que a construtora Conceito &

Moradia, com sede em Curitiba-PR, desejava ingressar no mercado de automação residencial. Foi aberta

assim uma possibilidade de mercado para gerar e implantar sistemas para automação residencial para a

construtora.

O desenvolvimento de produtos neste ramo exige conhecimentos na área de eletrônica e tratamento

eletrônico de sinais, eletrônica digital, microcontroladores e conceitos sobre sistemas de controle e

sistemas de informação. Estes tópicos foram amplamente estudados no curso, gerando a motivação para

realizar pesquisas e desenvolver produtos.

1.2: Justificativa

Um grande obstáculo à automação de residências é a inexistência de suporte à transmissão de dados e

sinais, indispensáveis para esta finalidade, nas casas e prédios construídos até a atualidade.

Este fator exige a implantação de tal suporte em uma construção não projetada para receber instalação

adicional de cabos. O que implica na necessidade de quebrar paredes, contratar mão de obra

especializada, interromper atividades de ambientes comerciais e grande incômodo para moradores, ou

resumidamente, investimento elevado de tempo e dinheiro.

Constatou-se que o desenvolvimento de uma tecnologia capaz de propiciar este suporte com o mínimo

possível de intervenção na construção é uma necessidade.

1.3: Objetivo

As alternativas disponíveis para transmissão de dados sem instalação de cabos e conduites adicionais são

as comunicações via rádio (wireless), via rede telefônica ou via rede elétrica.

Como se deseja criar futuramente uma pequena empresa, capaz de fabricar e possivelmente instalar o

suporte à automação, o custo dos dispositivos realizadores da tarefa foi bastante ponderado, e a conclusão

final foi a de que a tecnologia de melhor custo-benefício é a de transmissão de dados via rede elétrica.

O objetivo deste trabalho consiste em desenvolver uma tecnologia que sirva de base para aplicações que

necessitam de transmissão de dados e sinais em ambientes não projetados para tal finalidade, utilizando a

rede elétrica como meio de transporte.

As taxas de transmissão que se deseja alcançar são baixas, suficientes apenas para atender soluções

simples de automação residencial, como controle de iluminação, aquecimento, portões, alarmes e

medições.

Desta forma é possível atender ao objetivo secundário do trabalho: produzir dispositivos para automação

residencial a um preço competitivo, com um custo de desenvolvimento viável.

1.3.1: Metodologia

Para o desenvolvimento deste trabalho foi necessário buscar conhecimento sobre as tecnologias já

existentes no setor, e informação sobre quais os pontos em que seria melhor investir.

Para este propósito foi montado um pequeno laboratório com os equipamentos e materiais já disponíveis,

acumulados em função de um hobbie, para dar início à pesquisa.

A metodologia adotada foi a de realizar ciclos de desenvolvimento, cada um iniciando com uma definição

de um objetivo, pesquisa da solução, projeto e implementação e finalmente, experimentação.

1.4: Origens da tecnologia pesquisada

É bem provável que em uma residência comum, não preparada para suportar sistemas de automação,

existam tomadas e cabos elétricos em todos os cômodos, e em vários pontos dentro de cada sala, quarto,

garagem.

Este fator foi percebido por muitas empresas nos últimos anos, e estas passaram a mudar seu foco que era

na rede pública de distribuição, da subestação ao contador das casas, para o interior destas [ 2 ]. Tais

empresas começaram então a desenvolver produtos para duas áreas distintas:

· Interconexão de computadores, acesso à internet e comunicação de computadores pessoais com

periféricos como telas de TV e caixas de som para entretenimento. Estas aplicações têm em comum as

tecnologias empregadas e velocidades de transmissão.

· Controle de itens como lâmpadas, aplicações específicas, climatização, sistemas de alarme e simulação

de presença, controle de regadores e cisternas. Aplicações que utilizam taxas de transferência baixas,

dados

esporádicos, e maior robustez. [ 2 ]

Desde 1978 a rede de lojas Radio Shack vende um sistema denominado X10, que consiste de uma central

de controle e vários módulos, cada um contendo duas chaves de 16 posições através das quais é possível

definir um número para cada um, ligá-lo a uma tomada e a ele o dispositivo que se deseja controlar.

Após o pioneirismo da X10 Ltda., de Hong Kong, algumas outras têm surgido com produtos similares,

estas serão discutidas no decorrer deste documento.

1.5: Solução buscada

As tecnologias empregadas na transmissão de dados via rede elétrica são derivadas diretas das pesquisas

na área de telecomunicações, e utilizam portadoras de alta freqüência para carregar a informação

desejada.

Algumas usam um amplo espectro de portadoras, o que permite altas taxas de transmissão, mas a um

custo mais alto e maior sensibilidade a ruídos e distorções, além de problemas com a regulamentação de

transmissões de radiofreqüência.

Outras empresas investiram em uma portadora única, ou uma faixa restrita de freqüências, menos

susceptíveis à interferência, utilizando uma miríade de protocolos de modulação e de rede.

A exemplo da X10 Ltda., que utiliza uma portadora única de 120kHz e com base em pesquisas

bibliográficas decidiu-se que a melhor solução seria a utilização de apenas uma ou duas portadoras, e

como protocolo de modulação, buscou-se inicialmente alguma tecnologia já documentada.

1.5.1: Forma de abordagem

Como este projeto foi realizado sob a forma de ciclos de desenvolvimento, cada um consistindo de uma

meta para o avanço do produto a ser criado, a apresentação dos trabalhos realizados consistirá

inicialmente do detalhamento dos problemas a serem enfrentados, ainda que estes tenham sido

descobertos no decorrer do desenvolvimento, e então uma descrição cronológica de cada etapa cumprida.

(*) Sobre o autor:

Gabriel Alan Gehm Marques (gabriel.marques@gmail.com) é engenheiro de controle e automação

industrial (UFSC 2004) e trabalha atualmente no setor de Convergência Digital do Instiuto Sapientia.

Durante a graduação trabalhou com projetos de monitoramento ambiental, web services e transmissão de

dados via rede elétrica, e profissionalmente atuou com pesquisa e desenvolvimento de produtos de

eletrônica microprocessada e redes industriais.

Atualmente é integrante do projeto INSTINCT (http://www.ist-instinct.org/), onde atua no

desenvolvimento de aplicações para TV Digital utilizando Bluetooth e GPRS como canal de retorno,

assim como em projetos de aplicações corporativas para smatphones.

Principais áreas de interesse técnico: telefonia móvel, tecnologia Java (J2SE, J2ME, JavaTV

principalmente), eletrônica embarcada, automação residencial e PLC.

Capítulo 2: Breve história da transmissão de dados via rede elétrica

Em meados de 1920 pelo menos duas patentes americanas foram registradas na American Telegraph and

Telephone Company sobre o assunto “Carrier Transmission Over Power Circuits”, e as patentes

1.607.668 e 1.672.940 de 1924 contém sistemas para transmitir pulsos de telégrafo sobre uma rede

trifásica [ 6 ], o que mostra a quanto tempo se pretendia aproveitar a fiação existente.

Pesquisas na área de transmissão de dados via rede elétrica estão sendo realizadas com certa seriedade

desde 1950, mas esta nunca foi considerada uma alternativa viável devido às baixas velocidades de

transmissão, pouca

funcionalidade e altíssimos custos de desenvolvimento da tecnologia na época.

Mas a indústria microeletrônica se desenvolveu, os custos caíram, e o assunto se tornou mais seriamente

estudado, passando a ser conhecido no mercado sob a sigla PLC (Power Line Communications).

Inicialmente o foco das indústrias que pesquisavam a tecnologia eram as redes elétricas acima de 10KW,

visto que os custos das soluções existentes eram muito elevados e só se justificavam em transmissões de

sinais de controle entre centrais elétricas e subestações [ 3 ].

A primeira técnica a fazer uso da tecnologia era o método “Ripple Control”, que se caracterizava pelo uso

de freqüências de 100 a 900Hz, fornecendo taxas muito baixas de transmissão e necessitando de potências

de transmissão elevadas, sendo usado para controle de iluminação pública e distribuição de carga.

Em meados de 1980 experimentos com freqüências mais elevadas foram realizados na Europa, e nos

Estados Unidos a tecnologia SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) foi desenvolvida

buscando determinar a atenuação da rede elétrica e sensibilidade a ruídos em função da freqüência, na

faixa de 5 a 500kHz.

Atualmente algumas soluções chegam a utilizar 72 portadoras de alta freqüência simultaneamente,

atingindo taxas de transmissão de ordem de 45Mbps, e implementando protocolos de rede robustos, com

suporte à criptografia.

É importante ressaltar que a documentação, normas, artigos e trabalhos comumente encontrados sob a

sigla PLC fazem referência apenas ao uso desta tecnologia em redes de computadores e acesso à Internet.

Já o foco deste trabalho é a aplicação da mesma para automação residencial.

2.1: PLC no Brasil

O primeiro e mais alto investimento no país veio da Cemig (Companhia Energética de Minas Gerais), que

utiliza a tecnologia X10 para distribuir igualmente a energia durante as horas de pico de demanda.

Para ter essa capacidade a companhia substituiu os disjuntores padronizados de 40A das residências por

dois de 20A, sendo que um deles pode ser desligado remotamente pela central, limitando a carga máxima

que cada residência pode consumir. Para convencer os moradores a mudarem para esse sistema o preço

pela utilização de eletricidade fora das horas de pico é reduzido.

A companhia também utiliza a tecnologia para realizar a leitura automática do consumo elétrico e

controlar a iluminação pública. Cada casa tem um medidor que armazena as informações de consumo, e

em cada transformador de distribuição existe uma central que coleta as informações das casas a cada mês.

Assim um funcionário pode conectar um computador portátil ao transformador da rua e realizar a leitura

de um bairro inteiro de uma só vez.

Outras companhias de distribuição de eletricidade como a COPEL (PR), Celg (GO), Light (RJ),

Eletropaulo (SP) e Excelsa estão implantando acesso à Internet via rede elétrica em residências, apenas

como teste, em Curitiba e Goiânia, e pretendem disponibilizar o serviço ao público até o fim de 2005.

2.2: Mercado

Mas surgimento de tecnologias de transmissão de dados via rede elétrica mais baratas e confiáveis fez

com que o foco de algumas empresas se voltassem para dentro das residências, além das redes de

transmissão, e em 1978 a X10 Ltda lançou no mercado seus primeiros produtos na área residencial e

outras empresas como a Echelon Corp. e consórcios internacionais já desenvolveram padrões e

arquiteturas específicas para automação predial e residencial.

O maior mercado das redes residenciais de dados atualmente é o que envolve controle: aquecimento,

ventilação, sistemas de ar-condicionado, iluminação, motobombas, regadores de jardim e segurança [ 2 ],

estas aplicações estão associadas ao conceito de “casa inteligente”, e alguns fabricantes de

eletrodomésticos de alto valor já utilizam o recurso para que estes avisem o fabricante e emitam relatórios

em caso de falha.

De acordo com Navin Sabharwal, um analista da Allied Business Intelligence em Nova Iorque, o total de

investimentos na área atingiu U$2.75 bi. em 2000.

No Brasil este mercado está começando a ser explorado apenas recentemente, por empresas estrangeiras

principalmente, mas algumas pesquisas buscando desenvolver tecnologia nacional estão sendo

conduzidas em universidades e empresas de tecnologia.

A consolidação da automação residencial e acesso rápido à Internet como mercados muito lucrativos

movem hoje uma miríade de pesquisas nestas áreas, e empresas apostam na comunicação via telefone, via

rede elétrica e via rádio como as soluções mais promissoras.

Conectores de telefone provavelmente não estarão disponíveis em todas as peças de uma casa, e

comunicações sem fio ainda apresentam problemas de interferência com vizinhos, problemas de

privacidade e regulamentação de

transmissões. Tais fatores animaram ainda mais as pesquisas na área de comunicação via rede elétrica.

2.2.1: Os competidores

O principal nome em soluções para automação residencial e predial via rede elétrica atualmente é a

Echelon Corporation, com seu padrão “aberto” LonWorks®, que pode ser utilizado por indústrias que

desejem produzir dispositivos nesta área.

