ELIAS FRANCISCO SANTOS JUNIOR
PAULO ELIAS DE OLIVEIRA
COMUNICAÇÃO PONTO A PONTO VIA TECNOLOGIA GSM
Trabalho de Conclusão de Curso do Centro
Universitário Adventista de São Paulo do curso
de Sistemas para Internet, sob orientação do
prof. Mateus dos Santos.
ENGENHEIRO COELHO
2012
Agradecemos aos nossos familiares, colegas e
amigos de classe, professores pelo apoio,
dedicação e apoio nos 3 anos que aqui
passamos, a atenção e paciência que nos foi
dada foi de grande valor. Por último e mais
importante a Deus pela inteligência concedida a
nós onde conseguimos entender e aprender
muita informação útil para nossas vidas.
RESUMO
O
controle
operacional
automatizado
de
um
sistema
pode
contribuir
significativamente para a manutenção de um padrão eficiente de abastecimento, diante
disso, esse trabalho pretende discutir a automação do sistema de abastecimento de água do
UNASP-EC, através de um sistema micro processado, que irá oferecer um desempenho
adequado à demanda, a fim de reduzir o tempo de identificação dos fatores que inviabilizam
o fluxo normal desse processo, assim como a sua manutenção, amenizando os transtornos
ocorridos pela falha de fornecimento.
Palavras Chave: Automação; Microcontroladores; Microprocessadores.
ABSTRACT
The automated operational control system can be significantly helpful to the
maintenance of an efficient default supply, before that, this paper discusses the system
automation UNASP-EC water’s supply through a microprocessor, which will offer a demand
performance, in order to reduce the time to identify the factors that prevent the normal
process flow, as well as their maintenance, thereby relieving the disorders caused by the
supply source failure.
Keywords: Automation, Microcontrollers, Microprocessors.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Diagrama de um microcontrolador................................................................................ 18
Figura 2 - Conector DB9 .............................................................................................................. 23
Figura 3 - Conector DB25............................................................................................................. 23
Figura 4 - Ilustração do projeto proposto ..................................................................................... 25
Figura 5 – Modem SmartGSM862 Board com Módulo GM862 -GSM/GPRS Telit - Placa Controladora
GSM Telit ................................................................................................................................... 26
Figura 6 - Placa mpf077 ............................................................................................................... 26
Figura 7 – Diagrama de caso de uso ............................................................................................. 27
Figura 8- Trajeto do cabo de controle atual ................................................................................. 28
Figura 9 - Caixa d’água ................................................................................................................ 29
Figura 10 - Casa do poço ............................................................................................................. 29
Figura 11 - Local onde será instalado Parte do Sistema ................................................................ 30
Figura 12 - Sistema de distribuição de água ................................................................................. 31
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS OU TERMOS OPERACIONAIS
UNASP-EC – Universidade Adventista de São Paulo, Campus Engenheiro Coelho
CLP - Controladores Lógicos Programáveis
SMS - Short Message Service
LCD - Liquid Crystal Display
TCP/IP - Transmission Control Protocol” e “Internet Protocol
GSM - Global System for Mobile Communications
GPRS - General Packet Radio Services
A/D e D/A – Analógico/Digital – Digital/Analógico
AMCC - Applied Micro Circuits Corporation
CPU - Central Processing Unit
ULA - Unidade Lógica e Aritmética
PIC - Programmable Interface Controller
RAM - Random-Access Memory
ROM – Read Only Memory
MOS Technology - Manufacturing Operating System
EEPROM - Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory
TDMA - Time Division Multiple Access
FDMA - Frequency Division Multiple Access
RS-232 - Recommended Standard
EIA - Electronic Industries Association
DB9 - Data Bus 9 Pin Connector
NC - Network Channel
CTS - Cable Transmission System
RTS - Range Time Signal
DSR - Data Set Ready
DTR - Data Terminal Reader
GND – Ground, Terra.
DCD - Database Connector Descriptor
TTL – Time to Live
BPS - Bits per second
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................................... 10
1.1 Contextualizações da temática .............................................................................................. 10
1.2 Problemáticas da pesquisa .................................................................................................... 11
1.3 Hipóteses.............................................................................................................................. 11
1.4 Objetivos .............................................................................................................................. 12
1.4.1 Objetivo geral .................................................................................................................... 12
1.4.2 Objetivos específicos .......................................................................................................... 12
1.5 Justificativa ........................................................................................................................... 13
1.5.1 Relevância pessoal ............................................................................................................. 14
1.5.2 Relevância social ................................................................................................................ 14
1.5.3 Relação com a linha de pesquisa do curso social ................................................................. 14
2 LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO ............................................................................................. 15
2.1 Definição de microcontroladores e microprocessadores ........................................................ .15
2.2 Histórico ............................................................................................................................... 16
2.3 Diferença entre microcontroladores e microprocessadores .................................................... 19
2.4 Definição modem externo (GSM)........................................................................................... 20
2.5 Princípio de comunicação serial ............................................................................................. 21
3 METODOLOGIA ........................................................................................................................ 24
3.1 Materiais .............................................................................................................................. 25
3.2 Métodos ............................................................................................................................... 27
4 DESENVOLVIMENTO ................................................................................................................ 28
4.1 Coleta de dados .................................................................................................................... 28
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................................................... 33
6 REFERÊNCIAS ........................................................................................................................... 34
10
1 - INTRODUÇÃO
Para que haja um bom aproveitamento dos recursos hídricos disponíveis, existe
a necessidade de uma gestão eficiente, assim é fundamental uma estratégia que possa
colaborar para que esses recursos sejam continuamente oferecidos, evitando possíveis
desconfortos diante a interrupção do abastecimento.
Nesse sentido, é possível entender que o controle operacional automatizado de
um sistema de abastecimento de água de uma instituição de ensino que promove a
utilização desses recursos para mais de 2000 pessoas diariamente, pode contribuir
significativamente para a manutenção de um padrão eficiente de abastecimento.
