UM SISTEMA DE SUPERVISÃO REMOTA DE ELETRODOMÉSTICOS EM REDE SEM FIO IEEE 802.15.4

  UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

  DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE PROGRAMA DE PốS-GRADUAđấO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Ố PPGEEL

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UM SISTEMA DE SUPERVISÃO REMOTA DE ELETRODOMÉSTICOS EM REDE SEM FIO IEEE 802.15.4

  JOINVILLE – SC 2008 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

  DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE PROGRAMA DE PốS-GRADUAđấO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Ố PPGEEL

  

RODRIGO CURVÊLLO

UM SISTEMA DE SUPERVISÃO REMOTA DE ELETRODOMÉSTICOS EM REDE SEM FIO IEEE 802.15.4

  DISSERTAđấO APRESENTADA PARA OBTENđấO DO TÍTULO DE MESTRE EM ENGENHARIA ELÉTRICA DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELO PROF.

  DR. ANTONIO HERONALDO DE SOUSA.

  JOINVILLE - SC 2008

RODRIGO CURVÊLLO UM SISTEMA DE SUPERVISÃO REMOTA DE ELETRODOMÉSTICOS EM REDE SEM FIO IEEE 802.15.4

  Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

MESTRE EM ENGENHARIA ELÉTRICA

  na área de concentração "Automação de Sistemas", e aprovada em sua forma final pelo CURSO DE MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

  DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

  Dr. Antonio Heronaldo de Sousa CCT-UDESC/SC

  (presidente) Banca Examinadora:

  Dr. André Bittencourt Leal CCT-UDESC/SC

  Dr. Mehran Misaghi

  IST-SOCIESC/SC _____________________________________

  Dr. Claudio César de Sá CCT-UDESC/SC FICHA CATALOGRÁFICA

  NOME: CURVÊLLO, Rodrigo DATA DEFESA: 12/12/2008 LOCAL: Joinville, CCT/UDESC NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 10 – CCT/UDESC FORMAđấO: Engenharia Elétrica ÁREA DE CONCENTRAđấO: Automação de Sistemas TÍTULO: Um sistema de supervisão remota de eletrodomésticos em rede sem fio IEEE 802.15.4. PALAVRAS - CHAVE: Supervisório, Rede sem Fio, IEEE 802.15.4, Eletrodoméstico. NÚMERO DE PÁGINAS: v, 123 p. CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Engenharia Elétrica - PPGEEL CADASTRO CAPES: 41002016012P0 ORIENTADOR: Dr. Antonio Heronaldo de Sousa PRESIDENTE DA BANCA: Dr. Antonio Heronaldo de Sousa

MEMBROS DA BANCA: Dr. André Bittencourt Leal, Dr. Mehran Misaghi e Dr. Claudio César de Sá.

  Em memória de João Demétrio Curvêllo, meu pai.

AGRADECIMENTOS

  ƒ A Deus, que fornece a vida, essencial para todas as realizações; ƒ A Família, que sempre colaborou para o meu crescimento; ƒ Ao Professor Dr. Antonio Heronaldo de Sousa, pela dedicação e crédito depositado em mim; ƒ A UDESC, por todo o apoio dado a esta pesquisa; ƒ A SOCIESC, por mostrar que é possível a mudança do ser pela da educação; ƒ Aos amigos da SOCIESC que colaboraram nas horas mais difíceis e mostraram que seria possível transpor este desafio; ƒ Aos amigos do Mestrado Ana Watanabe e Rafael Prado por todos os momentos compartilhados; ƒ Ao bolsista Ernani César dos Santos, por acompanhar e ajudar no início deste trabalho; ƒ Ao aluno Gustavo Meyer, por ajudar no planejamento e desenvolvimento de algumas atividades deste projeto; ƒ Ao aluno Tiago Antonio Jacobi, por ajudar a desvendar os mistérios do framework

  Flex da Adobe; ƒ Aos alunos Cleder da Silva Costa, Júlio Luiz do Amaral e Renan Augusto da Silva por ajudar no desenvolvimento das classes de relatório; ƒ Ao amigo Sebastião Sales Bueno Junior, pela revisão do Abstract; ƒ A minha esposa Indianara e ao meu filho Gustavo, por suportarem o meu humor muitas vezes não muito agradável e pelo incentivo nos momentos onde mais precisei deles.