A proposta desta empresa é que qualquer empreendedor que deseje iniciar uma produção voltada à

automação residencial pode utilizar a arquitetura LonWorks®, que realiza apenas a comunicação

propriamente dita, como quiser, para implementar livremente soluções para automação residencial e

predial, ficando livres de ter que desenvolver tudo do zero.

Mas os únicos circuitos integrados que implementam tal protocolo são os Neuron® Chips, da própria

Echelon, e alguns analistas de mercado apontam a adoção de tal arquitetura como uma armadilha, uma

vez que as empresas que seguirem este caminho, a grande maioria, serão totalmente dependentes do

fornecimento e preços da Echelon.

Outro padrão que teve seu desenvolvimento iniciado em 1987 por um consórcio de empresas é o

BACnet®, que diferentemente de padrões como o ModBus, visa atender às necessidades específicas da

automação predial e

residencial.

Este padrão é realmente aberto, porém desatualizado em muitos pontos, inclusive por ter surgido quando

a Internet não tinha importância, e cobre também a camada de aplicação [ 2 ], não deixando espaços para

novas aplicações ou inovações. Isto levou a formação de várias associações que visam regulamentar este

campo como:

Power Line Communications Association

United Power Line Council

PLC Forum

HomePlug Alliance

Aqui no Brasil, apesar de não haver nada tão específico, existem associações que discutem automação

predial e residencial em geral, como a Aureside (Associação Brasileira de Automação Residencial).

O fato de que a transmissão via rede elétrica é um campo aberto, tanto em termos de mercado quanto em

termos legais e normativos, fez com que os principais nomes da indústria mundial desenvolvessem seus

próprios padrões e produtos, entre eles: Intel, Cisco, Phillips, Microsoft, Mistsubishi, Motorola, Samsung,

Texas Instruments e Shell. Cada um com uma arquitetura, produto e soluções diferentes, o que serve

também para questionar os que argumentam que o mercado de comunicação via rede elétrica não será

competitivo com aplicações “wireless”.

2.3: Legislação e regulamentações

Quando se explora uma tecnologia nova é necessário considerar conseqüências da aplicação, e a

transmissão de dados via rede elétrica pode, entre outras coisas, interferir com as mídias de

telecomunicação já existentes de rádio e com eletrodomésticos.

Além disso, questões de segurança como radiação eletromagnética, robustez elétrica e contra incêndio,

privacidade e direitos do consumidor precisam ser definidas. A regulamentação de transmissões via rede

elétrica tem como principal requisito evitar conflitos com a comunidade de radiotransmissão e suas

normas, e para isso as freqüências que produtos PLC podem utilizar são restritas a certas faixas, assim

como a amplitude de sinal e tipo de modulação.

Duas normas são usadas como padrão internacional para o desenvolvimento de aplicações PLC [ 4 ]. A

norma americana da FCC (Federal Communications Commission), que permite qualquer comunicação

via rede elétrica desde que a portadora mais elevada esteja abaixo de 525kHz e a européia CENELEC

(Comité Européen de Normalisation Electrotechnique), que define faixas de freqüências para cada tipo de

transmissão como listado abaixo:

Banda A – de 9 a 95kHz – Para empresas de fornecimento de energia

Banda B – 95 a 125kHz – Para uso público sem protocolos

Banda C – 125 a 140kHz – Para uso público com protocolos

Banda D – 140 a 148,5kHz – Para uso público sem protocolos

Acima de 148,5kHz as comunicações via rede elétrica são proibidas

O conjunto de normas EN50065 da CENELEC regulamenta ainda os níveis de sinal, tipo de modulação

(banda base ou espectro amplo), interferência com eletrodomésticos, segurança dos desacopladores de

isolamento e acopladores de fase (explicados no decorrer do trabalho) e impedância de eletrodomésticos.

Adicionalmente a norma R205-006:1996, também da CENELEC, define protocolos de comunicação e

integridade de dados e a interface para aplicações.

Qualquer aplicação que atenda às normas da CENELEC estará automaticamente cumprindo as normas

americanas (FCC), japonesas (MTP) e canadenses, que são menos rígidas.

2.3.1: Legislação brasileira para PLC

O Brasil começou a discutir oficialmente a possibilidade de utilizar a rede elétrica como meio de

transmissão apenas quando companhias estrangeiras da área passaram a prestar seus serviços no país.

O primeiro encontro visando regulamentar esse tipo de transmissão de dados [ 5 ] foi realizado pela

ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações) com o apoio da Comissão Brasileira de

Telecomunicações 7 (CBC-7), em 4 de novembro de 2003.

Os resultados atuais deste encontro e outras reuniões não estão disponíveis ao público em geral, e foi

necessário realizar uma pesquisa mais aprofundada.

Mensagens enviadas a participantes do encontro não foram respondidas, e então se solicitou à ANATEL a

abertura de um processo de requisição de informações sobre o assunto “Regulamentação da Transmissão

de Dados via Rede Elétrica”.

A resposta fornecida pela agencia sobre a requisição 303159.2004 realizada foi: “A tecnologia de

Transmissão de Dados Via Rede Elétrica é considerada apenas uma tecnologia suporte de outros meios de

comunicação, e sendo assim não existe regulamentação específica a respeito” (sic). Nenhuma informação

sobre planos de

regulamentação futura foi citada.

Capítulo 3: O desafio encontrado

Este capítulo visa listar os principais obstáculos a serem vencidos a fim de implementar a passagem de

informação digital entre as tomadas e pontos de acesso à rede de uma residência.

A rede elétrica foi projetada para transmitir energia, e não dados. Esta simples afirmação resume uma

longa lista de características que diferem uma rede de transmissão de dados do meio físico que se

pretende utilizar. Estas características são exploradas a seguir.

3.1: Tensões elevadas

Utilizar eletrônica de tratamento de sinais que incorpora microcontroladores e circuitos de detecção,

juntamente com a rede elétrica, requer muito cuidado com isolamento. Adicionalmente, se o dispositivo

transceptor tiver contato direto com o usuário, as devidas normas de segurança deverão ser respeitadas.

A rede elétrica residencial de 220V corresponde a uma tensão de pico a picode 600V, e por estar ligada

diretamente às linhas de transmissão da rua, é suscetível a picos de tensão provocados por descargas

atmosféricas, variações de demanda e desligamento de indutores (motores) na mesma rede. Isso exige que

o transceptor seja capaz de injetar e detectar o sinal de transmissão através de um circuito de

isolamento (desacoplador), em meio a tais níveis de tensão.

3.2: Interferência com eletrodomésticos

A solução mais natural para que o sinal injetado seja capaz de atravessar um meio físico que carrega

potências elevadas é injeta-lo com grande amplitude.

No entanto alguns eletrodomésticos desenvolvidos até então, ainda que projetados considerando ruídos de

rede, podem sofrer interferência e malfuncionamento na presença de portadoras de freqüência elevada.

Televisores, rádios, aparelhos controlados por tiristores e outros que incorporam eletrônica sensível a

interferência são exemplos de eletrodomésticos que exigem que os níveis de sinal da transmissão sejam

baixos. Imposição conflitante com os requerimentos do circuito de detecção.

3.3: Meio de transmissão ruidoso

As normas que regulamentam a geração de ruídos por parte de eletrodomésticos são vagas e a forma

como a energia é distribuída não considera restrições à propagação do mesmo.

Ruídos esporádicos, gerados por descargas atmosféricas e no instante de acionamento/desligamento de

cargas são bastante intensos, mas são pouco importantes frente a ruídos contínuos ou intermitentes

gerados por certos

eletrodomésticos. Esses aparelhos produzem ruídos que se estendem por um amplo espectro de

freqüências, chegando à faixa dos megahertz.

São apresentadas aqui as principais fontes de ruído intermitente ou contínuo.

3.3.1: Motores com escovas

Motores universais, usados em aspiradores de pó, liquidificadores, furadeiras e máquinas de lavar entre

outros possuem escovas que geram faíscas constantemente, provenientes do contínuo ligamento e

desligamento do rotor,

gerando ruído intenso que se estende até alguns kilohertz.

3.3.2: Fontes chaveadas

Fontes chaveadas operam com freqüências de chaveamento de 20kHz a 1MHz, e este chaveamento

produz harmônicas em um amplo espectro.

Atualmente, devido a seu pequeno volume em relação à potência são amplamente utilizadas em aparelhos

eletrônicos como televisores, videocassetes, computadores e aparelhos de som.

Além disso, o fato de possuírem um retificador de entrada com um capacitor de grande valor faz com que

sua impedância varie em função da senoide da rede elétrica, produzindo ruídos de baixa freqüência muito

fortes.

3.3.3: Dimmers

Dimmers são controladores de potência baseados em chaveamento a tiristor, em aplicações residenciais

são utilizados para controle de intensidade luminosa normalmente, mas algumas máquinas de lavar e

mesmo chuveiros e aquecedores fazem uso deste tipo de controle.

Estes aparelhos geram ruídos continuamente, numa faixa de freqüências de 120Hz com harmônicas até

alguns kilohertz.

3.3.4: Fluorescentes compactas

Cada vez mais esse tipo de lâmpada é encontrado nas residências e prédios, devido a seu baixo consumo

(alta eficiência) e por não apresentarem os inconvenientes das fluorescentes comuns. No entanto estas

lâmpadas não possuem um reator indutivo, como as convencionais, e sim uma fonte chaveada que opera a

alta freqüência, dispensando o starter, mas injetando ruído da ordem de alguns kilohertz na rede elétrica.

3.4: Atenuação de Sinal

Este é talvez o principal obstáculo à implementação de transmissões via rede elétrica, a forte atenuação de

sinal que ela impõe a altas freqüências.

O histograma da Figura 1 Histograma de atenuação é resultado de um teste de atenuação [ 4 ] onde 1889

pares de transmissor-receptor foram testados em 169 casas e apartamentos, de 5 países diferentes,

escolhidos aleatoriamente. Figura 1 Histograma de atenuação

Figura 1: Histograma de atenuação

Podemos ver por ele que 95% dos pares apresentaram atenuação inferior a 54bB e 99% apresentaram

atenuação inferior a 78dB. Isso significa dizer que uma transmissão de sinal que visa atender com sucesso

95% das aplicações precisa suportar uma atenuação de 54dB, ou 150.000 vezes.

Os itens a seguir explicam as principais fontes de atenuação de sinal em uma rede residencial.

3.4.1: Impedância variável

A rede elétrica de uma residência é montada de forma que todos os eletrodomésticos, lâmpadas e outros

dispositivos sejam ligados em paralelo com a alimentação.

Assim a impedância da rede elétrica varia não só de casa para casa, e de tomada para tomada, mas

conforme aparelhos são ligados e desligados. O dispositivo que injetar um sinal de alta freqüência na

rede, entre uma fase e o neutro, enxergará uma carga em paralelo que pode variar de várias centenas de

ohms, quando nenhum aparelho estiver ligado e o único consumidor de sinal for a rede de fornecimento, a

apenas três ohms, considerando um disjuntor de 40A e cargas resistivas em uma tensão de 127V (pior

caso). Um chuveiro é um bom exemplo de

carga capaz de mudar totalmente o comportamento da rede.

Quadros de distribuição, fios espalhados, emendas e interruptores também afetam a impedância da rede

elétrica.

3.4.2: Indutância elevada dos fios

Os fios que conduzem energia são normalmente longos e espessos, sem nenhum tipo de blindagem,

apresentando uma elevada indutância, que para as freqüências mais altas, representa uma forte atenuação

de sinal.

Para um fio paralelo comum, como o usado em extensões, a indutância é de 0.6mH por metro [ 6 ] em

média, o que equivale a uma impedância (reatância indutiva) de 4,5 ohms a cada 10 metros.

Esta indutância é tal que transmissões PLC raramente ultrapassam 600m de fio quando existem cargas em

paralelo e, além disso, a indutância dos fios está sempre presente, diferentemente das cargas parasitas e

ruídos.

3.4.3: Filtros EMC de eletrodomésticos

Como a carga para o sinal injetado é de natureza reativa, além de resistiva, cada eletrodoméstico terá um

comportamento diferente, às vezes independente de seu consumo, como é o caso dos televisores, que

possuem filtros passa-baixas contra interferências vindas da alimentação.