Diante disso, pretende-se, a partir desse trabalho discutir a automação do
sistema de abastecimento de água do UNASP-EC, através de um sistema micro
processado, que irá oferecer um desempenho adequado à demanda. Através de um
controle via web ou de um aparelho celular, que em qualquer lugar que tenha
cobertura de rede, irá se reduzir o tempo de identificação dos fatores que inviabilizam
o fluxo normal desse processo, assim como a sua manutenção, amenizando os
transtornos ocorridos pela falha de fornecimento.
1.1 - Contextualização da Temática
O sistema de abastecimento de água do Centro Universitário de São Paulo
(UNASP), campus Engenheiro Coelho, localizado no interior do Estado São Paulo, é
responsável pelo abastecimento de aproximadamente 2000 pessoas, dentre elas
estudantes que residem na instituição, professores, funcionários e demais alunos que
fazem uso somente no período de aula. Para tanto, o sistema conta com poços
artesianos, localizados cerca de 3Km de distância das caixas d’água de redistribuição.
Esporadicamente esse sistema apresenta falhas em seu funcionamento:
compromete o abastecimento de água no campus, causando transtorno ao usuário
diante a falta de água e grandes dificuldades em localizar precisamente qual dos poços
gerou-se o problema e qual o motivo para tal na equipe técnica de manutenção.
11
Considerando esse problema que afeta a todos usuários, observa-se a
possibilidade de criação de um sistema remoto que possibilitará a comunicação entre
os poços de água e os técnicos de manutenção.
1.2 - Problemática da pesquisa
O campus da UNASP-EC, utiliza-se atualmente de câmeras de monitoração a
distância para tentar reduzir os possíveis problemas, o que mostra não ser eficiente
devido a necessidade de uma monitoração 24h.
Existem no mercado controladores lógicos programáveis (clp) que poderiam ser
adaptadas a tal situação, entretanto precisariam ser adaptado e ainda não seriam
totalmente dedicados o que possibilitaria possíveis falhas. Isso sem contar a
inviabilidade financeira, analisando a relação custo benefício, uma vez que tais
controladores são equipamentos de custo elevado.
Portanto a criação eminente do sistema será um produto totalmente
personalizado, simplificado e que atenda especificamente a necessidade do UNASP-EC
podendo ser estendido aos outros campus e também a uma possível patente do
produto. Existe também um sistema de radiofrequência, que devido a sua limitação de
alcance, também não deve se aplicar ao projeto proposto. Logo, cabe a proporcionar
uma solução de tal problema, propondo as devidas soluções apresentadas a seguir.
1.3 - Hipóteses
Toda empresa que tenha algum tipo de abastecimento de água em massa,
apresenta a necessidade de um sistema de automação que possa evitar qualquer
dificuldade que cause impacto direto em seu andamento, diante disso, é possível
prever que no UNASP-EC, o sistema irá oferecer um controle em tempo real, capaz de
evitar o transtorno causado devido a interrupção do abastecimento.
Esse sistema, a cada 30 segundos, irá transmitir uma atualização do seu estado
a um servidor na internet, que poderá ser acessado quando necessário, além de enviar
mensagens SMS caso aconteça alguma irregularidade com o processo, reduzindo o
12
tempo de descoberta do problema e sua localização, favorecendo a maior agilidade no
acionamento do profissional que possa corrigir o defeito.
1.4 - Objetivos
Atualmente o sistema de abastecimento de água do UNASP campus Engenheiro
Coelho é realizado de maneira semi-automática, tornando assim, a identificação do
problema, complicada conforme já mencionado na Seção 1.2. Portanto pretende-se
realizar a automação do sistema de abastecimento de água da instituição, com
dispositivos redundantes e precisos onde irão ajudar a manutenção, operação e
precaução dos problemas obtidos atualmente, e com isso poderemos obter um
aperfeiçoamento deste controle de abastecimento.
1.4.1 - Objetivo geral
O objetivo deste trabalho foi modelar e desenvolver um sistema automatizado
de controle e monitoramento das interrupções do abastecimento de água no campus
da Instituição que permita a identificação do local e seu respectivo motivo da
ocorrência, propondo a adoção da automação para solução da mesma, verificando
suas limitações, possibilidades, vantagens e desvantagens.
1.4.2 - Objetivos específicos
Conforme os problemas citados na Seção 1.1 pode-se então definir os objetivos
específicos da seguinte maneira:

Implementar um servidor Web que proveja a interface para monitoramento e
controle do sistema remotamente;

Construir um circuito eletrônico microcontrolado para monitorar os sensores e
controlar o acionamento das motobombas de uma estação, configurável
através de uma conexão Ethernet ou alternativamente por uma interface
composta por chaves para acionamento manual e display LCD;
13

Desenvolver o software a ser utilizado no circuito eletrônico, responsável pela
aquisição de dados dos sensores, controle das motobombas e que permita
comunicação do sistema embarcado de cada estação com o servidor central
através do protocolo TCP/IP; Projetar e implementar um banco de dados para
armazenamento do histórico das estações (níveis dos reservatórios, estados
das bombas e vazões de saída), dados dos usuários para login no sistema e as
operações efetuadas para posteriores auditorias;

Propor a automação do sistema de abastecimento de água de uma instituição
de ensino para otimizar o abastecimento de água;

Criar um link usando a comunicação GSM entre dois pontos, isto é, entre a
caixa d’água e o poço do UNASP-EC;

Evitar as constantes queimas de bomba, os superaquecimentos e outros
problemas decorrentes da falta de uma técnica eficiente de constatação e
identificação do problema;
1.5 - Justificativa
A gestão eficiente dos recursos hídricos é fundamental para que estes tenham
melhor aproveitamento, dessa forma, um sistema automatizado de controle e
monitoramento, pode colaborar expressivamente para um melhor aproveitamento
desses recursos naturais, além de garantir sua continuidade de oferecimento, evitando
possíveis transtornos e desperdícios. Diante disso, é possível entender que o controle
operacional automatizado de um sistema de abastecimento de água de uma
instituição de ensino que promove a utilização desses recursos para mais de 2000
pessoas, pode resultar em economia significativa de tempo por parte dos funcionários
responsáveis pela manutenção, deixando-os livres para as demais atividades laboral,
além de promover diminuição dos intervalos que a instituição fica com o
abastecimento interrompido.