  “Tudo posso naquele que me fortalece.” (Filipenses 4:13)

  

RESUMO

  A proposta deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema de supervisão remota de eletrodomésticos em rede sem fio utilizando o padrão de comunicação IEEE . Como objetivos principais da aplicação estão o controle, monitoramento,

  802.15.4

  parametrização e supervisão dos eletrodomésticos da rede, possibilitando assim o envio de comandos para os eletrodomésticos e o recebimento das informações sobre o estado de operação dos mesmos. Os dados recebidos são armazenados no banco de dados da aplicação para posterior filtragem, gerando os relatórios de utilização para cada um dos eletrodomésticos. Com isto é possível gerar alertas sobre o comportamento dos eletrodomésticos, disparando avisos para os usuários cadastrados na aplicação. Os resultados obtidos mostram que o acesso aos dados do sistema remotamente, através da publicação da aplicação na Web, permite aos usuários domésticos, fabricantes e pessoal responsável pela manutenção dos eletrodomésticos, gerenciarem o sistema, auxiliando no desenvolvimento de novos produtos e agendamento de manutenções preventivas, além de aumentar as possibilidades de novos serviços aos usuários. Para o desenvolvimento da aplicação foram utilizadas a linguagem de programação Java, principalmente suas tecnologias voltadas para Web como JSP e Servlet, banco de dados e container Web Apache TomCat.

  MySQL PALAVRAS-CHAVE: Supervisório. Rede sem Fio. IEEE 802.15.4.

ABSTRACT

  The objective of this work is the development of a remote supervision of Household appliances within a wireless network using the standard communication

  IEEE 802.15.4. As main objectives of this system it is important to point the controlling, monitoring, configuration and supervision of the household appliances within the network, creating so the possibility of issue commands to the household appliances and the recivement of the information about their state operation. Every data are stored in the data base of the system to later mining, creating the reports of utilization of each household appliance. With that, it is possible to generate alerts about the performance of the household appliances, going off messages to users of the system. The obtained results show that the access to the system data, by remote way, via the publication of its application on the Web allow the house users, factors and the household appliances maintenance staff, manage the system. It helps so in the development of new products, in the scheduling of preventive maintenance, besides of the increasing of the possibilities of news services to users. To the development of the system it was used the programming language Java, mainly its technologies applied to the Web as JSP and Servlet, data base MySQL and the container Web Apache Tomcat.

  KEYWORDS: Supervisory. Wireless. IEEE802.15.4.

  

SUMÁRIO

  

INTRODUđấO ............................................................................................................ 18

  1.1 Motivação ........................................................................................................ 18

  1.2 Objetivos .......................................................................................................... 19

  1.2.1 Objetivos Específicos ..................................................................................... 19

  1.3 Organização ..................................................................................................... 20

  

2 FUNDAMENTAđấO TEốRICA ....................................................................... 22

  2.1 Sistema Supervisório ....................................................................................... 22

  2.2 Redes de Computadores ................................................................................... 24

  2.2.1 Abrangência das Redes .................................................................................. 25

  2.2.2 Topologias das Redes .................................................................................... 25

  2.3 Comunicação de Dados via Rede Elétrica (Powerline) ................................... 26

  2.4 Redes sem Fio .................................................................................................. 28

  2.4.1 IEEE 802.15.4 Camada Física (PHY) ............................................................ 33

  2.4.2 IEEE 802.15.4 Camada Enlace (MAC) ......................................................... 36

  2.4.3 ZigBee ............................................................................................................ 38

  2.5 Funcionamento das Aplicações Web ................................................................ 42

  2.5.1 Tecnologias Java para Web............................................................................ 46

  2.5.2 Tecnologia para geração de relatórios ........................................................... 49

  2.6 UML ................................................................................................................. 50

  2.6.1 Levantamento de Requisitos .......................................................................... 50

  2.6.2 Diagrama de Caso de Uso .............................................................................. 51

  2.6.3 Diagrama de Seqüência .................................................................................. 52

  2.6.4 Diagrama de Classe ........................................................................................ 53

  

3 PROPOSTA DA APLICAđấO PONTO-A-PONTO ........................................ 55

  4.3 Diagrama de Seqüência da Aplicação em Rede via Acesso Remoto ............... 86

  4.5.9 Tarefas ............................................................................................................ 99