Estes filtros são basicamente uma seqüência de capacitores em paralelo com o circuito de alimentação e

bobinas em série. Os capacitores têm normalmente menos de 5mF, mas para uma portadora de 120kHz

um capacitor de apenas 1mF se comporta como uma carga de 1,3 ohm. O que equivale a uma absurda

carga resistiva de 37KW.

3.5: Distorção de sinal

Mais uma vez o grande vilão são as fontes chaveadas, desta vez por gerarem freqüências com harmônicas

iguais ou muito próximas à da portadora, modificando o sinal detectado.

Como a primeira etapa de uma fonte chaveada é um retificador de onda completa, e este só absorve

energia da rede durante os picos de onda, o sinal de baixa freqüência que a portadora carrega acaba sendo

modulado pela variação de carga e harmônicas da fonte com um ruído intenso de 120Hz.

Podem ocorrer ainda ecos da portadora devido a sinais que rebatem em terminações de fios e defasagem

entre portadoras de diferentes freqüências, no caso de mais de uma ser utilizada.

3.6: Instalações trifásicas

Em pequenas residências a alimentação é feita com apenas uma fase, e desta forma todos os aparelhos da

casa são ligados à rede em paralelo. Assim não importa em que pontos da rede (tomada) sejam ligados os

dispositivos PLC, estarão sempre ligados ao mesmo par de fios.

Já em residências maiores, ou mais recentes, a alimentação é trifásica, e a distribuição dos pontos de

energia é feita visando igualar a carga em cada fase.

Figura 2: Esquema de rede trifásica

O resultado é que em uma mesma casa temos tomadas ligadas a redes diferentes, visto que só o neutro é

comum a todas. Ainda que as três fases sejam provenientes do transformador da rua, este é um enorme

indutor, capaz de barrar quase completamente as freqüências elevadas de pularem entre as fases.

A situação pode ser corrigida colocando-se acopladores entre as fases, que atuam como condutores para o

sinal, como no desenho abaixo:

Capítulo 4: Desenvolvimento de um sistema de transmissão via rede elétrica

Este capítulo trata do projeto e implementação de um sistema de transmissão de dados, utilizando a rede

elétrica doméstica como meio físico. Neste capítulo serão tratados os problemas enfrentados na criação de

um dispositivo eletrônico capaz de realizar tal tarefa, bem como as soluções encontradas.

A idéia inicial deste trabalho é desenvolver um sistema eletrônico base, sob a forma e um módulo

independente que poderá ser adaptado e expandido para a criação de produtos para automação e

segurança residencial. Este módulo irá codificar as informações a serem transmitidas em um sinal elétrico

de baixa freqüência, que servirá de modulação a uma portadora de alta freqüência, introduzida através de

filtros isoladores na rede elétrica.

A portadora, por ter freqüência elevada, não se confunde com os sinais da rede elétrica. Em seu destino

esta será sintonizada e detectada, e o sinal modulador recuperado juntamente com as informações que

carrega, um princípio de transmissão amplamente estudado e utilizado em telecomunicações.

Adicionalmente, pretende-se desenvolver estes módulos com capacidade de implementar detecção de

erros e protocolos de rede, utilizando microcontroladores, que irão executar o máximo possível de

processamento de sinais via software, simplificando e barateando o sistema. O produto final foi

denominado sistema TaT (Tomada a Tomada), e a sigla será utilizada em referência ao módulo completo

desenvolvido até o fim do trabalho.

4.1: A transmissão de uma portadora

O primeiro passo para iniciar o projeto foi verificar na prática a permissividade da rede à passagem de

sinais, e para isso foi necessário confeccionar um oscilador para gerar um sinal, no caso uma simples

senoide, um amplificador que elevasse o nível deste sinal a um patamar que pudesse ser detectado e

finalmente uma maneira de injetá-lo na rede. Para que o sinal possa ser diferenciado da fundamental de

25 60Hz, suas harmônicas e principais ruídos, era necessário que o sinal tivesse elevada freqüência sem,

no entanto, sofrer os efeitos da indutância dos fios.

Transformadores de ferrite toroidais foram construídos para isolar as elevadas tensões da rede dos

circuitos de geração e detecção de sinal, assim como filtrar uma faixa de freqüências. O esquemático

abaixo exibe esse circuito de acoplamento:

Figura 3: Desacoplador de rede

O baixo acoplamento magnético do transformador de ferrite praticamente bloqueia freqüências abaixo de

5kHz, e sua indutância (10mH) barra freqüências acima de 500kHz. O capacitor impede que a

componente de 60Hz da rede danifique o toróide. Assim foi possível realizar testes de transmissão,

atenuação de sinal e verificar que o propósito desejado neste projeto era factível.

4.1.1: Recuperação e detecção da portadora

Mesmo com o auxílio de um amplificador, o sinal injetado na rede era recuperado com amplitude da

ordem de poucos milivolts na saída do acoplador de recepção. Para recuperar satisfatoriamente a

portadora original foi necessário encontrar um circuito capaz de amplificá-la e separá-la dos ruídos, para

isto foi implementado um circuito de sintonia baseado em ressonador LC.

Além de sintonizado o sinal precisa ser detectado, para a recuperação do sinal modulador. Implementou-

se um detector simples, um retificador meia-onda a diodo de germânio, com o capacitor de filtragem em

paralelo com uma carga resistiva.

Este foi dimensionado para filtrar a alta freqüência da portadora e recuperar o sinal modulador, que no

caso era apenas um sinal contínuo. O desenho em blocos abaixo esquematiza o que foi realizado:

Figura 4: Esquema de sinalização via rede elétrica

4.1.2: Avaliação da qualidade de sinal

Para carregar informação corretamente a portadora precisa ser recuperada claramente, e o sinal

modulador deve ser livre de ruídos, assim para avaliar a qualidade da transmissão implementou-se uma

modulação em amplitude

experimental injetando um sinal de áudio à alimentação do oscilador, e no amplificador de saída do

receptor o sinal foi recuperado e avaliado em função de cargas (eletrodomésticos) geradores de ruído

ligados na rede.

Observou-se que o sinal apresentava esporadicamente um forte ruído de 120Hz, ainda que os filtros não

permitissem passagem de baixas freqüências.

Depois com vários ensaios em osciloscópio foi possível verificar que as origens do ruído são os

retificadores de entrada de fontes chaveadas.

Estes só drenam energia da rede durante os picos da tensão alternada, mudando o comportamento da rede

entre instantes próximos a passagem por zero e instantes próximos às tensões de pico da senoide de 60Hz.

Em casos extremos, como na rede elétrica da universidade, onde existem muitos computadores ligados, a

fundamental de 60Hz chega a ficar deformada, com os picos achatados.

4.1.3: Determinação da freqüência

Antes de poder prosseguir era necessário determinar a melhor freqüência de transmissão, verificando a

atenuação da rede em função da mesma. Estudos prévios da bibliografia mostravam que os fios de uma

rede comum têm elevada indutância, de forma que freqüências na faixa dos megahertz são fortemente

atenuadas.

O uso de freqüências muito baixas também não é indicado, pois sofrem efeito dos ruídos. Outro fator é a

freqüência do sinal que carrega informação, que como será visto adiante, situa-se na faixa de 600Hz a

2KHz, exigindo uma portadora de no mínimo 50kHz.

Mas para determinar a melhor faixa é necessário um longo estudo, equipamento especial e muitos testes

de campo, usando as mais variadas cargas existentes nas residências, e isso em várias instalações elétricas

diferentes. Um esforço muito grande e dispendioso em termos de tempo.

Assim a decisão sobre a freqüência a ser utilizada foi baseada em consulta bibliográfica, análise de testes

de campo realizados por algumas empresas e disponibilizados ao público, e também a partir de exemplos

de tecnologias comerciais, escolhendo-se 100kHz como portadora para os testes iniciais.

4.2: Codificação do sinal

A transmissão digital de sinais em relação à transmissão analógica possui numerosas vantagens, como

taxa de erros muito inferiores, maior facilidade para multiplexação, menores custos na implementação e

compatibilidade direta com o controle baseado em eventos discretos, predominante na automação

residencial.

Estudaram-se então as técnicas de codificação digital de informação comumente utilizadas com

transmissão baseada em portadoras, como ASK (Amplitude Shift Key), FSK (Frequency Shift Key) e

PSK (Phase Shift Key) em banda base.

Como a portadora chega ao receptor com variações de amplitude, por vezes muito rápidas, em função de

cargas da rede e ruídos, a codificação ASK não é adequada para este tipo de aplicação.

O próximo passo era descobrir uma maneira viável, tanto economicamente quanto em relação ao tempo,

de implementar alguma das alternativas restantes, mas constatou-se que isto exigiria o desenvolvimento

do circuito de codificação e decodificação, relativamente complexo.

Nossas pesquisas nos levaram então a procurar algum tipo de hardware integrado, que já implementasse

um protocolo de codificação resistente a ruídos e confiável, assim a codificação escolhida foi a Dual-

Tone Multi-Frequency descrita a seguir.

4.2.1: Protocolo DTMF

DTMF (Dual-tone multi-frequency) é um tipo de codificação digital de dados baseada em chaveamento

de freqüências (FSK) com múltiplas freqüências de base (MFSK), utilizado para transmitir dados na faixa

de áudio correspondente à voz.

Atualmente é utilizado por quase todos os sistemas telefônicos do mundo para enviar informações à

central telefônica através da chamada discagem por tom. O protocolo foi desenvolvido pelo Bell Labs,

uma divisão da AT&T responsável por pesquisas na área de telefonia, na década de 50, no intuito de

permitir que informação de discagem pudesse passar através de conexões de longa distância,

potencialmente em meios sem-fio como microondas ou satélites.

A codificação consiste em escolher dois tons de entre oito freqüências definidas, permitindo quatro

possibilidades para cada tom, com um total de 16 combinações (4x4). Assim é possível transmitir uma

palavra de 4 bits (um nible) a cada mudança de tom, e um byte (8 bits) a cada duas mudanças.

A matriz utilizada para gerar os tons DTMF corresponde à organização das teclas no teclado telefônico, e

o pressionamento de uma destas irá produzir senoides com as freqüências da linha e coluna

correspondente a seguir:

Figura 5: Tabela de tons DTMF

As freqüências foram definidas com uma razão de 21/19 no intuito de evitar harmônicas.

O protocolo é robusto em relação a ruídos, especialmente os de 60Hz, e suporta atenuações, existindo no

mercado uma ampla gama de circuitos integrados dedicados à geração e detecção destes tons.

4.3: Modulação da portadora

Neste trabalho o meio físico (rede elétrica) permite uma boa transmissão apenas de freqüências na faixa

de 100kHz, como já foi visto, no entanto o protocolo DTMF utiliza a faixa de 600Hz a 2kHz.

A solução para o problema é a técnica chamada modulação, que pode ser vista como um deslocamento no

domínio da freqüência, elevando o valor desta. Isto é realizado através de um sinal principal (portadora),

que tem sua forma alterada, em freqüência, fase ou amplitude, por um sinal secundário (moduladora), que

corresponde à informação incapaz de atravessar o meio físico.

As técnicas mais recentes de modulação, como a de Espalhamento Espectral (Spread Spectrum), têm

grandes vantagens em termos de robustez, interferência e qualidade de sinal, mas exigem tratamento

digital de sinais (Digital Signal Processing – DSP) bastante complexos e caros.

A modulação em freqüência ainda é a melhor alternativa em termos de custo, benefício, mas exige

circuitos de detecção difíceis de implementar, como o elo de travamento de fase (Phase Locked Loop –

PLL). Existem circuitos integrados dedicados que realizam esta função, mas apenas na faixa de rádio

freqüências mais elevadas.

Assim a solução mais pragmática encontrada foi uma simples modulação em amplitude (AM) utilizando

um chopper como circuito de modulação. O chopper é uma chave digital, que operando na freqüência da

portadora, alterna o sinal de saída entre zero e o sinal modulador. Mesmo com este circuito simples, foi

possível transmitir até música pelo sistema implementado, ainda que com qualidade baixa, garantindo que

o sinal DTMF seria transmitido satisfatoriamente.