Para BANZATO (2002), o conceito de automação versa na aplicação de um
conjunto de técnicas para construção de sistemas ativos, capazes de operar com
eficácia através do uso de dados recebidas do elemento sobre o qual atuam. Diante
das informações recebidas, o sistema orça a medida de correção mais adequada para a
14
conservação dos parâmetros de verificação em níveis pré-configurados, assim, devido
à falta de automação no sistema de abastecimento de água do UNASP-EC, a proposta
se justifica uma vez que nos valeremos dos avanços tecnológicos para estabelecermos
a conexão via GSM dos sistemas poço/caixa d’agua e vice-versa, facilitando a
manutenção e controlando o sistema remotamente.
1.5.1 - Relevância pessoal
A percepção dos efeitos negativos que a interrupção do abastecimento de água
causa aos usuários presentes na instituição diante a deficiência da falta de um sistema
automatizado no controle do abastecimento de água motivou a escolha desta
temática.
1.5.2 - Relevância social
Com um sistema micro processado, haverá o desempenho máximo do sistema
de controle de água potável do campus. Através do controle feito através da web ou
de um aparelho celular, em qualquer lugar do mundo e através de texto puro, ocorrerá
a comunicação ponto a ponto entre os modems. Os microcontroladores estarão
decodificando as mensagens e estarão fazendo suas devidas funções previamente
programadas em um compilador compatível ao hardware utilizado.
1.5.3 - Relação com a linha de pesquisa do curso
Com a realização deste trabalho pretende-se ampliar a atuação de
conhecimento obtido no curso de Sistemas para Internet, em que o foco maior é a
solução de problemas usando sistemas integrados. Pretende-se aumentar o campo de
estudos para outras áreas do curso, como redes distintas à semelhança do GSM e o
desenvolvimento de softwares para sistemas dedicados, como o do micro-controlador.
15
2 - LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO
2.1 - Definição de microcontroladores e microprocessadores
Microcontrolador é um computador simplificado embarcado em um único chip.
Uma das mais importantes invenções do ramo da eletrônica, sendo fundamental na
construção de eletroeletrônicos diversos (BATES, 2006).
Possui três elementos principais: periféricos de entrada e saída, para se
comunicar com o mundo exterior; memórias, para armazenar programas e dados; e
um processador, para fazer cálculos e manipular dados (BATES, 2006).
Um microcontrolador é um chip de baixo custo que contém
internamente periféricos de um computador
dedicado como
microprocessador, memória de dados, memória de programa, pinos
de entrada e saída, como também, interface USB para os modelos
mais recentes, entre outros. (JUCA, 2009)
Além de ter uma unidade de processamento, um microprocessador, tem
memória de leitura e escrita (armazena dados) memória somente de leitura (armazena
programas), dispositivos periféricos (como conversores A/D e D/A) e interfaces para
entrada e saída digital.
No mercado existem diversos tipos de microcontroladores , porém os principais
são: AMCC (2012), Analog Device(2012), Atmel (2012), Freescale Semiconductor
(2012), Intel(2012), National Semiconductor (2012), Microchip Technology (2012),
Silicon Laboratories (2012) e Texas Instruments (2012).
Seguramente estes controladores foram muito importantes para a revolução
dos diversos produtos eletrônicos que os computadores: permitiram a evolução de
equipamentos que a anos não evoluíam tais como os motores a combustão que agora
com o novo controle eletrônico podem funcionar com sistema bi-combustível,
poluindo menos, e as máquinas fotográficas, que migraram de processos mecânicos
para os microcontrolados, através de seus sensores digitais e memória.
O microprocessador e também processador é definido como um circuito
integrado, digital, capaz de executar um programa armazenado em alguma memória
16
que contém uma lista de instruções para a realização de uma seqüência de tarefas
lógicas ou aritméticas. Realiza as funções de cálculo e tomada de decisões de um
computador, todos os equipamentos eletrônicos e computadores baseiam-se nele
para efetuar funções, ele é basicamente o cérebro do computador por realizar todas
estas funções e tornar o computador inteligente. Incorpora as funções de uma unidade
central de um computador CPU em um único circuito, ou em vários circuitos. Também
reconhecido como dispositivo multifuncional programável que é capaz de aceitar
dados digitais com entrada processa de acordo com as instruções fornecendo
resultados como saída.
O circuito integrado opera com números e símbolos representados com
sistema binário, formado por uma camada de mesa epitaxial de silício, trabalhada de
modo a formar um cristal de extrema pureza, laminada até uma espessura mínima
com grande precisão, depois cuidadosamente mascarada por um processo fotográfico
e dopada pela exposição a altas temperaturas em fornos que contêm misturas gasosas
de impurezas. Este processo é repetido tantas vezes quanto necessário à formação da
microarquitetura do componente. Executa as instruções num sistema, o
microprocessador, determina em certa medida a capacidade de processamento do
computador e também o conjunto primário de instruções que ele compreende. Ele se
divide em várias unidades que trabalham em alta freqüência, entre elas estão ULA e os
registradores.
2.2 - Histórico
Para uma melhor eficácia no processamento de dados, os microprocessadores
em computadores passaram a ser utilizados na década de 70. A Intel foi uma das
precursoras no segmentos dando inicio a preocupação para melhorar cada vez mais o
sistema de processamento de dados por meio desses componentes.