  4.5.8 Equipamentos ................................................................................................. 98

  4.5.7 Usuários ......................................................................................................... 98

  4.5.6 Modelos .......................................................................................................... 97

  4.5.5 Marcas ............................................................................................................ 96

  4.5.4 Perfil do Usuário ............................................................................................ 96

  4.5.3 Perfil de Utilização ........................................................................................ 95

  4.5.2 Tipo de Equipamento ..................................................................................... 94

  4.5.1 Autenticação .................................................................................................. 93

  4.5 Interface com o Usuário da Aplicação em Rede via Acesso Remoto .............. 91

  4.4 Diagrama de Classe da Aplicação em Rede via Acesso Remoto ..................... 88

  4.2.1 Especificação do Caso de Uso da Aplicação em Rede via Acesso Remoto .. 83

  3.1 Levantamento de Requisitos da Aplicação Ponto-a-Ponto .............................. 56

  4.2 Caso de Uso da Aplicação em Rede via Acesso Remoto ................................ 82

  4.1 Levantamento de Requisitos da Aplicação em Rede via Acesso Remoto ....... 80

  

4 PROPOSTA DA APLICAđấO EM REDE VIA ACESSO REMOTO ........... 78

  3.8 Conclusão da Aplicação Ponto-a-Ponto ........................................................... 76

  3.7 Interface com o Usuário da Aplicação Ponto-a-Ponto ..................................... 72

  3.6 Interface RS-232 .............................................................................................. 70

  3.5 Kit de Desenvolvimento .................................................................................. 68

  3.4 Diagrama de Classe da Aplicação Ponto-a-Ponto ............................................ 65

  3.3 Diagrama de Seqüência da Aplicação Ponto-a-Ponto ...................................... 63

  3.2.1 Especificação do Caso de Uso da Aplicação Ponto-a-Ponto ......................... 59

  3.2 Diagrama de Caso de Uso da Aplicação Ponto-a-Ponto .................................. 57

  4.5.10Alertas de Supervisão .................................................................................. 100

  4.5.12Painel de Controle ....................................................................................... 103

  4.5.13Relatórios .................................................................................................... 104

  4.6 Conclusão da Aplicação em Rede via Acesso Remoto .................................. 105

  

5 RESULTADOS E CONSIDERAđỏES FINAIS .............................................. 108

  5.1 Dados Gerados pela Aplicação ...................................................................... 108

  5.2 Considerações Finais ...................................................................................... 111

  5.2.1 Publicações .................................................................................................. 112

  5.2.2 Trabalhos Futuros ........................................................................................ 112

  

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 114

ANEXO A - Diagrama de Blocos do MC13213 e HCS-08 ...................................... 120

ANEXO B - Especificação da lavadora Turbo Eficiência 8 Kg - Brastemp ......... 122

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 - Rede sem fio modo infra-estrutura. ............................................................ 30Figura 2.2 - Rede sem fio modo ad hoc. ......................................................................... 31

  Figura 2.3- Faixas para freqüência de operação ISM. .................................................... 33

Figura 2.4 - Modelo de referência da camada física IEEE 802.15.4. ............................. 35Figura 2.5 - Modelo de referência da camada de enlace IEEE 802.15.4....................... 37Figura 2.6 – Áreas de aplicação do ZigBee .................................................................... 39Figura 2.7 - Enquadramento do padrão ZigBee dentro do IEEE 802. ........................... 39Figura 2.8 - Comparação do ZigBee com outras tecnologias sem fio. ........................... 40Figura 2.9 - Topologias das redes ZigBee. ..................................................................... 41Figura 2.10 - Camadas ZigBee. ...................................................................................... 41Figura 2.11 – Comunicação entre cliente e servidor Web. ............................................. 42

  Figura 2.12- Exemplo de uma URL. .............................................................................. 46

Figura 2.13 - Ciclo de um aplicativo Java. ..................................................................... 47Figura 2.14 - Comunicação entre cliente, servidor e container Web. ............................ 48Figura 2.15 – Interação entre cliente e servidor para geração dos relatórios. ................ 49Figura 2.16 – Exemplo de diagrama de caso de uso ...................................................... 52Figura 2.17 - Exemplo de diagrama de seqüência. ......................................................... 53