4.4: Implementação de um par transmissor/receptor

Esta etapa diz respeito à implementação de um par transmissor/receptor completo de informação digital.

A fonte de sinal DTMF utilizada foi um teclado telefônico e o objetivo era transmitir os números

pressionados a um display de sete segmentos, localizado em um ponto remoto da rede elétrica.

Buscou-se então um circuito integrado dedicado que implementasse a decodificação de tons DTMF,

considerando facilidade de uso, compatibilidade com microcontroladores e custo.

integrado encontrado foi o MT8870, desenvolvido pela Mitel (Mitsubishi Telecom) e fabricado pela

Zarlink Semiconductors. Este integrado é um decodificador de tons DTMF, com uma saída paralela de

quatro bits, correspondente ao tom identificado, e um pino indicador do recebimento de um tom válido.

Este já possui um amplificador operacional em sua entrada, o que permite que o sinal captado da rede

elétrica seja amplificado tanto quanto necessário.

Para a geração dos tons empregou-se um teclado telefônico inicialmente, e em seguida um gerador

comercial dedicado. Utilizou-se o circuito integrado TP5088 fabricado pela empresa National, para que a

informação pudesse ser gerada por um microcontrolador ou vinda de um computador.

4.4.1: Diagrama do transmissor

O diagrama em blocos abaixo representa o circuito de transmissão implementado:

Figura 6: Diagrama do transmissor DTMF

Inicialmente o microcontrolador ou computador disponibiliza o nible a ser enviado no barramento de

dados e então coloca em “1” o pino ToE (tone enable) para que o gerador DTMF passe a produzir os tons

correspondentes. O sinal DTMF é usado para modular a portadora de 100kHz através do chopper, e o

resultado é amplificado e injetado na rede elétrica via desacoplador (filtro e isolador).

4.4.2: Diagrama do receptor

O receptor tem por função captar a portadora do sinal da rede elétrica, sintonizá-la e amplificá-la, para

que então seja realizado o processo de detecção.

Este processo é implementado por um retificador com constante de tempo ajustada para permitir a

passagem dos tons DTMF, que são amplificados e decodificados por um integrado dedicado.

Finalmente, como o interesse era mostrar se a informação digital estava chegando corretamente ao

destino, o número decodificado é exibido em um display de sete segmentos.

A seguir mostra-se o diagrama esquemático do processo implementado:

Figura 7: Diagrama do receptor DTMF

4.5: Uso de um microcontrolador

Os testes realizados com o par transmissor serviram para indicar a viabilidade da transmissão digital de

informação via rede elétrica usando tecnologia simples e acessível, assim como conhecimento sobre

questões não previstas, como a necessidade do receptor ser insensível ao nível de sinal detectado.

Mas o objetivo final dos trabalhos, como já citado, é criar uma base para aplicações de automação

residencial, e para tanto é necessário que haja confiabilidade no envio de informações, suporte a vários

dispositivos na mesma

rede, cada um com uma identificação única, e um protocolo bidirecional de comunicação entre os

dispositivos, o que exige certa capacidade de processamento presente nos mesmos.

Além destes fatores, a redução do número de circuitos eletrônicos que compõe o sistema TaT era um

ponto fundamental para diminuir custos (possibilidade de ingresso no mercado) e a complexidade do

projeto.

A incorporação de um microcontrolador ao TaT, já prevista desde o início, mostrou-se crucial,

incorporando ainda flexibilidade, capacidade de expansão e simplicidade ao desenvolvimento.

4.5.1: Características necessárias

O microcontrolador escolhido deve ter a capacidade de realizar grande parte das operações até então

desempenhadas por circuitos individuais, como geração de portadora, codificação da informação,

modulação (se possível) e ainda implementar todo o protocolo de rede e comunicação.

Precisava então ter recursos como interrupções de timer, saída PWM (para gerar a portadora), várias

portas de I/O, memória de programação regravável (para prototipagem) e velocidade de processamento

elevada.

Outras características tão importantes quanto as anteriores são o preço, disponibilidade no mercado e

facilidade de programação. O que nos levou à família de microcontroladores da Microchip 16Fxxx, que

possuem memória EEPROM (regravável) e uma vasta documentação disponível.

Quanto à facilidade de programação, os microcontroladores da Microchip têm linguagem Assembly

simplificada, devido à sua arquitetura com apenas 35 instruções de processamento. Isto permitiu que

muitos compiladores para

linguagens clássicas, como C e Pascal fossem criados. Alguns por comunidades de software livre,

poupando a equipe de ter que pagar pelas caras licenças de compiladores para microcontroladores da

Intel, por exemplo.

4.5.2: O microcontrolador escolhido

O microcontrolador escolhido foi o PIC 16F628A por possuir memória FLASH, que possibilita a

regravação do firmware, duas portas de comunicação bidirecionais de 8 bits, assegurando a adaptação

com o circuito, uma saída PWM capaz de gerar a portadora de 100kHz, comparadores analógicos e três

temporizadores (timers)

independentes.

A sigla PIC significa Programmable Interrupt Controller, em referência às várias interrupções de

temporização e dispositivos externos disponíveis nesta família de microcontroladores. O PIC16F628A

também possui recursos especiais como uma porta USART (Universal Synchronous/Asynchronous

Receiver Transmitter) padrão RS232 e um temporizador antitravamento.

Também foram analisados critérios de custo/benefício em relação à quantidade de memória de

programação, velocidade de processamento e preço tanto do microcontrolador quanto do equipamento de

programação.

Como muitas decisões sobre a forma de implementação dos módulos de transmissão foram baseadas na

configuração dos terminais e recursos do microcontrolador, as partes principais do manual do

componente (datasheet) foram anexadas a este trabalho.

4.6: O trabalho de instrumentação

O desenvolvimento até este ponto foi concluído com uma aplicação prática, a implementação de uma

central de atuação como conclusão de semestre para a disciplina de Instrumentação em Controle

(DAS5151).

Utilizou-se um computador para simular uma central de controle, ainda que de maneira simplificada, que

envia informações referentes a 15 níveis de tensão para um processo a ser controlado, como iluminação

(dimmer) ou aquecimento. As informações do computador são passadas ao circuito emissor já

implementado, e

transmitidas via rede elétrica a um atuador.

O atuador montado foi um receptor microcontrolado, que disponibilizava uma referência de potência em

sua saída PWM, aplicada em uma carga resistiva. Por ser unidirecional a comunicação garantia apenas

que informações erradas não passariam, por um algoritmo simples de detecção de erros, mas não garantia

a

chegada do sinal no atuador.

4.7: Problemas encontrados na implementação do sistema

Como citado anteriormente, os tons DTMF são gerados por um circuito integrado dedicado, o que

acrescenta um custo considerável à fabricação dos módulos de comunicação.

Tentou-se então gerar, além da portadora, o sinal DTMF através do microcontrolador, utilizando tabelas

de senos e cálculos otimizados em assembly para gerar a soma de freqüências fundamentais do protocolo

DTMF. Mas a

velocidade de processamento do microcontrolador mostrou-se insuficiente, e o integrado transceptor

continuou integrando o sistema.

Também se verificou que o forte ruído de 120Hz originário de fontes chaveadas, explicado anteriormente,

tinha um efeito muito forte sobre o sinal transmitido, por vezes impossibilitando a comunicação entre o

par transceptor.

Tais fatores mostraram a necessidade de refazer o projeto do sistema até então desenvolvido.

4.7.1: Necessidade de sincronia com a rede

Uma análise mais detalhada do ruído encontrado em redes elétricas residenciais, sujeitas a todo o tipo de

aparelhos eletrodomésticos, mostra que este não é contínuo durante cada ciclo da componente

fundamental de 60Hz. A maioria das cargas injeta na rede um ruído de intensidade proporcional a seu

consumo, e este é mais elevado nos picos da senoide. O desenho abaixo representa o nível de ruído de

uma carga como um motor universal frente a um ciclo de onda, e ainda que seja ilustrativo, e por isso não

constam nele valores de amplitude, pode ser facilmente verificado com um osciloscópio e desacoplador

de rede (filtro isolador):

Figura 8: Ruído de rede frente à senoide de 60Hz

Outra característica da rede em relação a cada ciclo de onda é a impedância, que como já foi citado, é

menor nos picos de onda de cada ciclo em função dos retificadores de fontes chaveadas. Isto impõe ao

sinal uma modulação extra, com uma componente fundamental de 120Hz e algumas harmônicas.

O gráfico a seguir é um estudo teórico da senoide da rede distorcida por retificadores de fontes chaveadas,

considerando um comportamento de carga capacitiva e recuperação da rede, e ainda, o sinal que carrega

informação, modulado indesejadamente em amplitude:

Figura 9: Distorção da fundamental da rede e sinal transmitido

Juntos estes fatores trazem a necessidade de transmitir a informação apenas nos instantes próximos à

passagem por zero, estes instantes são como janelas onde o ruído é baixo (em relação à média) e a

atenuação é reduzida. De agora em diante esses instantes serão denominados ‘janelas de transmissão’.

Por esta razão a maioria dos sistemas de PLC realiza as transmissões em sincronia com a passagem por

zero, aproveitando esta janela de tempo, no entanto a duração deste intervalo é de apenas dois

milissegundos, duas vezes por ciclo de rede (8,3 ms).

Aproveitar um espaço tão curto de tempo implica em realizar o sistema de forma que a menor porção de

informação, um nible, no caso da codificação DTMF, seja transmitida completamente nesta janela, e que

a informação como um todo, possa ser quebrada em pedaços.

Infelizmente o protocolo DTMF foi definido de forma que cada nible, correspondente ao pressionamento

de uma tecla do telefone, gere um tom que é sustentado por pelo menos 20 ms, para que o decodificador

seja capaz de identificálo e considerando que ruídos não são capazes de simular um tom válido por mais

de 15 ms. Isto impossibilita o protocolo DTMF de ser usado nestas janelas de tempo próximas ao zero, o

que juntamente com a incapacidade do microcontrolador de Tensão gerar e decodificar diretamente os

tons levou posteriormente à reformulação do sistema de codificação utilizado.

Mas deve ficar claro que a utilização da codificação DTMF como solução inicial teve seus méritos, ela

possibilitou que o problema de codificação fosse resolvido rapidamente, permitindo que as próximas

etapas do projeto fossem estudadas e testadas, permitiu que um ciclo de desenvolvimento fosse concluído,

e suas limitações mostraram com clareza os requisitos de uma codificação para este tipo de aplicação.

Tais fatores levam a concluir que a adoção do DTMF como solução inicial foi uma correta decisão de

projeto.

Capítulo 5: A segunda geração do sistema de transmissão de dados

Este capítulo trata da redefinição do projeto do sistema que está sendo implementado, chamado de

sistema TaT (Tomada a Tomada), descrevendo as limitações do projeto desenvolvido até então, as

soluções encontradas e resultados obtidos.

As limitações da codificação DTMF, instabilidade e complexidade dos circuitos que implementam cada

função do transmissor e necessidade de ajuste de ganho do detector de sinal a cada mudança das

características da rede elétrica, levaram a uma reformulação do hardware que implementa a transmissão

de dados.

5.1: Definição do campo de aplicação

Já foi dito em parágrafos anteriores que este projeto se destina à automação residencial, dando suporte ao

tráfego de informações discretas em uma residência ou mesmo outra área pequena, através da rede

elétrica já disponível. Mas a maneira como esta solução será apresentada ao usuário final, o morador,

precisa ser esclarecida.

O objetivo global é implementar o sistema sob a forma de módulos que possam ser acoplados às

aplicações, servindo de interface entre estas e a rede elétrica. As aplicações seriam integradas aos

módulos por uma pequena empresa, e comercializadas sob a forma de pacotes prontos. O pacote básico

conterá uma central de controle, que pode ser ligada a um computador pessoal, ou independente, como

um painel de botões com um display.

Outros pacotes podem conter atuadores e sensores residenciais, como interruptores, dimmers e sensores

de presença.

A equipe que trabalha neste projeto desenvolveu a central de controle que utiliza um PC (Personal

Computer) e alguns atuadores e sensores paralelamente ao desenvolvimento do sistema TaT, integrando-

os a este ao fim do projeto.