Baseados na arquitetura de um microprocessador e seus periféricos, criou-se
um componente que, integrados em uma única unidade, era capaz de comportar todo
um sistema equivalente a um microprocessador e seus periféricos. Assim surgiu o
microcontrolador.
17
Segundo MARTINS (2005) com o passar dos anos e com os avanços da
tecnologia, os microcontroladores tornaram-se uma das melhores relações
custo/benefício em se tratando de soluções que demandam processamento, baixo
custo de hardware e pequena necessidade de espaço físico. Para Martins(2005)
existem no mercado muitos tipos de microcontroladores, sendo o 8051 o mais
popular. A ATMEL(2012) possui uma enorme família de componentes com as mesmas
características do 8051, alguns até com as mesmas pinagens dos registradores; outros
com pinagens diferentes, mas com o mesmo conjunto de instruções, com clock de 4
MHz até aproximadamente 10 MHz. A DALLAS Semiconductors (2012) tem um
microcontrolador de alta performance, de até 90MHz, compatível com 8051. Por fim,
vem a Microchip Technology Inc. (2012) com os microcontroladores da série PIC que se
tornaram muito populares, graças a um bom plano de marketing, baseado na
disseminação de uma ferramenta de auxílio à construção de programas – o MPLAB
IDE. Os microcontroladores da série PIC possuem ainda uma linguagem Assembly
menos complexa em relação àquelas disponibilizadas por outros fabricantes.
Segundo MELO (2008) a história do microprocessador teve inicio no ano de
1969, quando uma empresa japonesa denominada BUSICOM, estreou um projeto para
uma calculadora eletrônica, com um número reduzido de circuitos integrados. Esta
empresa japonesa expediu para os Estados Unidos uma equipe de engenheiros
responsáveis por este projeto, à procura de Marcian Hoff da Intel Corporation. Com
uma vasta experiência em projetos de computadores, o engenheiro Hoff sugeriu uma
forma fundamental e diferente de erigir uma calculadora. Segundo o engenheiro
Marcian, era provável construir uma máquina capaz de mudar sua funcionalidade, com
base em um programa armazenado em sua própria memória, ou seja, ele pensou que
ao invés de desenvolver um chip que somente seria uma calculadora, desenvolver algo
que funcionasse de acordo com um programa.
Para MELO (2008), posteriormente a compra da licença da empresa japonesa
em 1971, Hoff juntamente com o engenheiro Frederico Faggin implementaram para a
Intel o primeiro microprocessador de 4 bits, denominado 4004, ele conseguia
processar 6000 operações por segundo (6kHz). A partir desta data os
microprocessadores não pararam de evoluir, porém estes já não atendiam as
18
necessidades dos engenheiros quando era necessário um processamento em sistemas
embarcados, como celulares, televisões, controle de motores e outros. Para suprir
estas necessidades foi lançado o primeiro microcontrolador pela Texas em 1974, o
TMS 1000 de 4 bits, que inclui RAM, ROM e suporte a I/O em um único chip,
permitindo o uso sem qualquer outro chip externo, como pode ser visto na Figura 1.
Figura 1: Diagrama de um microcontrolador/Fonte: Zelenovsky(2012)
Em 1977 a Intel lança o microcontrolador 8048, que possuía memória de
programa externa (ROM), e memória de dados interna (RAM) conforme Figura 1. Em
1980 nasceu o 8051, com vários periféricos, 4K de memória de programa e 128 bytes
de memória de dados, possibilitando o uso sem a necessidade de chips externos. Tem
encapsulamento de 40 pinos, tecnologia HMOS e ainda hoje é largamente utilizado.
Atualmente há diversos fabricantes no mercado de microcontroladores, por
exemplo, a ATMEL, a Microchip, a HOLTEK e a Motorola. Um engenheiro da Motorola
saiu da empresa e entrou para a MOS Technology que em 1975, lança o 6501 e o 6502
por um preço muito mais abaixo do que os processadores da Intel e Motorola. A
Motorola lança um processo contra a MOS Technology e contra o engenheiro que saiu
da Motorola para a concorrente. A MOS fica impossibilitada de comercializar o 6501,
porém o 6502 continua a sua venda normalmente. Devido ao baixo custo do 6502,
este torna-se rapidamente utilizado pelo mercado nos computadores Apple,
Comodore e até no Atari. A MOS chegou a vender até 15 milhões de processadores por
ano, porém foi comprada por um grupo de empresas como a Rockwell, Ricoh e
19
Comodore. Outro engenheiro, porém da Intel, sai da corporação e funda sua própria
empresa, a Zilog. Em 1976, a Zilog lança o Z80, que era compatível com 8080 da Intel e
apresentava inúmeras vantagens frente a este. Uma das grandes vantagens do Z80, é
que este além de ser totalmente compatível com o 8080, conseguia rodar os
programas já desenvolvidos para este processador com muito mais vantagens. Neste
mesmo ano, a Intel lança uma versão melhorada do 8080, chamada 8085, porém o Z80
ainda era tão superior a este e tornou-se praticamente padrão de mercado em
processadores.
2.3 - Diferença entre microcontroladores e microprocessadores
Baseado
em
MATIC(2000),
os
microcontroladores
se
diferenciam
dos
processadores, pois além dos componentes lógicos e aritméticos usuais de um
microprocessador de uso geral, o microcontrolador integra elementos adicionais em
sua estrutura interna, como memória de leitura e escrita para armazenamento de
dados, memória somente de leitura para armazenamento de programas, EEPROM para
armazenamento permanente de dados, dispositivos periféricos como conversores
analógico/digitais, conversores digitais/analógicos em alguns casos e, interfaces de
entrada e saída de dados. Com freqüências de clock de poucos MHz ou talvez menos,
os microcontroladores operam a uma freqüência muito baixa se comparados com os
microprocessadores atuais, no entanto são adequados para a maioria das aplicações
usuais como, por exemplo, controlar uma máquina de lavar roupas ou uma esteira de
chão de fábrica.