  Figura 2.18- Relacionamentos existentes nos diagramas de classe. ............................... 54

Figura 3.1 - Estrutura de funcionamento da aplicação local. ......................................... 56Figura 3.2 – Diagrama de caso de uso para o ator usuário. ............................................ 58Figura 3.3 – Diagrama de caso de uso para o ator lavadora. .......................................... 58Figura 3.4 – Diagrama de seqüência para iniciar a aplicação ........................................ 64Figura 3.5 – Diagrama de seqüência de solicitação e leitura de estado.......................... 65Figura 3.6 - Diagrama de classe da aplicação local. ....................................................... 66Figura 3.7 – Estrutura do datagrama da aplicação ponto-a-ponto. ................................. 67Figura 3.8 – Diagrama de bloco do módulo de desenvolvimento. ................................. 70Figura 3.9 - Pinagem do conector DB9 .......................................................................... 71Figura 3.10 - Tela principal da aplicação local. ............................................................. 73Figura 3.11 - Painel de configuração dos tempos. .......................................................... 74Figura 3.12 - Menu para alterar o idioma da aplicação. ................................................. 75Figura 3.13 - Aplicação traduzida para o inglês. ............................................................ 75Figura 4.1 - Modelo de funcionamento da aplicação em rede via acesso remoto. ......... 78Figura 4.2 – Diagrama de caso de uso da aplicação em rede via acesso remoto ........... 83Figura 4.3 – Diagrama de seqüência para incluir tarefa ................................................. 87Figura 4.4 – Diagrama de seqüência para incluir alerta ................................................. 88Figura 4.5 – Diagrama de classe da comunicação da aplicação. .................................... 88Figura 4.6 - Estrutura do datagrama da aplicação em rede via acesso remoto. .............. 89Figura 4.7 – Diagrama de classe dos cadastros da aplicação. ........................................ 91Figura 4.8 – Estrutura em camadas utilizando MVC ..................................................... 93Figura 4.9 – Seqüência para autenticação do usuário. .................................................... 94Figura 4.10 – Cadastro de tipos de equipamentos. ......................................................... 95Figura 4.11 – Cadastro perfil de utilização. ................................................................... 96Figura 4.12 – Cadastro perfil de usuário. ....................................................................... 96Figura 4.13 – Cadastro de marcas. ................................................................................. 97Figura 4.14 – Cadastro de modelos. ............................................................................... 97Figura 4.15 – Cadastro de usuários. ............................................................................... 98Figura 4.16 – Cadastro de equipamentos. ...................................................................... 99Figura 4.17 – Cadastro de tarefas. ................................................................................ 100Figura 4.18 – Cadastro de alertas de supervisão. ......................................................... 101Figura 4.19 – Exemplo do e-mail enviado para aviso do alerta. .................................. 102Figura 4.20 – Equipamentos cadastrados. .................................................................... 103Figura 4.21 – Painel de controle. .................................................................................. 104Figura 4.22 – Relatório de tempo de utilização. ........................................................... 104Figura 5.1 – Gráfico de utilização diária do eletrodoméstico....................................... 109Figura 5.2 - Gráfico de utilização mensal do eletrodoméstico. .................................... 110Figura 5.3 - Gráfico de utilização anual do eletrodoméstico. ....................................... 111

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Comparação dos padrões 802.11 ............................................................... 32Tabela 3.1 – Levantamento de requisitos da aplicação local ......................................... 57Tabela 3.2 – Especificação para visualizar estado de operação da lavadora (Usuário) . 59Tabela 3.3 - Especificação para selecionar recursos da lavadora (Usuário) .................. 60Tabela 3.4 - Especificação para receber solicitação de estado (Lavadora) .................... 61Tabela 3.5 - Especificação para enviar resposta informando seu estado (Lavadora) ..... 62Tabela 3.6 - Especificação para receber comandos da aplicação (Lavadora) ................ 63Tabela 3.7 – Especificação das informações contidas em DADOS H ........................... 68Tabela 4.1 - Levantamento de requisitos da aplicação em rede via acesso remoto ....... 81Tabela 4.2 – Especificação para realizar a manutenção das tarefas (Usuário) ............... 84Tabela 4.3 – Especificação para definir os relatórios (Usuário)..................................... 85Tabela 4.4 – Especificação para criar alertas personalizados (Usuário) ........................ 86