5.2: Busca de uma nova codificação

O ponto mais importante a ser tratado foi a limitação do esquema de codificação, não compatível com a

sincronização da transmissão com a passagem por zero da rede. Nova pesquisa bibliográfica foi realizada

em busca de um sistema eficiente de codificação, que fosse também simples de implementar e a um baixo

custo.

A modulação em amplitude é sensível demais à atenuação de sinal e a ruídos, necessitando de

controladores de ganho no detector de sinal, o que nos levou a escolha de um tipo de sinalização binária

baseada em freqüência ou fase.

A sinalização baseada em fase (PSK – Phase Shift Keying) é bastante robusta, nela cada “0” é

representado por uma defasagem da portadora em 180 graus, e cada “1” como uma ausência da

defasagem, mas necessita de um circuito PLL (Phase Locked Loop) de detecção. O circuito PLL é um

controlador integrador onde o erro corresponde à diferença de fase entre o sinal captado e um sinal de

referência. Mas sua confecção e ajuste são muito difíceis.

A modulação QAM (Quadrature Amplitude Modulation), que combina a modulação ASK com vários

níveis de amplitude e PSK com várias fases, é ainda mais eficiente. É a codificação utilizada em modems,

atualmente, capazes de transmitir 56kbps em uma linha que permite freqüência máxima de 2,4kHz (linha

telefônica comum).

Mas esta modulação exige processamento digital de sinais.

Escolheu-se então a codificação baseada em sinalização por mudança de freqüência ou FSK (Frequency

Shift Keying), esta exige que duas freqüências portadoras sejam definidas, e o chaveamento entre elas

define os níveis lógicos “0” e “1”, mas pode ser implementada de forma mais simples e é tão eficiente

quanto PSK.

5.2.1: Diagrama em blocos do codificador

A codificação FSK é apenas uma das variantes da modulação FM, e em geral quando se fala de

modulação FM se faz referência a uma portadora que varia pouco em relação a sua freqüência central, de

forma que filtros e circuitos de sintonia são dimensionados para uma freqüência única. Esta pequena

variação de freqüência é

difícil de perceber, e exige circuitos ativos, como o PLL (anteriormente citado), detectores de quadratura,

discriminadores de fase, etc.

Todos estes circuitos são de construção bastante complexa, e sua aplicação se justifica em casos em que a

transmissão deve estar dentro de um estreito limite de freqüências, com variações de ±1% em relação à

freqüência base. No entanto, até o momento, não existe nenhuma restrição ao uso de variações maiores,

uma vez que o meio físico em questão não possui outros sistemas de comunicação competindo por bandas

de transmissão.

Então uma solução mais prática foi adotada, o uso de duas portadoras de freqüência próxima a 100kHz,

onde a sinalização de bits é feita alternando a portadora entre as duas. O maior afastamento das

freqüências escolhidas (80 e 120kHz) possibilita a identificação destas com filtros simples.

O diagrama em blocos do circuito codificador, que implementa este chaveamento encontra-se abaixo:

Figura 10: Diagrama do codificador FSK

O sistema assim configurado é tão simples quanto o anterior, com a diferença que a codificação utilizada

não é afetada pelas limitações de ‘janelas de transmissão’ e nível de sinal.

5.2.2: Simplificando a eletrônica

A escolha da codificação FSK também foi baseada nas capacidades do microcontrolador utilizado. Como

citado anteriormente, escolheu-se um microcontrolador com suporte a PWM (Pulse Width Modulation)

para gerar a

portadora de 100kHz definida no início dos trabalhos.

Por suporte PWM subentende-se a capacidade do microcontrolador de gerar uma onda quadrada

continuamente, de freqüência elevada e ajustável, sem que isto interfira no processamento que este esteja

realizando.

O recurso PWM é, mais do que uma simples onda quadrada, uma modulação por largura de pulso, em que

é possível definir o ciclo de trabalho desta onda quadrada, ou seja, o tempo que esta permanece em nível

alto. Mas aqui apenas foi utilizada a capacidade de geração das freqüências portadoras em paralelo com a

execução do programa.

As vantagens de utilizar este recurso são a simplificação do sistema TaT, redução grande de custos de

produção e a flexibilização do protocolo de codificação, que passa a depender do software do

microcontrolador.

O diagrama em blocos do transmissor melhorado é exibido abaixo:

Figura 11: Diagrama do transmissor FSK reduzido

Uma limitação do recurso PWM é que este não pode trabalhar com qualquer freqüência desejada, e sim

uma série finita de freqüências múltiplas do clock do microcontrolador, e mais uma pequena mudança das

freqüências portadoras foi realizada, para 83,3kHz e 125kHz.

5.3: Detecção do sinal

A utilização de portadoras bem separadas para a sinalização FSK permitiu que o circuito de detecção

fosse composto por dois ressonadores, cada um sintonizado em uma portadora, dispensando

decodificadores complexos de FM.

Como na implementação com DTMF, o detector recebe o sinal do desacoplador e o filtra e amplifica com

o uso de um ressonador sintonizado na freqüência da portadora, a diferença agora é que a amplitude do

sinal não carrega

informação. Assim apenas a presença ou não de cada portadora é informação suficiente para a detecção.

Adicionalmente, como pelo protocolo de codificação definido o nível lógico “0” corresponde à geração

exclusiva da portadora de 83kHz e o nível “1” corresponde à geração exclusiva da portadora de 125kHz,

as duas nunca estarão presentes simultaneamente. Essa característica garante uma maior robustez em

relação a ruídos, pois mesmo que o sinal chegue distorcido, a diferença entre zeros e uns é bem definida.

O gráfico abaixo é uma simulação teórica do nível de tensão das duas portadoras (cinza e preto) em uma

seqüência de zeros e uns alternados, com um

ruído de 50% da amplitude do sinal:

Figura 12: Sinal das portadoras com ruído

Este nível de tensão corresponde à saída dos ressonadores, e estes recebem o sinal da mesma fonte, o que

faz com que a maior parte do ruído se apresente igualmente em ambos.

Como o nível de tensão das portadoras é complementar, a diferença entre as duas resulta em um sinal de

maior amplitude, e cancelamento do ruído comum a ambas, assim para a mesma simulação, a diferença

entre as portadoras resulta no gráfico abaixo:

Figura 13: Sinal diferenciado das portadoras

Neste gráfico os níveis lógicos podem ser visualizados com clareza, mas esta é uma simulação

matemática. Na implementação do circuito de retificação é que as portadoras de alta freqüência serão

convertidas em sinais contínuos.

Os retificadores de cada portadora foram ajustados de forma que sua constante de tempo fosse

suficientemente alta para filtrar (reduzir em 17dB pelo menos) freqüências acima de 50kHz, mas permitir

que freqüências abaixo de 10kHz sejam pouco atenuadas. A freqüência de 10kHz corresponde ao limite

teórico máximo de transmissão, de 20kbps (5.000 bits por segundo) estipulado com base em estudo

bibliográfico, onde se recomenda que a freqüência de modulação seja de no máximo 1/10 da portadora

para detecção com circuitos analógicos passivos.

Valores mais altos de constante de tempo filtram melhor os ruídos, reduzem a velocidade de transmissão,

assim é necessário definir primeiro a taxa de transmissão para então ajustar bem os retificadores.

A diferença entre as portadoras é obtida com o uso de um amplificador operacional, e seu ganho é

ajustado para saturar sua saída, fazendo que o resultado seja um sinal de nível TTL (0 a 5V), pronto para

ser recebido pelo microcontrolador.

O mesmo amplificador operacional foi montado com uma pequena realimentação positiva (duas portas

utilizadas), o que produz uma histerese que impede que o ruído seja confundido com níveis lógicos

quando o sinal está fraco.

5.3.1: Diagrama do decodificador

O diagrama abaixo representa o circuito decodificador, os blocos correspondem às etapas de tratamento

de sinal explicadas no texto anterior:

Figura 14: Diagrama do decodificador FSK

5.4: Construção dos circuitos

Os diagramas de blocos apresentados escondem a dificuldade de implementação de cada componente do

sistema. Cada bloco corresponde a um circuito eletrônico que teve que ser projetado, implementado e

testado.

As disciplinas estudadas no decorrer do curso não trouxeram conhecimentos suficientes para o

desenvolvimento de circuitos, que inclui estruturação e dimensionamento de componentes eletrônicos.

Regularmente foi necessário recorrer à bibliografia específica da área de eletrônica, como revistas, livros

sobre telecomunicações, manuais técnicos. Estes últimos, os manuais técnicos, que contém as

especificações e características de cada componente, levavam muito tempo para serem estudados.

Após o projeto de cada circuito iniciava-se mais um processo lento, o de aquisição de componentes, que

quase sempre implicavam em recorrer a distribuidores de São Paulo e Curitiba, ou mesmo encomendar

amostras de

fabricantes estrangeiros, que levavam muito tempo para chegar. Só então a construção propriamente dita

tinha início.

5.4.1: Diagrama esquemático do decodificador

Para exemplificar este trabalho, este item trata do esquemático do circuito de decodificação já discutido,

lembrando que a simplicidade e clareza deste foi fruto de muitos ciclos de reconstrução e reconstrução do

projeto.

[Figura omitida: Produto pronto aguardando patrocínio para ser lançado no mercado]

Figura 15: Circuito esquemático do decodificador

Logo na saída do desacoplador foi colocado um circuito de saturação, que garante que a intensidade do

sinal seja constante para qualquer atenuação da rede,

até certo limite, garantindo um funcionamento estável em diferentes pontos da casa.

O circuito do transmissor tem complexidade análoga, e como o objetivo é realizar transmissões

bidirecionais, ambos foram combinados no projeto final.

5.4.2: Simplificação do receptor

Como a utilização de um amplificador operacional implica em um circuito integrado extra no sistema, a

um custo extra também, e o microcontrolador escolhido possui comparadores internos, o receptor foi

redesenhado para retirar o bloco ‘comparador com histerese’ do circuito anterior.

O sinal passou então a trafegar do retificador diretamente para o microcontrolador, tornando o TaT mais

compacto.

5.5: Determinação da velocidade de transmissão

Para uma portadora de 104kHz (freqüência média da modulação escolhida) o limite teórico, com

detectores analógicos passivos como é o caso, para uma boa recepção do chaveamento entre freqüências é

de 10kHz, o que corresponde a uma taxa de transmissão de 20kbps.

Técnicas especiais de modulação podem atingir taxas mais elevadas como foi citado, mas o foco do

trabalho está na transmissão de informação discreta, como comandos de acionamento, sem grandes

restrições temporais.

Para uma taxa de transmissão muito baixa, como 50 bytes por segundo, o tempo entre o pressionamento

de um interruptor e o acendimento da lâmpada correspondente é, considerando que 5 bytes tenham que

ser enviados, de 1/10 de segundo, um tempo satisfatório. Assim utilizar técnicas avançadas de modulação

para atingir taxas elevadas de transferência para esta finalidade seria um desperdício.

Claro que outras aplicações, como transmissão de áudio (digital) e vídeo, para câmeras de segurança e

Home Teathers necessitam de taxas elevadas, mas este é outro mercado.

5.5.1: Testes de velocidade

A modulação implementada utiliza freqüências bem separadas para sinalizar os níveis lógicos, e o circuito

de detecção não é tão eficiente assim, logo testes empíricos para determinar a taxa máxima de

transferência são bem mais simples concretos que a teoria.

Dois sistemas foram implementados para avaliar as taxas de transmissão, um programa de computador

capaz de gerar na porta paralela do PC um sinal retangular de freqüência e número de ciclos definido, e

um contador de pulsos com três displays de 7 segmentos (000 - 999).

medição da qualidade da transmissão é simples, o computador gerava pulsos retangulares em uma

freqüência definida e um número múltiplo de 1500, que eram transmitidos pela rede. Após a transmissão

da seqüência de pulsos o display, ligado ao receptor, deveria estar marcando 500, caso nenhuma

informação fosse

perdida. Números menores correspondem a bits perdidos e maiores à captação de ruído.

Várias baterias de testes foram realizadas com este sistema, para fazer uma sintonia fina de ressonadores,

constante de tempo dos retificadores, ganho e fator de histerese do comparador e circuitos de

desacoplamento e amplificação de sinal.