O seu consumo em geral é relativamente pequeno, normalmente na casa dos
miliwatts e possuem geralmente habilidade para entrar em modo de espera
aguardando por uma interrupção ou evento externo, como por exemplo, o
acionamento de uma tecla, ou um sinal que chega via uma interface de dados. O
consumo destes microcontroladores em modo de espera pode chegar na casa dos
nanowatts, tornando-os ideais para aplicações onde a exigência de baixo consumo de
energia é um fator decisivo para o sucesso do projeto.
Embora seja a essência do computador, o microprocessador diferente do
microcontrolador, está longe de ser um computador completo. Para que possa
20
interagir com o utilizador precisa de: memória, dispositivos de entrada/saída, um
clock, controladores e conversores de sinais, entre outros. Cada um desses circuitos de
apoio interage de modo peculiar com os programas e, dessa forma, ajuda a moldar o
funcionamento do computador.
2.4 - Definição modem externo (GSM)
De acordo com OSHIKIRI(2008), o modem é uma placa de expansão que faz
ligação com o PC á linha telefônica, aceita com que a máquina envie sinais para os
cabos, no formato dos apitos que ouve quando levanta o auscultador na altura em que
o PC está online. Do mesmo modo percebe os apitos do computador do outro lado da
chamada e transforma-os de novo para dados. Podemos dizer também que este
dispositivo eletrônico modula um sinal digital em uma onda analógica que esta pronta
a ser transmitida pela linha telefônica, e que demodula, o sinal analógico e reconverteo para o formato digital original.
OSHIKIRI(2008), continua dizendo que o sistema GSM 900 utiliza dois conjuntos
de frequências na banda dos 900 MHz: o primeiro nos 890-915MHz, utilizado para as
transmissões do terminal, e o segundo nos 935-960MHZ, para as transmissões da rede.
O método utilizado pelo GSM para gerir as frequências é uma combinação de duas
tecnologias: o TDMA (Time Division Multiple Access) e o FDMA (Frequency Division
Multiple Access). O FDMA divide os 25 MHz disponíveis de frequência em 124 canais
com uma largura de 200 kHz e uma capacidade de transmissão de dados na ordem dos
270 Kbps. Uma ou mais destas frequências é atribuída a cada estação-base e dividida
novamente, em termos de tempo, utilizando o TDMA, em oito espaços de tempo
(timeslots).
O terminal utiliza um timeslot para recepção e outro para emissão. Eles
encontram-se separados temporalmente para que o telemóvel não se encontre a
receber e transmitir ao mesmo tempo. Esta divisão de tempo também é chamada de
full rate. As redes também podem dividir as frequências em 16 espaços, processo
designado como half-rate, mas a qualidade da transmissão é inferior. A voz é
codificada de uma forma complexa, de forma que erros na transmissão possam ser
detectados e corrigidos. Em seguida, a codificação digital da voz é enviada nos
21
timeslots, cada um com uma duração de 577 milisegundos e uma capacidade de 116
bits codificados. Cada terminal deve possuir uma agilidade de frequência, podendo
deslocar-se entre os timeslots utilizados para envio, recepção e controle dentro de um
frame completo. Ao mesmo tempo, um telemóvel verifica outros canais para
determinar se o sinal é mais forte e mandar a transmissão para eles, caso a resposta
seja afirmativa.
Esta tecnologia móvel esta dentro do padrão mais popular do mundo de
telefones celulares, usada em mais de 200 países por mais de um bilhão de pessoas.
Seus sinais e canais de voz são digitais, o que o diferencia de seus antecessores, e que
faz ser visto com um sistema de telefone celular de segunda geração.
2.5 - Princípio de comunicação serial
RUSCHEL(1996) fala que na telecomunicação e ciência da computação, a
comunicação serial é o procedimento de enviar dados em um bit de cada vez,
sequencialmente em um canal de comunicação ou barramento, diferenciando assim,
da comunicação paralela, em que todos os bits de cada símbolo são enviados juntos.
Princípio usado em toda comunicação de longo alcance e também na maioria das
redes de computadores, onde o custo de cabos e as dificuldades de sincronização
tornam a comunicação paralela impraticável. Para curtas distâncias, barramentos
seriais estão se tornando mais comuns devido ao ponto em que as desvantagens dos
barramentos paralelos, como a densidade de interconexão, superam suas vantagens
de simplicidade.
DENVER(1995), fala que na comunicação serial, as mensagens digitais são mais
longas que alguns poucos bits, e por não ser prático nem tão pouco econômico
transferir todos os bits de uma mensagem simultaneamente, esta mensagem é
quebrada em partes menores e transmitida sequencialmente. A transmissão bit-serial
transforma a mensagem em um bit por vez através de um canal. Cada bit representa
uma parte da mensagem. Os bits individuais são então rearranjados no destino para
compor a mensagem original. Geralmente um canal irá passar apenas um bit por vez. A
transmissão bit-serial é normalmente chamada de transmissão serial, e é o método de
comunicação escolhido por diversos periféricos de computadores. A transmissão byte-
22
serial converte 8 bits por vez através de 8 canais paralelos. Embora a taxa de
transferência seja 8 vezes mais rápida que na transmissão bit-serial, são necessários 8
canais, e o custo poderá ser maior do que 8 vezes para transmitir a mensagem.
Quando as distâncias são menores, é fácil e muito econômico usar canais paralelos
como justificativa para as altas taxas de transmissão. Um exemplo seria a interface
Centronics de impressoras é caso típico de transmissão byte-serial.