LISTA DE QUADROS

  Quadro 2.1 – Anatomia de uma solicitação HTTP GET ................................................ 43 Quadro 2.2 – Anatomia de uma solicitação HTTP POST .............................................. 44 Quadro 2.3 – Anatomia de uma resposta HTTP. ............................................................ 45

  • – Verificação de Redundância Cíclica CSMA/CA

  Portadora a Acesso Múltiplo / Prevenção de Colisão D/A

  HyperText

  General Purpose Input Output

  Full Function Device

  FFD

  Eletric Industries Association

  ED Energy Detection EIA

  Data Transfer Object

  Direct

  DAO Data Acess Object DSSS

  Digital/Analogic

  Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance – Detecção de

  Cyclical Redundancy Check

  CRC

  Comand Comando

  BO Business Object CMD

  Background Debug Module

  BDM

  Application Program Interface

  API

  Analogic/Digital

  A/D

  • Sequence Spread Spectrum DTO
    • – Dispositivo de Função Completa GPIO
    • – Entrada e Saída de Propósito Geral HTML HyperText Markup Language HTTP

  Transfer Protocol

  • – Instituto de Engenharia Elétrica e Eletrônica
  • – Organização de Dados Infra Vermelho J2SDK Java 2 Standard Development Kit JSP Java Server Pages JVM
  • – Indicação de Qualidade de Enlace MAC
  • – Controle de Acesso ao Meio MAN Metropolitan Area Network MCPS

  • Digest algorithm 5 MLME
    • – Personal Computer PD

  PHY

  Data PLC Power Line Communications PLME

  PHY

  Computador Pessoal

  PAN Personal Area Network PC

  Model, View and Control

  MVC

  Master Terminal Units

  Protocol Data Unit MTU

  MAC

  Layer Management Entity MPDU

  MAC

  Message

  Commom Part Sub-Layer MD5

  MAC

  Media Access Control

  Link Quality Indicator

  LED Light-Emiting Diodes LQI

  Local Area Network

  LAN

  Java Virtual Machine

  InfraRed Data Organization

  IP Internet Protocol IrDA

  Institute of Electrical and Eletronics Engineers

  IEEE

  Layer Management Entity RF

  Radio

  VO Value Object WAN

  WWAN Wireless Wide Area Network

  Wireless Personal Area Network

  WPAN

  Wireless Metropolitan Area Network

  WLAN Wireless Local Area Network WMAN

  Wireless Fidelity – Fidelidade sem fio

  WI-FI

  Wide Area Network

  Universal Serial Bus

  Frequency RFD Reduced Function Device RTU

  Localizador Uniforme de Recursos USB

  Uniform Resource Locator -

  Control Protocol UML Unified Modeling Language URL

  Transmission

  TCP

  Supervisory Control and Data Acquisition

  SCADA

  Remote Terminal Units

  XML EXtensible Markup Language

  

INTRODUđấO

  1.1 OTIVAđấO

M

  A automação ampliou seu foco além da área industrial e está cada vez mais inserida na vida cotidiana e nos últimos tempos vem sendo aplicada também nas residências. Na domótica, como é conhecida a automação de residências, existe um diferencial, pois além de automatizar um determinado processo deve-se pensar em beleza, conforto e praticidade, pois se aplica em um ambiente bem mais descontraído do que os encontrados no chão de fábrica (BOLZANI, 2004).

  As casas inteligentes, como são chamadas estas residências que possuem algum tipo de automação, têm um apelo futurista se analisadas pela grande parte da população. Porém, está cada vez maior o uso de recursos para automatizar residências, que pode ser comprovado com o crescente número de residências já existentes que utilizam estes recursos. Tal comportamento é uma sinalização de que o mercado de construção civil está sofrendo alterações em seus conceitos de projetos. Essas alterações são forçadas por vários fatores como segurança, praticidade, comodidade, preservação do meio ambiente e, até mesmo, a questão financeira.