O resultado de uma bateria de testes típica encontra-se abaixo:

Figura 16: Tabela e histograma de testes de transmissão

Ainda que o histograma seja pouco detalhado, é possível perceber o comportamento exponencial da

quantidade de erros versus taxa de transmissão.

Com o mesmo sistema de medição foi possível avaliar perdas de informação frente a fontes de ruído e

cargas pesadas na rede elétrica.

Boa parte da perda de bits ocorre pelo fato de que estes testes foram realizados sem sincronia com o zero,

ou seja, o sinal era contínuo e não apenas durante as ‘janelas de transmissão’ próximas da passagem por

zero. Assim após testes com diferentes pontos da rede, em ambientes diferentes (instalação elétrica

diferente), escolheu-se a taxa de 4kbps para a transmissão.

5.5.2: Limitação da detecção

Tanto a detecção implementada com amplificadores operacionais quanto a que utiliza os comparadores

internos do microcontrolador possuíam desvantagens.

A implementação com amplificador operacional implica no uso de mais componentes, maior custo e

complexidade, lembrando que se deseja desenvolver um produto comercial, barato, de fácil manufatura e

pequeno, esta desvantagem tem seu peso.

A implementação usando os comparadores do microcontrolador possui problemas com a velocidade, a

4kbps cada bit tem duração de apenas 250ms, muito próxima da taxa de amostragem dos comparadores

(que envolve manipulação de registradores), causando perda de bits.

Após uma nova análise do problema, e uma busca por outra solução que levou certo tempo, chegou-se ao

desenvolvimento de um circuito de detecção bem mais robusto, tanto a ruídos quanto perda de bits, quase

insensível a variações de amplitude de sinal causadas pela atenuação da rede.

Este foi implementado utilizando transistores e componentes discretos, bem mais baratos que o

amplificador operacional e com construção mais simples, que realizam o condicionamento do sinal para

níveis TTL.

5.5.3: Sincronia com o zero

A taxa de 4kbps citada anteriormente corresponde a uma transmissão contínua de informação, mas como

explicado no item 4.7.1:, transmissões descontínuas próximas à passagem por zero são menos afetadas

por ruído e distorções, e este é o método utilizado no projeto em questão.

As janelas de transmissão têm duração de aproximadamente dois milissegundos, dependendo da

qualidade de sinal desejada, e a 4kbps isso significa transmitir 8 bits por janela, ou 120 bytes por segundo,

ou ainda em unidades

correntes 960bps.

O gráfico que será exibido a seguir (figura 17) corresponde à aquisição do sinal da rede elétrica e do sinal

modulador (do retificador do receptor) de uma transmissão, utilizando a placa de áudio do PC, um

excelente recurso para os que não têm osciloscópio ou placas de aquisição.

Neste gráfico é possível ver a sincronia da transmissão da seqüência de texto

“hello” com a passagem por zero da rede:

Figura 17: Sincronia da transmissão com a passagem por zero

O ponto de passagem por zero é sinalizado ao microcontrolador por um circuito detector de passagem,

que funciona saturando a senoide e adaptando sua tensão à faixa de 0 a 5V, tendo como saída uma onda

quadrada sincronizada com a rede.

5.6: Transmissão de bytes

A informação precisa ser serializada para que ocorra a transmissão por uma única via de dados. Como a

modulação escolhida só suporta dois estados, correspondentes aos níveis lógicos, qualquer informação a

ser transmitida tem que ser transformada em uma seqüência de uns e zeros, através de algum protocolo

comum ao transmissor e ao receptor.

Até o momento já é possível sinalizar níveis lógicos, mas para que estes correspondam a uma seqüência

de uns e zeros é necessário que haja algum tipo de sincronia entre as mudanças de bit e instantes de

amostragem.

Tentou-se utilizar o ponto de passagem por zero como ponto de sincronia, uma vez que a fundamental de

60Hz é comum a toda a rede. Mas como cada bit dura apenas 0,25ms, esta sincronia deveria permitir no

máximo 0,12ms de defasagem entre emissor e receptor. Três problemas impediram que esta precisão

fosse alcançada, as defasagens causadas por cargas predominantemente indutivas ou capacitivas na

senoide da rede, os circuitos de detecção de passagem por zero que em geral são pouco estáveis e

finalmente o fato de que o ponto de passagem por zero se encontra no meio da transmissão (Figura 17

Sincronia da transmissão com a passagem por zero). Decidiu-se então que a sincronia seria dada pelos

próprios bits transmitidos.

Como foi explicado, cada ‘janela de transmissão’ permite que em torno de 8 bits passem na taxa

escolhida, e foi definido então que 10 bits serão transmitidos a cada semiciclo, dois de sincronia e 8 de

dados.

Inicialmente a portadora de 83kHz é ligada (nível lógico zero), indicando que uma transmissão irá

começar, e aproximadamente 250ms depois ocorre uma transição para 125kHz (nível um), que serve

como ponto de sincronia. O instante em que a primeira portadora é detectada não é bem definido, e por

isso não serve para a sincronia.

A primeira amostragem ocorre 375ms depois do ponto de sincronia, e as 7 restantes a cada 250ms, como

no gráfico abaixo:

Figura 18: Amostragem de um byte recebido

Qualquer erro detecção do ponto de sincronia pode corromper a detecção do byte inteiro, por isso foi

necessário tomar cuidado especial na programação do microcontrolador para que este acione a rotina de

amostragem no instante certo.

Os tempos de amostragem também necessitam de erro inferior a 0,5%, para que o último bit seja

amostrado corretamente mesmo com um erro do instante de sincronia, por isso são definidos por um timer

interno do microcontrolador, controlado pelo programa implementado.

O gráfico a seguir é uma gravação da amostragem de um byte (01110001 = 71hex), feita no receptor com

o auxílio de um PC (via placa de som), onde no canal esquerdo temos o sinal captado do retificador de

125kHz, e no direito, pulsos gerados pelo microcontrolador indicando os instantes de amostragem:

Figura 19: Gravação de uma operação de amostragem

É possível ver os dois bits de sincronia pouco antes da amostragem dos restantes, assim como um ruído

após a sexta amostragem.

As chances de estes ruídos atingirem exatamente o instante de amostragem com intensidade suficiente

para gerar uma amostra errônea são muito pequenas, mas logo após a detecção da portadora (1º bit) o

microcontrolador faz amostragens o tempo todo em busca do instante de transição de sincronia (2º bit), e

um ruído durante este período pode defasar a amostragem, como abaixo:

Figura 20: Gravação de um erro de sincronia e amostragem

No entanto, a codificação utilizada permite que na ocorrência de uma amostragem durante a transição

entre portadoras ou na presença de ruído comum às duas (níveis semelhantes de tensão nos retificadores),

o erro seja percebido e nova amostragem é realizada em seguida, como a terceira do gráfico acima,

resultando na aquisição correta do byte.

O software de amostragem e conversão de seqüência de bits em um byte levou bastante tempo para ser

concluído, pois a velocidade das ações tomadas durante a aquisição de bytes deve ser elevada, e a

implementação de todos os comportamentos em relação a erros de amostragem e sincronia foi difícil.

5.7: Transmissão bidirecional

Por mais bem feito que seja o hardware de transmissão, por mais confiável que ele seja, sempre haverá

perda de informação durante o envio de dados de um emissor a um receptor, fato presente em todos os

meios de transmissão, não só via rede elétrica. Este é inclusive o ponto principal que fez com que a

tecnologia da X10

Ltda. não se tornasse um padrão absoluto, a tremenda antecedência com que ingressou no mercado não

foi capaz de compensar a falta de robustez de seu produto.

Isto faz necessário um controle capaz de assegurar que as informações cheguem corretamente ao destino,

e tomar medidas de contenção caso isto não seja possível. Essa segurança vem da notificação de

recebimento da informação, ou seja, o receptor avisa que recebeu corretamente a informação, e se o aviso

não

chegar o emissor pode repetir a operação, até que a transação seja concluída com sucesso ou um alerta de

falha de comunicação seja emitido.

Comunicações robustas necessitam então de uma via de mão dupla, que possibilite ‘conversas’ entre

emissor e receptor, e de um algoritmo de detecção de erros. Para permitir que cada módulo transmita e

receba informação pela mesma via algumas alterações foram feitas na implementação física, além é claro

de unir os

circuitos de emissão e recepção. Decidiu-se implementar o que se chama de transmissão half-duplex, ou

seja, os módulos ora recebem, ora enviam informação, nunca ambos juntos.

Uma das alterações foi no amplificador de envio, para que sua impedância de saída fosse elevada sem

sinal (modo de recepção) e baixa quando um sinal estivesse sendo amplificado (modo de transmissão). Os

circuitos também foram estruturados de forma que a mudança entre os modos de envio e recepção

dependesse exclusivamente do programa do microcontrolador, permitindo assim conclusão da

implementação física.

5.7.1: Utilização de um display de cristal líquido

Saber o que se passa dentro do microcontrolador, como estão sendo gerados e recebidos os dados, que

ponto do programa está sendo executado ou falhou exige algum tipo de retorno de informação.

Durante o desenvolvimento do sistema TaT muitas vezes alguns pinos do microcontrolador foram ligados

a osciloscópios, placa de som do PC (origem dos gráficos apresentados) e pequenas lâmpadas indicadoras

(LEDs na realidade). Mas estes dispositivos não exibem todas as informações necessárias para saber o

estado do sistema.

ma parte relevante do esforço de desenvolvimento foi utilizada no estudo e integração de um display de

cristal líquido (LCD – Liquid Cristal Display) que exibe mensagens de texto. O LCD escolhido é um

modelo padronizado, amplamente utilizado na indústria, e possui uma interface paralela de 14 pinos.

São os chamados displays de mensagens, e ainda que bastante difundidos, não há nenhum suporte

específico do microcontrolador para estes. Assim foi necessário desenvolver o circuito de ligação do LCD

ao microcontrolador, assim como toda a lógica de comunicação entre estes e organizá-la em uma

biblioteca (trecho de código reaproveitável) com funções de inicialização, escrita e controle do display.

5.7.2: Conclusão da camada física

A última etapa de conclusão da camada física consistiu do projeto mecânico dos módulos TaT, isto é,

caixas, placa de circuito impresso, fiação e montagem.

Para a confecção da placa de circuito impresso (PCB) foi realizado o detalhamento do circuito

esquemático no pacote de softwares OrCad®, incluindo não só o microcontrolador, acoplador,

ressonadores e filtros, mas também a interface para aplicações.

As aplicações se comunicam com a rede elétrica através dos módulos TaT, isto é, cada módulo possui

uma interface para a aplicação e uma conexão com a rede.

Essa interface está intrinsecamente ligada à configuração dos pinos do microcontrolador, e é exibida no

diagrama abaixo:

[figura omitida: Produto pronto aguardando patrocínio pra ser lançado no mercado]

Figura 21: Esquema de um módulo TaT

O barramento digital disponível para a aplicação, que consiste de 14 pinos bidirecionais, pode ser usado

para controlar inúmeros dispositivos, desde um simples tiristor (triac) até o display de cristal líquido

utilizado (6 pinos) para testes.

Como a fonte de alimentação fica a cargo da aplicação, pois não se sabe a carga drenada pela mesma ou

tensão de rede, o módulo TaT como foi construído está pronto para uso, bastando agora implementar um

protocolo de rede adequado e as aplicações, que já vêm sendo desenvolvidas em paralelo pela equipe.

O circuito esquemático do testador encontra-se no Anexo I, devido a seu tamanho. A placa de circuito

impresso, após o posicionamento de todos os 40 componentes e roteamento das trilhas, ficou como a

figura abaixo, que exibe as trilhas superiores e inferiores e o desenho dos componentes:

Figura 22: Placa de circuito impresso de um módulo TaT

As placas foram fresadas sob encomenda no INEP (Instituto de Eletrônica de Potencia) da UFSC, e

quatro módulos ao todo foram confeccionados até o presente momento. Outros mais estão em vias de

serem confeccionados com o auxílio do LabElectron, um laboratório da fundação CERTI (Centros de

Referência em Tecnologias Inovadoras) que possui vinculo com a universidade.