A RS-232 é a abreviação de Recommended Standard ou Padrão recomendado.
Esta relata uma padronização de uma interface comum para comunicação de dados
entre equipamentos, criada no inicio de 1960, por um comitê conhecido como
Electronic Industries Association (EIA). Naquele tempo, a comunicação de dados
compreendia a troca de dados digitais entre um computador central (mainframe) e
terminais de computador remotos, ou entre dois terminais sem o envolvimento do
computador. Estes dispositivos poderiam ser conectados através de linha telefônica, e
consequentemente necessitavam de um modem em cada lado para fazer a
decodificação dos sinais, dessas idéias nasceu o padrão RS232. Ele especifica as
tensões, temporizações e funções dos sinais, um protocolo para troca de informações,
e as conexões mecânicas.
A mais de 30 anos desde que essa padronização foi desenvolvida, a EIA
publicou três modificações. A mais recente, EIA232E, foi introduzida em 1991. Ao lado
da mudança de nome de RS232 para EIA232, algumas linhas de sinais foram
renomeadas e várias linhas novas foram definidas. Embora tenha sofrido poucas
alterações, muitos fabricantes adotaram diversas soluções mais simplificadas que
tornaram impossível a simplificação da padronização proposta. As maiores dificuldades
encontradas pelos usuários na utilização da interface RS232 incluem pelo menos um
dos seguintes fatores, a ausência ou conexão errada de sinais de controle, resultam em
estouro do buffer (“overflow”) ou travamento da comunicação e a função incorreta de
comunicação para o cabo em uso, resultam em inversão das linhas de Transmissão e
Recepção, bem como a inversão de uma ou mais linhas de controle (“handshaking”).
A comunicação serial RS232 nos dias de hoje é muito utilizada para permitir a
comunicação entre dispositivos como, mouses e modens, estes são alguns da
variedade de equipamentos que podem ser conectados á porta serial. Embora esta
porta hoje perder para USB, é importante entender como ela funciona. Esta porta está
23
disponível nos PCs no conector do tipo DB9 ou DB25, ambos do tipo macho sendo o
tipo DB9 mais usado.
As Figuras 2 e 3 ilustram a diferença entre esses tipos de conectores citados.
Figura 2 - Conector DB9
Figura 3 - Conector DB25
O conector do tipo DB9 é o mais usado, e o Pino de Descrição é 1 DCD 2 RX 3 TX
4 DTR 5 GND 6 DSR 7 RTS 8 CTS 9 NC. Destes pinos, somente o 2, 3 e 5 são utilizados
para prover comunicação entre dispositivos ficando o restante para o controle do
tráfego de dados. O padrão de comunicação utilizado pelo RS232 é diferente do
utilizado pelo TTL, onde o nível 1 está associado a 5V e o nível 0 ao 0V. No padrão
RS232, o nível 1 está associado a uma tensão de –3V a –18V enquanto o 0 está
associado a uma tensão de 3V a 18V. Qualquer tensão dentro desta faixa será
entendido como 1 ou 0. Ao trabalhar com o RS232, devemos saber primeiramente
alguns parâmetros como, por exemplo, a sua taxa de comunicação que é chamada de
baud rate.
O baud rate informa quantos bits no período de 1 segundo serão transferidos
na linha, os baud rates comuns são o 2400, 4800 e 9600 BPS onde BPS significa bits por
segundo. Quando não há comunicação na linha RS232, ela normalmente fica no seu
estado de repouso, que é no nível lógico 1 (de –3A -18V no RS232). Quando inicia a
comunicação o primeiro bit transferido é o chamado bit de start, que mantém a linha
de comunicação no intervalo de 1 período em nível baixo. Em seguida vêm os 8 bits de
dados do byte a ser transmitido e finalmente o bit de stop, que volta a deixar a linha
no seu estado de repouso. Este permanece em estado alto inicialmente pelo fato de
estar na condição de repouso. Logo em seguida, a comunicação é inicializada com um
bit de start, que fica em nível lógico baixo por pelo menos 1 período e logo em seguida
vêm os oito bits de dados referentes ao byte sendo transmitido. Após a transmissão
dos oito bits, a comunicação é encerrada com um bit de stop, que deixa novamente a
linha de dados em nível lógico alto voltando desta forma ao seu estado de repouso.
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3 - METODOLOGIA
Com o sistema de comunicação serial RS-232, será realizada a comunicação
entre o modem e o microcontrolador modelo ATMEGA 8535(2012) e por meio de
texto puro, iremos fazer a comunicação ponto a ponto entre os modens.
Em síntese, após sua implementação o sistema funcionará mediante a troca de
informações com a bomba, ou seja, sensores terão a função de coletar dados em
tempos pré-determinados e o microcontrolador transmitir tais dados ao sistema
central. De acordo com a leitura obtida, referentes à temperatura, tensão da rede
elétrica, nível de água ou a falha de funcionamento de algum dispositivo, existe a troca
de informação, que através da comunicação serial RS 232, o modem gera um alerta
transmitindo assim, as mensagens de aviso aos celulares cadastrados.
Com a comunicação serial RS-232, será realizada a comunicação entre o
modem e o microcontrolador modelo ATMEGA 8535, e através de texto puro, faz-se a
comunicação ponto a ponto entre os modems. Os microcontroladores estarão
decodificando as mensagens e estarão fazendo suas devidas funções previamente
programadas em um compilador compatível ao hardware utilizado.
O software dos microcontroladores será desenvolvido em linguagem C, com a
ferramenta de programação CODEVISION AVR, ferramenta de origem européia com
recursos avançados para a programação dos chips. Com o auxilio de um gravador
dedicado ao hardware conectado a um computador, será realizada a programação dos
chips, assim, sem precisar desconectar os chips do hardware desenvolvido. Todos os
componentes de hardware(Placa controladora) e software foram desenvolvidos pelos
alunos, que pretendem estabelecer uma comunicação segura, confiável, sem
possibilidades de erros e com a praticidade de controlar todo o sistema remotamente,
como demonstrado na Figura 4.