  Alguns dos recursos utilizados nestas residências são sistemas de segurança via Internet, controle de temperatura, sistema de irrigação das plantas, sistema para reutilização da água, aproveitamento da água da chuva, sistema automático de controle de iluminação, aproveitamento de energia solar, entre outros. Dentro deste panorama, os eletrodomésticos que serão inseridos neste novo tipo de residência têm que sofrer algumas modificações para poderem se adaptar a uma residência com tantos diferenciais tecnológicos. Todos os esforços neste sentido partem em âmbito individual, assim, cada fabricante em cada equipamento cria funções para melhorar a interface e o controle pelo usuário sobre determinado eletrodoméstico.

  Com isto, existe um ganho significativo na compatibilidade do perfil de uma casa inteligente com seus eletrodomésticos, mas esta é apenas uma parte das alterações que estes devem sofrer. Geralmente, esta adição de controle sobre equipamentos gera um aumento na quantidade de cabos e fios que devem ser inseridos para permitir tal controle, o que em alguns casos pode gerar um trabalho significativo para a realização da instalação destes recursos.

  A aplicação de redes sem fio na comunicação dos eletrodomésticos é algo que amplia a capacidade de controlar, monitorar, parametrizar e supervisionar remotamente estes dispositivos, devido à facilidade de instalação, pois não necessita de cabos ou fios adicionais. Para que isto funcione dentro de um sistema com vários eletrodomésticos, surge a necessidade de implantar um sistema que supervisione o funcionamento de uma rede de eletrodomésticos, equiparável com os controles remotos universais utilizados para televisão, aparelhos de DVD, entre outros. Mesmo adicionando este controle central, é necessário pela rotina diária, que este controle esteja disponível também fora do ambiente da residência, permitindo assim o acesso remoto aos elementos controlados. Dessa forma, é interessante que esse sistema seja desenvolvido utilizando a conectividade da Internet, afim de aumentar o acesso aos recursos oferecidos e permitir uma interação mais rica entre os usuários e os dispositivos.

  1.2 BJETIVOS

O

  A partir dos dados apresentados, o objetivo desta dissertação é apresentar um sistema supervisório de eletrodomésticos em rede sem fio, bem como a estruturação de uma rede IEEE 802.15.4 (IEEE 802.15.4 2003). Este sistema supervisório é instalado em um computador padrão IBM-PC que possua portas de comunicação serial que utilizem a conexão tipo DB9 e acesso à Internet para permitir a utilização do software via Web. O software possui uma interface que permite acessar os dispositivos da residência de qualquer local que possua acesso à Internet.

  1.2.1 E

  BJETIVOS SPECÍFICOS

O

  Para atingir o objetivo principal deste trabalho foi necessário estudar e desenvolver vários elementos envolvidos para a concretização do projeto, estes elementos estão enumerados a seguir: a) Estudar o funcionamento das redes sem fio, principalmente a especificação IEEE 802.15.4 (IEEE 802.15.4 2003) e o padrão ZigBee

  (EADY,2007) ;

  b) Estudar o funcionamento do hardware e software do Kit de desenvolvimento MC 13213 EVK do fabricante Freescale

  (FREESCALE, 2006d);

  c) Estudar e comparar as diferentes bibliotecas que permitem a comunicação entre o computador e o Kit de desenvolvimento MC 13213

  EVK (GOMES, 2007);

  d) Analisar as funcionalidades da aplicação ponto-a-ponto em redes sem fio;

  e) Estudar uma linguagem de programação para implementação do software; f)

  Desenvolver a aplicação ponto-a-ponto;

  g) Estudar as tecnologias Web e padrões de projeto;

  h) Estudar o sistema gerenciador de banco de dados; i)

  Analisar as funcionalidades da aplicação Web; j) Desenvolver o sistema supervisório de eletrodomésticos em uma rede sem fio IEEE 802.15.4.

  1.3 RGANIZAđấO

O

  Este trabalho está organizado de forma a apresentar os elementos necessários a sua compreensão na ordem e profundidade que eles foram estudados para sua conclusão, para isto está dividido em cinco capítulos.

  O capítulo 2 descreve a fundamentação teórica e todos os conceitos envolvidos para o entendimento do trabalho. Inicialmente são apresentados os conceitos de sistema supervisório, redes de computadores, comunicação via rede elétrica, redes sem fio, funcionamento das aplicações Web e UML (Linguagem Universal de Modelagem) utilizado para a modelagem do sistema.