5.8: Trabalho de programação

Assim como a implementação física, detalhada no decorrer do trabalho, a implementação do programa do

microcontrolador, o firmware, foi realizada em etapas, através de ciclos de projeto, implementação e

teste.

Os microcontroladores da família PIC possuem arquitetura RISC (Resumed Instructions Set Computer), o

que significa que possuem poucas instruções em assembly para realizar todas as funções de programação.

O lado positivo desta arquitetura é que o custo desse tipo de microcontrolador é menor, e quando se

programa em assembly (linguagem de montagem, a mais básica) apenas 35 instruções precisam ser

aprendidas. No entanto existe uma grande desvantagem nessa arquitetura, mesmo as mais simples funções

precisam ser implementadas pelo programador. Simples laços de repetição, chamadas de rotinas e

funções, mudança de banco de memória e operações lógicas têm que ser construídas do zero.

Dedicando muita atenção ao trabalho de programação fica difícil pensar na estrutura global do programa,

e uma linguagem de mais alto nível é extremamente necessária. Entre as linguagens disponíveis para

microcontroladores de baixa capacidade estão a velha linguagem C, o Pascal, o C++ e a ainda mais velha

BASIC. Dentre estas a linguagem C é a mais difundida, por ser uma linguagem de nível médio, ou seja,

ainda muito ligada ao hardware, o que é bom quando para programar microcontroladores, ao mesmo

tempo em que permite uma adequada estruturação do código.

Por ser padronizada (ANSI-C) e de implementação relativamente fácil, existem muitas opções de

compiladores e ambientes de programação para microcontroladores PIC em linguagem C, alguns destes já

bastante experimentados e robustos. Após certo tempo dedicado à programação em assembly, para uma

boa compreensão do hardware utilizado, decidiu-se utilizar “C” como linguagem de desenvolvimento.

5.8.1: Utilização dos recursos do microcontrolador

O microcontrolador 16F628A foi escolhido pela sua vasta gama de recursos, como timers e

comparadores, no entanto a utilização destes não é tão simples quanto o fabricante anuncia. Muitos dos

recursos compartilham o mesmo hardware, se tornando excludentes, como o PWM, que quando ativado

impede a utilização de um dos timers. Além disso, a seleção, configuração e utilização destes recursos é

feita através de 22 registradores de 8 bits, configurados bit a bit.

Só para ligar o microcontrolador e fazer com que um led pisque vários registradores precisam ser

iniciados corretamente, e o uso de um compilador C não livra o programador deste trabalho.

O desenvolvimento do TaT tem por objetivo utilizar racionalmente os recursos do microcontrolador,

deixando espaço para que aplicações sejam construídas em cima do mesmo. Ponderou-se ao mesmo

tempo o quanto aproveitar a capacidade do microcontrolador para reduzir a complexidade e custos de

implementação do TaT.

5.8.2: Estruturação do programa

Para realizar a tarefa de programação, vários ambientes de desenvolvimento e diferentes compiladores

foram considerados. O escolhido foi o SourceBoost IDE, que já integra o compilador C2C, assim como

ferramentas para debug e editor com verificação de sintaxe. Este ambiente facilitou também a

estruturação do programa,

tratando projetos como uma entidade composta de vários módulos que se relacionam entre si.

Os módulos foram definidos de forma que cada um realizasse funções afins, e tentando distribuir a

complexidade do programa em partes aproximadamente iguais.

Grande esforço também foi desprendido em tornar o posterior desenvolvimento das aplicações

independente do núcleo do sistema TaT, permitindo que estas sejam construídas como clientes do

sistema, utilizando funções de alto nível que este provê através de uma interface (API – Application

Program Interface).

Os módulos que compõe o programa são:

[Módulos omitidos: Produto pronto aguardando patrocínio pra ser lançado no mercado]

A maneira como estes blocos se relacionam, os eventos que os fazem trocar mensagens e a lógica do

programa como um todo é muito difícil de descrever, seja com gráficos ou textualmente, uma vez que o

sistema TaT juntamente com uma aplicação simples, como as que serão descritas mais à frente, possui

aproximadamente 450 linhas de código C, resumido ao máximo por restrições de memória e

processamento do microcontrolador.

Ainda assim, o fluxograma a seguir é uma tentativa de descrever o comportamento do sistema na chegada

de um bloco de informação, sem incluir o comportamento da aplicação e respostas ao emissor:

[Figura omitida: Produto pronto aguardando patrocínio pra ser lançado no mercado]

Figura 23: Fluxograma lógico de uma recepção de frame

5.9: Protocolo de rede

Terminada a construção física do sistema TaT, o trabalho de desenvolvimento passa a ser a

implementação do protocolo de rede.

Por protocolo de rede entende-se o algoritmo da camada física juntamente com a camada de enlace do

modelo OSI (Open System Interconnect), responsável por montar e desmontar os frames que carregam a

informação.

Lembrando que a rede elétrica é uma rede de difusão (todos os dispositivos captam um sinal injetado), o

protocolo de rede deve garantir que dispositivos possam ser identificados univocamente, que não ocorram

transmissões simultâneas e que haja confiabilidade na transmissão.

Não é uma tarefa simples, ainda mais devido ao fato de que informação pode ser perdida e distorcida no

meio do caminho e isso não deve afetar o funcionamento do algoritmo.

5.9.1: Protocolo próprio ou padronizado

Uma solução é adotar um protocolo já existente, de forma que o trabalho se resume ao estudo e

implementação deste.

As vantagens desta ação incluem a robustez de um sistema exaustivamente planejado e testado, redução

do tempo e esforço de criação do sistema, possível de compatibilidade com dispositivos de outros

fabricantes, a existência de uma metodologia eficiente de desenvolvimento de aplicações, a possibilidade

de pesquisa com especialistas, melhoria da imagem do produto, etc.

Mas protocolos padronizados são genéricos, ou seja, feitos para atender a uma gama muito ampla de

aplicações, e por isso são grandes e complexos, de difícil implementação e possuem desvantagens como a

necessidade de adaptar o sistema de transmissão ao protocolo, a falta de suporte a características

específicas do

sistema e inflexibilidade (padrões não podem ser alterados). Outras mais indiretas são o preço, em caso de

protocolo proprietário, atrelamento a fornecedores e falta de segurança (protocolos abertos).

5.9.1.1: Padrões disponíveis

Existem protocolos de comunicação para todos os gostos, com diferentes níveis de abstração que

padronizam desde apenas a comunicação física até às aplicações que vão rodar em cima do sistema.

Na área de transmissão de dados via rede elétrica os principais utilizados são:

LonWorks – um sistema operacional completo desenvolvido pela Echelon Corp. que atualmente

é um padrão aberto sob a norma EIA 709. É um verdadeiro gigante e sua implementação exige

hardware dedicado, construído apenas pela própria Echelon. Suporta taxas de até 2,5Mbps em

teoria, mas os produtos atuais (PLT22) só implementam 5kbps.

CEBus – (Consumer Electronics Bus) protocolo de rede regulamentado pela EIA 600 (EIA -

Electronic Industries Alliance), voltado especificamente para automação residencial,

transmissões são feitas a uma taxa real de 7kbps (a taxa nominal é 10kbps, mas inclui paridade e

sincronia), atende às regulamentações da América do norte apenas e possui incompatibilidades

entre dispositivos de diferentes fabricantes que implementam o protocolo. Criado há 15 anos

ainda está em desenvolvimento. [ 7 ]

HomePlug – Suporta transmissão de áudio e vídeo (taxas elevadas), mas é um padrão privado da

HomePlug Powerline Alliance e apenas seus sócios podem implementa-lo.

BACnet® – Desenvolvido pela ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating, and

Air-Conditioning Engineers) é um padrão aberto, seu desenvolvimento teve início em 1987 e

terminou em 1996. Sua desvantagem é

que os associados envolvidos direcionaram o mesmo para seus produtos. Sua maior falha foi a

tentativa de criar um protocolo de automação predial absoluto, regulamentando as aplicações e

não permitindo inovações.

X10 – Específico para controle de dispositivos pela rede elétrica, mas somente os emissores de

sinal podem ser implementados pelo público geral, os receptores só podem ser produzidos pela

própria X10 Ltda., é também unidirecional, e assim sujeito a erros de transmissão, ainda que

existam produtos com capacidade bidirecional surgindo. Sua taxa de transmissão é de apenas

120bps (15 bytes p/ segundo).

MODBus – Protocolo industrial de pedido/resposta que trabalha através de códigos de função

específicos. Utilizando este protocolo, pode-se controlar até 247 dispositivos, e sua simplicidade

o fez objeto de estudo deste trabalho, como possível implementação, mas é definido para redes

Ethernet e serial RS485 apenas. [ 7 ]

As vantagens de adotar um protocolo pronto incluem redução de trabalho e tempo de desenvolvimento,

compatibilidade com outros fabricantes e maior aceitação de mercado. No entanto, todos os protocolos e

padrões estudados, sem exceção, regulamentam a forma de transmissão e também a camada física, e a

implementação de qualquer um implicaria em projetar novamente o sistema TaT para atender seus

requisitos.

Para não alterar o sistema, os poucos protocolos que não estão atrelados a questões legais por serem

privados total ou parcialmente, não seriam plenamente implementados e possuiriam problemas com

incompatibilidade e confiabilidade, o que levou à criação de um protocolo próprio.

5.10: Implementação de um protocolo próprio

A implementação de um protocolo próprio tem como vantagem principal a total adaptação deste ao

sistema, e outras como independência de padrões, liberdade de

inovação (futuramente) e a possibilidade de encorpar o mesmo à medida que seja necessário, não sendo

necessário implementar tudo logo no começo.

O protocolo criado é simples, minimalista, e mesmo suportando o desenvolvimento de aplicações sobre si

seu principal objetivo é servir de experiência.

5.10.1: Descrição do protocolo

Suponha que uma mensagem de texto deve ser enviada de um emissor a um destinatário específico. Não

basta jogar os bytes correspondentes no meio físico, é necessário algum tipo de protocolo comum a todos

os dispositivos que dê sentido à informação. O primeiro passo consiste em injetar na rede uma seqüência

de bits que identifique unicamente o destinatário, já que o meio é comum a todos, para que este passe a

copiar as informações subseqüentes. Então tem inicio a transmissão de ‘pacotes de informação’ que

contém o texto em questão e também informações relativas à detecção de erros (CRCs), ao início e

término da transmissão, às ações

de retransmissão frente a erros, à confirmação de recepção e ao controle de quem pode transmitir a cada

instante.

Pensando em todas as aplicações de automação residencial em que se deseja utilizar os módulos TaT, que

são simples, concluiu-se que os pacotes de informação (frames) teriam um tamanho reduzido, e pensando

na dificuldade de implementação e em criar uma comunicação de comportamento previsível, que este

tamanho seria

fixo.

Assim cada frame possui seis bytes, sendo o último o verificador de integridade calculado a partir dos

primeiros, e o primeiro o número de identificação do dispositivo. Os quatro bytes intermediários

correspondem à informação definida pela aplicação, como comandos, requisições, números e mensagens.

O tamanho foi escolhido baseado na premissa de que quase toda a informação trocada entre dispositivos

em uma residência, sendo relativa a eventos discretos, caberia em quatro bytes, requerendo o trânsito de

um único frame. O byte de identificação garante a identificação única de mais de 250 dispositivos ligados

à mesma rede, o número não é exato, pois alguns bytes serão reservados.

O byte de verificação de integridade é calculado através do conhecido algoritmo de detecção de erros

chamado Checagem de Redundância Cíclica (CRC) de 8 bits, com polinômio gerador X8+X2+X1+X0. A

maneira como este algoritmo funciona e como foi implementado estenderia muito este trabalho, logo

basta dizer que ele é capaz de detectar todos os erros de um único bit, todos os erros que afetarem um

número impar de bits, todos os erros de rajada (blocos de bits) com menos de 8 bits afetados e a maioria

dos erros restantes.

