Universidade de Brasília Faculdade de Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica

1. Universidade de BrasíliaFaculdade de TecnologiaDepartamento de Engenharia Elétrica Redes de Sensores e Atuadores Wireless para Automação Predial Daniel Bermudez Souto de Oliveira Márcio Piragibe de Bakker Faria Zanatta Rodrigo Almeida Santos

2. Sumário • Objetivos do Projeto • Comunicação Wireless • Padrão ZigBee • USB • Maquete de Processo Térmico • Resultados • Conclusões

3. Objetivos do Projeto • Estudo de automação predial wireless • Controle de temperatura de uma maquete de salas de escritório • Estudo do padrão ZigBee • Implementação de Interface USB

4. Módulos Implementados • Módulo de Sensores-XBee • Módulo de Atuadores-XBee • Placa USB-XBee • Programa Supervisório via Simulink

5. Comunicação Wireless Marcos das Comunicações Wireless 1839 - Primeira mensagem telegráfica via código morse, 1864 - Equações de Maxwell, 1867 - Fundação da industria telefônica Bell Laboratories 1888 - Comprovação da existência das ondas eletromagnéticas por Heinrich Rudolf Hertz; 1900 - Primeira transmissão wireless 1972 - Primeira demonstração da telefonia celular, 1999 - Criação da Wi-Fi Alliance 1999 - Formalizado o BlueTooth Special Interest Group 2002 - Surgimento do CableModem, xDSL , VoIP 2004 - Primeira versão do padrão ZigBee

6. Comunicação Wireless Tipos de redes sem fio • WPAN (Wireless Personal Area Network) - são redes wireless de pequeno alcance (entre 10 e 100 metros). Exemplo: dispositivos portáteis ou móveis tais como PCs, PDAs, periféricos e celulares; • WLAN (Wireless Local Area Network) - São redes wireless destinadas à interligação de redes locais com alcance entre 100 e 300 metros. Exemplo: extensão ou alternativa para as redes com cabeamento convencional (par trançado ou fibra óptica); • WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) – são redes wireless destinadas a acessos de banda larga de grande alcance para áreas metropolitanas, com alcance em torno de 6km; • WWAN (Wireless Wide Area Network) - são redes wireless destinadas a redes de telecomunicações em longa distância, serviços de voz e dados.

7. Padrão WI-FI • Padrão IEEE 802.11 • Alcance Máximo: 100 metros • Computador portátil e tabletPC • Muito utilizada para acesso a internet

8. Padrão Bluetooth • O nome Bluetooth é uma homenagem ao rei da Dinamarca e Noruega Harald Blåtand; • Padrão IEEE 802.15.1 • Faixa de frequência: ISM (2,4 a 2,5GHz); • Computador portátil, celulares, pequenos dispositivos de uso pessoal.

9. Padrão ZigBee • Padrão IEEE 802.15.4; • WPAN; • Faixa de Frequência: ISM (2,4 a 2,5GHz); • Taxa de transmissão: 250kbps (baixo);

10. Padrão ZigBee Estruturas de Rede Possíveis

11. Comparação entre os Padrões

12. Implementação da Rede • Rede estrela: • Dois nós End Device e um nó Coordenador • Nó Coordenador

13. Nó End Device • Módulo Sensor-XBee • Módulo Atuador-XBee

14. Maquete • Os nós End Device ficam localizados na maquete. • Alimentação.

15. USB Em 1995, surge o padrão USB com o conceito Plug and Play Atualmente, verifica-se um forte tendência de substituição das portas seriais do tipo RS232 para portas USB Motivação para a implementação da USB: seguir a tendência tecnológica

16. USB • Pinagem da USB: • Transferência de dados nos pinos D+ e D- com codificação NRZI, com sinais bi-direcionais e lógica invertida.

17. USB

18. USB • O protocolo é a base da comunicação • Velocidade de transmissão de dados: • -USB 1.0: 1,5Mbps (Low Speed) • -USB 1.1: 1,5 Mbps à 12 Mbps (Full Speed) • -USB 2.0: até 480 Mbps (High Speed) • Reconhecimento da velocidade pela impedância da linha

19. USB • Reconhecimento da USB 1.0 (Low Speed):

20. Implementação da USB • Teve com base a nota de aplicação AVR309 da Atmel. • Vantagens: • Baixo custo • Possibilidade de transformar um microcontrolador “RS232” em microcontrolador USB • Aproveitamento dos ATmega8 disponíveis

21. Implementação da USB • Esquemático da ligação:

23. Hardware • Para a implementação da rede foi necessária a criação de 3 placas de circuito impresso: • Módulo supervisório; • Módulo dos sensores; • Módulo dos atuadores.

24. Endereçamento • O XBee permite a configuração de parâmetros de comunicação, bem como o tipo dessa comunicação (ponto a ponto ou broadcast). • A comunicação foi feita de modo que os módulos se comuniquem ponto a ponto.

25. Para a comunicação entre os módulos foi adotada a seguinte configuração: • ATMY: endereço do nó • ATDL: endereço de envio • ATDH: tipo de endereçamento (16bits)

26. Software • Para o controle do processo térmico utilizamos o Simulink do MatLab, pois facilita o ajuste de parâmetros do controlador.

27. VSP (Virtual Serial Port) • Para a manipulação dos dados utilizamos o Simulink do MatLab, para isso foi necessária a utilização de uma VSP. • Objetivo: emular os valores Tx e Rx. • Neste projeto foi utilizado um software próprio para em associação com o dispositivo USB (AVR309).

29. Controlador • Para a determinação dos parâmetros do controlador PID utilizamos o método de Ziegler-Nichols. • O controlador ficou da seguinte forma:

30. Sala 1 Kd = 18.220 Kp = 3.623 Ki = 0.180 Sala 2 Kd = 24.312 Kp = 5.081 Ki = 0.132 Parâmetros do Controlador

31. Resultados • Porta aberta

32. Porta fechada

33. Conclusões • O objetivo do projeto que era a implementação básica do controle térmico da maquete utilizando o padrão ZigBee foi realizado com sucesso. • Diante desse fato surge sugestões para o aproveitamento das idéias aqui iniciadas para o futuro: • Aumento da complexidade da rede com um maior número de nós e de sensores • Implementação de um protocolo de comunicação (Bacnet) • Aumento da memória do microcontrolador • Preocupação com o desenvolvimento de códigos de segurança da rede (CRC) • Métodos visando a economia de energia nos nós end device e router

34. Obrigado à todos !