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Figura 4: Ilustração do projeto proposto
3.1 - Materiais
Os materiais a serem utilizados serão microcontroladores Atmega 8535(2012),
programados em linguagem C, devido os recursos avançados para a programação dos
chips que o software CODEVISION AVR(2012) dispõe, cuja a instituição dispõe da
licença, além de modem SmartGSM862 Board (2012) com Módulo GM862 -GSM/GPRS
Telit - Placa Controladora GSM Teli ilustrado na Figura 5, placa mpf077 ilustrada na
Figura 6, material técnico bibliográfico, e hardware dedicado à aplicação.
Os microcontroladores irão se comunicar com os modens, via comunicação
serial RS-232, os modens irão se comunicar via tecnologia GSM, e assim
sucessivamente.
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Figura 5 – Modem SmartGSM862 Board com Módulo GM862 -GSM/GPRS Telit Placa Controladora GSM Telit/Fonte: Microgenios
A escolha dos modens esta relacionada à assistência técnica especializada
oferecida
no
pós
venda,
além
da
compatibilidade
microcontroladores.
Figura 6 – Placa mpf077
existente
com
os
27
3.2 - Métodos
O sistema irá funcionar a partir da coleta de informações dos sensores que
desta maneira possibilitará planejar o software e adequar precisamente o hardware.
Serão utilizadas ferramentas como o CODEVISION AVR Studio para a programação dos
microcontroladores. Também a utilização da placa mpf077, uma placa didática
projetada para aplicações de automação em vários tipos de aplicação.
Após programados e devidamente testados via emulação em bancada, avalia-se
esta etapa inicial concluída, possibilitando desta maneira seguir para a fase de
implantação real. Na figura 7 temos um diagrama explicando o funcionamento do
sistema proposto.
Figura 7: Diagrama de caso de uso
O sistema instalado funcionará da seguinte maneira: o modem da caixa d’água
envia uma mensagem ao modem do poço solicitando que a bomba seja ligada, se o
poço estiver sem falhas, liga a bomba. Assim que a caixa encher, o modem da caixa
manda uma mensagem ao poço e solicita o desligamento da bomba. Todas as
mensagens são armazenadas no servidor web para possíveis consultas. Caso ocorra
algum problema no poço ou caixa d’água os modens enviarão mensagens para os
celulares cadastrados no sistema, assim possibilitando o reparo rápido e evitando a
falta d’água em todo o campus. Através da placa mpf077, diversos sistemas de
controles e proteção serão instalados nos painéis de acionamento da bomba como
sensores, reles de proteção, horímetro para prever manutenções, etc. cada poço e
caixa terão vários sensores para controle e automação do sistema. Os sensores estarão
ligados a placa que fara o controle e tratamento dos sinais coletados.
28
4 – DESENVOLVIMENTO
4.1 - Coleta de dados
As informações foram obtidas através das tentativas que ocorreram a fim de
apresentar a melhoria do processo de automação do sistema de abastecimento de
água do UNASP-EC. Devido as características da localidade, distância e a falha de sinal
GSM, a pesquisa teve um grau de dificuldade acentuado, o trajeto em vermelho na
Figura 8, simboliza o cabo de controle atualmente utilizado passando por difíceis áreas
de acesso, sujeito a grande vulnerabilidade, tais como corrosão, máquinas agrícolas,
furto e outros.
Figura 8- Trajeto do cabo de controle atual/Fonte: Google
Os três reservatórios são feitos de aço: 180000 litros, 185000 litros e 175000
litros, conforme Figura 9. Em horário de pico (17:00 horas as 19:30 horas) o consumo
passa a ser superior ao que a bomba de cada poço poderia mandar para os
reservatórios previamente, assim, o novo sistema iria prever uma reserva mínima
neste horário.
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Figura 9: Caixa d’água
A bomba do poço, observada na Figura 10, tem capacidade de enviar através
do sistema de distribuição de água, 17000 litros de água por hora, no entanto o
consumo é cerca de 19000 litros.
Figura 10: Casa do poço
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É importante mencionar que no inicio das pesquisas foi detectado a falta de
sinal GSM, porém houve a instalação de uma antena para telefones celulares, assim, a
distância que poderia ser uma barreira para a implantação, deixou de existir.
As devidas programações e previsões para realizar as instalações de
infraestrutura, Figura 11, ocorreram: todos os dispositivos foram testados em bancada,
no entanto, por não dispor de modens, o projeto não foi concluído, o que deixa espaço
para estudos futuros.
Figura 11: Local onde será instalado Parte do Sistema
Foram determinados a funcionalidade das mensagens de texto e definidos meios e as
mensagens que iriam ser enviadas para aviso : liga, desliga, alarme, emergência, nível
critico, falha no acionamento da bomba, bomba desligada por falha, entre outras. Esta
fase, os testes foram feitos com dois aparelhos celulares enviando e recebendo
mensagens e assim simulando o funcionamento dos modens.
Ainda que, ao final dessa pesquisa não haja efetivamente a aplicação do
recurso de automação, esse estudo possibilita uma estrutura para outros estudos e
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implementações, pois este dispositivo, não se destina apenas para automação para
sistema de abastecimento de água, Figura 12, mas para qualquer tipo de automação,
com o diferencial de ser dedicado a qualquer área em que se pretende realizar a
devida automação.
Figura 12: Sistema de distribuição de água
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5 - CONSIDERAÇÕES FINAIS
Diante do estudo realizado no UNASP-EC é possível identificar que seu sistema
de abastecimento de água é deficiente, mas que no entanto pode ser modificado
diante a implementação da proposta apresentada.