O cálculo e o de CRC, juntamente com uma lógica de retransmissão em caso de detecção de falha

garantem a confiabilidade do protocolo. O último requisito é o controle de acesso ao meio, que define o

momento em que cada dispositivo pode enviar um frame no intuito de evitar colisão, uma sobreposição de

sinais que corrompe os dados. Alguns já foram estudados no decorrer do curso [ 9 ], como Token-Passing

e CSMA.

O controle CSMA (Carrier-Sense Multiple Access) é suportado pelo sistema TaT, pois este já verifica a

presença de portadora para a recepção, e pode fazê-lo antes da transmissão. Mas o CSMA só é eficiente

quando também possui detecção de colisão (CSMA/CD), e o sistema TaT não possui fisicamente essa

capacidade.

O protocolo Token-Passing, que consiste em passar a permissão de transmissão de dispositivo a

dispositivo é muito lento quando existem vários na rede, já que cada um tem que aguardar a passagem da

permissão por todos os outros.

Decidiu-se então deixar para o futuro a implementação de um verdadeiro controle de acesso ao meio,

realizando agora apenas um controle simples, baseado na premissa de que em uma rede apenas uma

central de controle irá existir. Só a central pode transmitir a qualquer momento, os outros dispositivos

limitam-se a responder à central imediatamente após um comando. Como a central só acessa um nó de

cada vez, não ocorrem colisões.

Capítulo 6: Aplicação do sistema e resultados obtidos

O sistema TaT, desenvolvido no decorrer deste trabalho tem como objetivo servir de base para aplicações

da área de automação residencial, funcionando como um meio de integração entre sensores e atuadores

diferentes.

Estes últimos são também objeto de estudo da equipe de desenvolvimento, e estão sendo desenvolvidos e

adaptados ao sistema TaT em esforço simultâneo ao deste trabalho. Entre estes dispositivos estão os

interruptores controláveis, reguladores de potência (dimmers) e sensores de presença e luminosidade.

Para servir de base para estes dispositivos, apenas uma última prova de funcionalidade e robustez se faz

necessária. A implementação de uma aplicação simples, mas que utilize todos os recursos do sistema

TaT, ou seja, suas interfaces física e lógica (API). A classe de aplicação escolhida não se destina à

automação residencial diretamente, mas como auxílio à implantação desta nas residências.

Desta forma optou-se por criar uma ferramenta para o instalador e desenvolvedor de soluções que

utilizam o sistema TaT, um testador de condições da rede. Esta aplicação, sob a forma de um aparelho de

medição portátil, como um multímetro, possibilitará ao instalador avaliar as condições da rede entre dois

pontos,

gerando estatísticas sobre o número de pacotes de dados perdidos em uma transmissão bidirecional entre

estes.

O instalador (técnico) também poderá utilizar o aparelho para verificar a integridade de um dos

dispositivos instalados na residência, e detectar fontes de ruído testando pontos estratégicos e verificando

os dados obtidos. O testador de rede atende também às necessidades do desenvolvimento, uma vez que é

construído sobre um módulo TaT padrão, utilizando-o como qualquer aplicação genérica.

6.1.1: Contagem de falhas

Como já mencionado, os módulos TaT implementam um algoritmo de verificação dos frames recebidos,

informando à aplicação quando este aponta uma falha na recepção. A aplicação então toma as medidas

cabíveis.

Como era de se esperar, esse recurso é utilizado também para verificar as condições de uma certa

transmissão. Assim que o algoritmo foi terminado, quando a comunicação ainda era unidirecional, vários

testes foram realizados para avaliar de forma mais profunda a capacidade de comunicação dos módulos

TaT.

Duas aplicações simples foram criadas, um emissor que injetava na rede certos frames conhecidos a um

intervalo regular, e um contador, que armazenava o número de ocorrências de transmissões bem

sucedidas e falhas. As falhas são de dois tipos: falhas de amostragem, que ocorrem quando o sinal é

demasiadamente atenuado ou interrompido, e falhas de validação, quando a informação é corrompida no

decorrer do processo.

O contador exibia os resultados da ocorrência de cada evento em um display de texto, alguns deles

encontram se na tabela abaixo:

Figura 24: Tabela de ocorrência de falhas de transmissão

As falhas de amostragem informam a ocorrência de defeito físico, mais grave, as falhas de validação

podem ocorrer esporadicamente. Os resultados desta tabela foram obtidos sobre um par de tomadas

unidas por 20m de fiação, em um apartamento com vários aparelhos ligados.

6.1.2: O testador de rede

As funcionalidades (de software) que cada módulo TaT possui dependem da aplicação a que este se

destina, no entanto algumas funções são primordiais, e assim são obrigatoriamente implementadas por

qualquer nova aplicação.

Uma destas funções é a função “eco”, a central ou um testador pode requisitar a qualquer tipo de

dispositivo implementado que este retorne um indicativo de que recebeu e entendeu a requisição, um

simples eco que possibilita dizer se um dispositivo está operando. É neste eco que o testador de redes irá

basear seu funcionamento. Se por alguma razão a requisição feita pelo testador não chegar ou for

corrompida, não haverá resposta a esta. Isto pode ocorrer devido a ruídos, atenuação ou mal-

funcionamento de um dispositivo,

Pode ocorrer também a perda da informação de resposta, ou seja, a requisição chegou bem ao destino e

passou pelo teste de validação, mas não foi respondida ou foi corrompida no caminho.

Infelizmente, informações mais concretas, como nível de ruído, quantidade de cargas capacitivas, nível de

atenuação e indutância da rede ainda precisam ser testadas com osciloscópio e gerador de funções, ou

apenas estimadas, o que não é nada prático. Espera-se conseguir uma solução futura para pelo menos

parte deste

problema.

A idéia por trás do testador é que este seja um aparelho portátil, com uma interface simples e clara com

que o técnico possa interagir, definindo a identificação do dispositivo a ser testado e quantidade de ecos a

serem contabilizados, assim como visualizar os resultados.

Um protótipo foi construído, porém não de forma completa, usando um dos módulos TaT

confeccionados, e está sendo utilizado para testar interruptores controlados. Estes são foco de outro

projeto de fim de curso, que está sendo desenvolvido por um membro da equipe. Eles foram feitos para

aplicar o sistema TaT em um controle de iluminação

6.1.3: Estatísticas obtidas

Apresenta-se na Figura 25 Tabela de erros de retransmissão os resultados típicos de um teste, obtidos

sobre um par de tomadas de uma sala, unidas por 20m de fiação. A tomada do testador encontrava-se a 5

metros de fiação do quadro de distribuição, e na tomada onde o interruptor controlado foi ligado, havia

um computador com fonte chaveada de 400W em funcionamento. Este cenário é um exemplo do que

pode ser encontrado em uma residência normalmente.

O testador enviou 272 comandos de liga/desliga ao interruptor. Para cada um aguardava por 250ms uma

confirmação de que o comando foi executado, e caso não houvesse resposta (frame inválido) retransmitia

o comando até obter resultado positivo.

A tabela da Figura 25 Tabela de erros de retransmissão, exibida a seguir, possui na primeira linha o

número de retransmissões necessárias até a correta execução do comando, e na segunda linha o número

de comandos executados com sucesso na 1ª, 2ª e 3ª tentativa.

Figura 25: Tabela de erros de retransmissão

Podemos ver que 92% dos comandos foram executados corretamente na primeira tentativa, o que

equivale dizer que existem 8% de chances de falha em cada tentativa, neste ensaio. Assim se o testador

tentasse apenas três vezes executar um comando as chances de sucesso teóricas seriam: (1–0,083) 100 =

99,94%.

A título de informação, no acionamento de um interruptor a partir da central decidiu-se utilizar 16

tentativas de retransmissão, as chances de todas falharem são de 3x10-18, em casos normais.

Os resultados dos ensaios realizados com o testador de rede variam não só entre instalações elétricas

diferentes e pontos diferentes da residência, mas também em função da carga em funcionamento. Sendo

assim, diferentes momentos do dia correspondem a diferentes características de um mesmo segmento de

rede, em

geral à noite os resultados são piores.

6.1.4: Confecção do testador

Por ser uma aplicação completa o testador de rede possui, além de um módulo TaT, uma fonte de

alimentação, um display de texto e botões. A fonte de alimentação utilizada foi desenvolvida pela equipe,

e consiste em uma fonte chaveada de apenas 3x3x2cm, com saída de 5V x 500mA.

No entanto não houve tempo de completar o desenvolvimento do testador, o protótipo possui apenas um

botão e realiza apenas uma seqüência de teste, com a qual se obtiveram os resultados exibidos na Figura

25 Tabela de erros de retransmissão, mas sem uma interface amigável para um técnico instalador.

Capítulo 7: Conclusões e Perspectivas

O que se esperava obter do sistema TaT era um módulo funcional de suporte a automação residencial, um

sistema de comunicação com suporte a vários dispositivos e suficientemente robusto para obter confiança

do mercado.

Conseguimos produzir os módulos esperados, e o sistema é relativamente robusto, assim os principais

objetivos foram atingidos satisfatoriamente. Mas se pretende melhorar muita coisa ainda.

Uma delas é o custo de desenvolvimento, que mesmo baixo para um protótipo (R$ 25 por módulo), ainda

é alto para o mercado. E a razão para tal preocupação é que este trabalho não se destina a ser meramente

uma pesquisa acadêmica, que nunca sai da universidade. Desde o início o objetivo é montar uma micro

empresa,

com os dois membros que formam a equipe de desenvolvimento. Além deste trabalho, vários outros

dispositivos de automação de baixo custo, descritos no projeto de fim de curso do aluno Cirilo Cavalli,

forma desenvolvidos. Alguns para serem integrados ao sistema TaT, alguns isoladamente, como produto

de apoio à empresa.

A integração do sistema TaT ao computador, realizada no outro projeto citado, abre um leque enorme de

possibilidades para o sistema. Um usuário pode, por exemplo, acionar dispositivos via Internet e criar

suas próprias aplicações.

A empresa vislumbrada poderá tanto ser uma OEM (Original Equipment Manufacturer), produzindo

módulos TaT para outras, como poderá atender diretamente ao consumidor, como uma empresa

terceirizada da construtora

Conceito & Moradia.

Pessoalmente sinto-me satisfeito com estes oito meses de desenvolvimento, e ainda que a universidade

tenha certa resistência à exploração de novas áreas, encontramos no campus o apoio de algumas pessoas.

E quem sabe em breve o leitor poderá automatizar sua casa com produtos da ComTaT M.E.

Bibliografia:

[ 1 ] Mike Donlon, "Using Standard Internet Protocols in Building Automation", Artigo, Research and

Development , Computrols Inc., Julho de 2001.

[ 2 ] Amitava Dutta-Roy, "Networks for Homes", IEEE Spectrum , Vol. 36, Nº 12, Dezembro de 1999.

[ 3 ] Shane Kirwan e Greg South, "Power Line Networking Technologies broadband potential", Instituto

de tecnologia de Carlow, Irlanda, março de 2004.

[ 4 ] Mathew Chacko, “PLT-22 Power Line Transceiver”, Datasheet de produto, Echelon Corporation,

janeiro de 2004.

[ 5 ] Assessoria de Imprensa, Anatel, “Seminário sobre Aplicação da Rede Elétrica nas

Telecomunicações”, 4 de novembro de 2003.

[ 6 ] R. C. Dixon, “Spread Spectrum Systems”, segunda edição, John Wiley e filhos

Ltda., Nova Iorque, 1984.

[ 7 ] Graham Controls Consulting Inc., “LonWorks vs. CEBus vs. X-10”, 2003

[ 8 ] Dennis Dube, Jacques Camerini, “MODBUS Application Protocol”, Internet Engineering Task

Force, setembro de 2002.

[ 9 ] Dr. Marcelo Ricardo Stemmer, “Sistemas Distribuídos e Redes de Computadores Para Controle e

Automação Industrial”, UFSC – DAS, 2001.

[ 10 ] David Kung, “Databook and Design Guide”, Power Integrations Inc., julho de 1996.

[ 11 ] David José de Souza, "Desbravando o PIC”, Edição ampliada e atualizada para o PIC16F628,

Editora Érica Ltda., 2003.

Anexo I - Diagrama esquemático do módulo TaT

[Diagrama omitido: Produto pronto aguardando patrocínio para ser lançado no mercado]