  O capítulo 3 apresenta a primeira versão da aplicação que utiliza comunicação ponto-a-ponto. São apresentados a modelagem do sistema, o funcionamento do kit de desenvolvimento, o funcionamento da comunicação entre o computador e o Kit ZigBee, a biblioteca utilizada para manipular a interface RS 232, o desenvolvimento e apresentação da interface com o usuário e conclusões alcançadas nesta primeira versão da aplicação.

  O capítulo 4 descreve o desenvolvimento de um sistema de supervisão remota de eletrodomésticos em rede sem fio IEEE 802.15.4, apresentando a modelagem do sistema, estrutura de desenvolvimento em camada, o desenvolvimento, apresentação da interface gráfica com o usuário e conclusão da aplicação em rede via acesso remoto.

  O capítulo 5 apresenta os resultados obtidos através dos dados gerados pela aplicação, sendo apresentados na forma de gráficos que auxiliam na visualização do perfil de utilização de um eletrodoméstico e podem ser utilizados como base de dados estatísticos para fabricantes e empresas de manutenção de eletrodomésticos. Ao final deste capítulo são apresentadas as considerações finais, publicações geradas por este trabalho e propostas para trabalhos futuros.

  

2 TEÓRICA

FUNDAMENTAđấO

  2.1 ISTEMA S UPERVISÓRIO

S

  O propósito de um sistema supervisório é proporcionar ao usuário a capacidade de exercer controle sobre um dispositivo específico, confirmando seu funcionamento de acordo com a ação pretendida (ACKERMAN; BLOCK, 1992). A denominação usualmente utilizada para este tipo de aplicação é Aquisição de Dados e Controle Supervisório (Supervisory Control and Data Acquisition - SCADA).

  A SCADA é uma tecnologia que permite ao usuário localizado em uma estação mestre coletar dados de uma ou mais instalações remotas e enviar instruções de controle pré-definidas para as instalações remotas (BOYER, 2004). O termo SCADA refere-se à combinação da telemetria, que permite a conexão de equipamentos e sistemas separados por grandes distâncias, da aquisição de dados, da transferência dos dados para uma central, da devolução da análise e controle necessários, além da apresentação das informações em telas para o usuário (BAILEY; WRIGHT, 2003).

  Apesar da operação à distância ser um fator inerente a um sistema SCADA, existe alguma generalização do uso do termo. Usualmente, a distância coberta por um sistema SCADA refere-se àquela em que a conexão direta por cabo entre a estação central e as instalações remotas é impraticável, mesmo com esta padronização. Em instalações industriais é comum chamar de sistema SCADA aqueles envolvidos na supervisão de uma máquina ou processo, em que a distância entre a estação mestre e as estações remotas não passa de algumas dezenas de metros (ADAMI JUNIOR, 2006).

  Um sistema SCADA típico é composto por uma ou mais Estações Terminais Mestre (Master Terminal Units – MTUs), Unidades Terminais Remotas (Remote

  

Terminal Units – RTUs ), sensores e atuadores, além de toda a tecnologia de

  2006). Um sistema supervisório engloba todo o controle existente na estação mestre, como por exemplo, sinalizações e elementos envolvidos na telemetria, além de todos os dispositivos complementares existentes em estações remotas (ANSI, 1987).

  A RTU é responsável por transmitir todos os dados para a MTU e realizar as ações de controle recebidas da MTU. Normalmente, a MTU fica localizada na central de operação que é responsável pela comunicação com as estações remotas e de seu controle. A MTU é composta por um ou mais computadores dedicados à operação de manipulação de alarmes, armazenamento de dados, que podem ser transformados em relatórios utilizados para a avaliação de tendência de funcionamento e analisar o comportamento de um sistema supervisionado.

  Atualmente, para realizar a comunicação entre as unidades que compõem o sistema a ser supervisionada são utilizadas as mais diversas tecnologias como RS-232, RS-442, RS-485, linhas telefônicas (discadas ou dedicadas), rádio freqüência, microondas, satélite e redes padrão Ethernet (ADAMI JUNIOR, 2006).