Para melhoria deste sistema, a instituição deverá adequar-se as novas
tecnologias, viabilizando os recursos operacionais necessários para que o dispositivo
de controle possa funcionar plenamente, tais como o material para a instalação do
projeto, assim como treinamento que possa antecipar sua utilização.
Devido às grandes dificuldades que mostraram-se durante o andamento do
projeto relacionado ao transtorno concernente às interrupções de abastecimento de
água, o projeto torna-se muito importante para a instituição, podendo ser
implementado inclusive nos demais campus do Centro Universitário Adventista
presente em outras regiões.
Para estudos futuros, sugere-se a implementação do software para os
microntroladores e assim tornar real a idéia deste estudo, pois o mesmo trata de um
estudo de campo, visando o sistema deficiente e crítico de abastecimento de água
potável do campus UNASP-EC.
A criação de um aplicativo para dispositivo móvel onde os comandos fiquem
mais fáceis de serem usados e entendidos nesta automação, realizar a comunicação
entre os modens e o supervisório web.
33
6 – REFERÊNCIAS
AMCC. Disponível em <http://www.apm.com>, acesso em 01 de Junho de 2012.
ANDRIC, D.; NEBOJSA, M. The PIC Microcontroller, Book 1, Maio 15, 2000. Disponivel
em: <http://wlmquip.com.br/Microcontroladores.pdf>. Acesso em 28 março 2012.
ATMEL. Disponível em
<http://www.atmel.com/products/microcontrollers/avr/default.aspx>, Acesso em 03
de Junho de 2012.
BANZATO, E.; O paradigma da automação. 2002. Disponível em:
<http://www.guialog.com.br/Artigo.htm>. Acesso em: 10 Julho 2005.
BATES, M.; Interfacing PIC Microcontrollers – Embedded Design by Interactive
Simulation. 1º Edição. Elsevier, Burlington, 2006.
CODEVISIONAVR. Disponível em <www.Codevision.be>, acesso em 4 de Junho de
2012.
DALLAS, Semiconductors. Disponível em <www.maxim-ic.com>, Acesso em 03 de
Junho de 2012.
DENVER, A.; Serial Communications in Win32, Microsoft Windows Developer Support,
1995. Disponível em:
<http://www.delt.ufmg.br/~seixas/PaginaSDA/Download/DownloadFiles/Serial.PDF>.
Acesso em 8 Abril de 2012.
DEVICE, Analog. Disponível em <http://www.analog.com/en/index.html>, Acesso em
02 de Junho de 2012.
FREESCALE. Disponível em <http://www.freescale.com>, Acesso em 04 de Junho de
2012.
GOOGLE, Disponível em <http://maps.google.com.br/maps?hl=pt-BR&tab=wl>, Acesso
em 15 de Abril de 2012.
34
INSTRUMENTS Texas. Disponível em
<http://www.ti.com/lsds/ti/microcontroller/home.page?DCMP=TIHeaderTracking&HQ
S=Other+OT+hdr_p_micro>, Acesso em 05 de Junho de 2012.
INTEL. Disponível em <www.intel.com.br>, Acesso em 02 de Junho de 2012.
JUCA, S.C.S. Software educacional educativo para o ensino e a difusão de
microntroladores com interface USB . Revista Ciências & Cognição, 08: 22 a 28, 2009.
LABORATORIES, Silicon. Disponível em <www.silabs.com>, acesso em 01 de Junho de
2012.
MARTINS, N.A.; Sistemas Embarcados - Novatec Editora, São Paulo, 2005.
MATIC, N.; ANDRIC, D.; Microcontroladores PIC. São Paulo: mikroElektronika, 2000.
MELO, L. F., Introdução aos Microcontroladores da Familia PIC, 02/2008. 53p,
Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual de Londrina. Disponível
em: <http://bernadete.eeol.org/IVSEEL/MiniCursos/microcontroladoresPIC.pdf>
Acesso em: 1 Abril de 2012.
MICROCHIP Disponível em
<http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39632e.pdf>, Acesso em: 03
de Junho de 2012.
MICROGENIOS Disponível em
<http://www.microgenios.com/?1.12.0.0,75,smartgsm862-board-com-modulo-gm862gsm-gprs-telit-placa-controladora-gsm-telit.html#> Acesso em: 15 de Abril de 2012.
OSHIKIRI , F. T.M., Um Dispositivo Localizador Georeferenciado Utilizando GSM /
GPRS / SMS, 02/2008. 78p, Departamento de Engenharia Elétrica, universidade
Federal do Espírito Santo, Centro Tecnológico. Disponível em:
<http://www2.ele.ufes.br/~projgrad/documentos/PG2007_2/fabianotomonorimatsu
motooshikiri.pdf> . Acesso em 1 Aril de 2012.
RUSCHEL, O. T.; Princípios da Comunicação Digital. Porto Alegre: EDIPUCRS, 1996.
223p, (Coleção Engenharia 3). Disponível em:
35
<http://books.google.com.br/books?hl=ptBR&lr=&id=xBwute5fxNEC&oi=fnd&pg=PA9&dq=Princ%C3%ADpio+de+comunica%C3
%A7%C3%A3o+serial&ots=v6lM51zN9n&sig=aw6kXKlXDdTwq8Ij7AZ0O0KY3M#v=onepage&q&f=false>. Acesso em: 1 Abril de 2012.
SEMICONDUCTOR, National. Disponível em <http://www.national.com/appinfo/mcu>,
Acesso em 01 de Junho de 2012.
ZELENOVSKY, R.; MENDONÇA, A.; PC e Periféricos: um Guia Completo de
Programação" e "PC: um Guia Prático de Hardware e Interfaceamento
Interfaceamento - 2a Edição Atualizada e Revisada (1999)Disponível em:
<http://www.mzeditora.com.br/artigos/embut.htm>. Acesso em 22 Abril de 2012.