  O sistema SCADA é dividido em dois grupos (BAILEY; WRIGHT, 2003):

  a) proprietário, que pode levar à dependência de alguns poucos fabricantes, uma vez que geralmente as empresas desenvolvem software proprietário para se comunicar com o seu hardware; b) aberto, que vem ganhando popularidade por permitir maior interoperabilidade para o sistema, permitindo supervisionar equipamentos de diferentes fabricantes no mesmo sistema.

  Tipicamente, um sistema SCADA é caracterizado por efetuar cinco funções: 1) entrada e saída, responsável pela interface entre os sistemas de monitoramento e controle e os equipamentos sobre supervisão;

  2) alarme responsável por verificar quais valores são pontos de alarme e comparar estes pontos com os valores lidos dos equipamentos para disparar as sinalizações adequadas;

  3) tendência, responsável por armazenar os dados coletados em função do tempo para serem acompanhados;

  4) relatório, responsável por produzir os relatórios a partir dos dados dos equipamentos. Estes relatórios podem ser periódicos, acionados de acordo com a ocorrência de um evento ou ativados por um operador;

  5) exibição, que é responsável por gerenciar todos os dados que serão monitorados por um usuário e todas as ações de controle desencadeadas por ele.

  Em virtude dessas cinco funções existe a necessidade de armazenar um conjunto de informações e agrupá-las em um banco de dados. Com isto, se mantém uma referência de todos os dados e informações que serão atualizadas, visualizadas e armazenadas pelo sistema SCADA (ADAMI JUNIOR, 2006).

  Além dessas funções, também é usado, em alguns casos, um módulo chamado de receita. Este módulo refere-se aos procedimentos que devem ser adotados para alterar o comportamento do funcionamento de um equipamento. Com isto, pode-se fazer com que um equipamento que estava produzindo um produto do tipo A passe a produzir produtos do tipo B, por exemplo. Para que isto seja possível, é necessário que o equipamento adote um conjunto de instruções e configurações diferenciadas em cada um dos momentos (ADAMI JUNIOR, 2006).

  2.2 EDES DE C OMPUTADORES

R

  Atualmente, não é possível pensar no funcionamento das empresas e negócios sem a utilização das redes de computadores. As redes podem ser classificadas em relação a várias características, tipo de conexão (com ou sem fio), velocidade de conexão, tipo de computadores que interligam, alcance para utilização, entre outros.

  2.2.1 BRANGÊNCIA DAS R EDES

A

  As redes podem ser classificadas segundo a sua abrangência, as quatro principais formas são PAN, LAN, MAN e WAN. As redes pessoais (Personal Area Network - PAN) são redes privadas, em que o alcance dos dispositivos não passa de metros ou uma dezena de metros. As redes locais (Local Area NetworkLAN) são redes privadas contidas em um

  único edifício ou campus universitário. Pessoas que utilizam computadores em um laboratório de informática ou mesmo na rede da empresa estão interagindo com uma (TANENBAUM, 2003). Nas redes locais, há maior controle sobre os dados e

  LAN

  comunicações que trafegam pela rede, isso porque o caminho seguido pelos dados é conhecido, visto que, as LANs têm uma estrutura menor se comparada aos outros modelos de rede.

  As redes metropolitanas (Metropolitan Area NetworkMAN) abrangem uma cidade. Um exemplo bem comum de rede metropolitana é a rede de televisão a cabo. As podem conectar toda uma cidade e podem conter conexões de vários tipos, como

  MANs cabos ou sem fio (TANENBAUM, 2003).

  As redes de longa distância (Wide Area NetworkWAN) são formadas por grupos de redes geograficamente distribuídas, portanto, abrangem uma grande área geográfica, com freqüência um país ou continente. A Internet é o maior exemplo de rede

  , pois tem abrangência mundial (KUROSE; ROSS, 2006). De qualquer lugar do

  WAN

  mundo, pode-se acessar um recurso via Internet, desde que este esteja disponível na grande rede.

  2.2.2 OPOLOGIAS DAS R EDES

T

  A topologia de rede mostra como os equipamentos estão dispostos fisicamente em relação ao elemento de conexão e como trafegam as informações de uma máquina para a outra. Assim, topologia de rede é a disposição existente entre os equipamentos de uma rede, a forma como as comunicações são efetuadas entre os dispositivos e a relação física e lógica mantida entre os ativos de rede, tais como, hubs e switchs.

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