Escola Politécnica da USP
Depto. de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais
Laboratório de Automação Agrícola
Instrumentação Inteligente
Prof. Dr. Carlos Eduardo Cugnasca
[email protected]
04/07/2005
Laboratório de Automação Agrícola
Linha de Pesquisa em
Tecnologia de Informação no Agronegócio e
Ambiente
Pesquisas envolvendo Instrumentação Inteligente
04/07/2004 - CEC
***
2
Agenda
Parte I – Instrumentos Inteligentes
– Computação Pervasiva e Computação Ubiqua
– Conceituação de Instrumentos Inteligentes
Parte II – Redes de Controle
– Embarcadas em Veículos
– Embutidas em Ambientes
– De Sensores Sem Fio
Parte III – Padronização
04/07/2004 - CEC
***
3
Parte I – Instrumentos Inteligentes
04/07/2004 - CEC
***
4
Instrumentos Inteligentes
Motivação
Mudanças de paradigmas nos últimos anos:
04/07/2004 - CEC
Centralizado x Distribuído
Sistemas Hierárquicos x Sistemas em Rede
Off line x On line
Sistemas Proprietários x Sistemas Abertos
Sistemas Dedicados x Sistemas Flexíveis
Computação “Estática” x Computação Móvel
Controle Convencional x Controle Inteligente
Interfaces Passivas x Perceptuais/Reativas
5
Instrumentos Inteligentes
Motivação
As mudanças continuam – tendências:
Convergência de tecnologias
Redução de tamanho: dispositivos portáteis
Dispositivos e sistemas computacionais: redução de custo e consumo
Uso intensivo de Internet e redes de alta velocidade
Crescimento da comunicação sem fio
Maior conectividade e transparência
Maior simplicidade de uso
04/07/2004 - CEC
***
6
Instrumentos Inteligentes
Computação Pervasiva
O computador está embarcado no ambiente de forma
invisível para o usuário
Os computadores agem de modo inteligente no ambiente
onde se encontram embutidos:
– capacidade de obter informação sobre o ambiente e utilizá-la
para construir dinamicamente modelos computacionais
– controlam, configuram e ajustam a aplicação para melhor
atender as necessidades do dispositivo ou usuário
04/07/2004 - CEC
***
7
Instrumentos Inteligentes
Computação Ubíqua
Reúne:
o alto grau de incorporação de dispositivos embarcados
no ambiente da computação pervasiva
o alto grau de mobilidade da computação móvel
04/07/2004 - CEC
***
8
Instrumentos Inteligentes
Computação Pervasiva e Ubíqua
Pressupõem o uso das seguintes tecnologias:
Computadores de pequeno porte e baixo consumo
Sensores (incluindo de posição) e Atuadores
Dispositivos de interfaces com o usuário (displays,
teclados, voz, ...) simples (computadores imperceptíveis)
Comunicação sem fio e redes para conectar
computadores e sistemas dos mais diferentes portes
Sistemas distribuídos e tolerantes a falhas
9
04/07/2004 - CEC
***
Instrumentos Inteligentes
Necessidade de Novos Instrumentos
Sensores e Atuadores:
Além da suas funções básicas (obtenção de
informações e intervenções do/no ambiente):
Capacidade de processamento local
Atitude reativa e colaborativa
Conectividade: redes
04/07/2004 - CEC
***
de controle
10
Instrumentos Inteligentes
Sensores Inteligentes - algumas características:
Confluência entre transdutor, computação e comunicação:
– Reduzir o custo de integrar e manter sistemas distribuídos
Levar inteligência mais perto do ponto de medida ou controle
Precisão na coleta de dados
Capacidade de comunicação
Diminuição dos custos de produção e manutenção
Aumento da confiabilidade do sistema
04/07/2004 - CEC
***
11
InstrumentosInteligentes
Infra-estrutura para sensores inteligentes:Fieldbus
Rede de Controle
Dados medidos, dados
processados, estado do
sensor (diagnóstico),
supervisão de falhas.
Funções
integradas
Auto-calibração
Auto-compensação
Auto-validação
Saídas
Sensor
Inteligente
Variável medida
Fonte: Dante Tantaleon
Data Sheet Eletrônica
Entradas
Requerimentos para a medição
e o processamento das
variáveis, condições do
ambiente.
12
Instrumentos Inteligentes
Instrumentos Inteligentes - algumas vantagens:
Flexibilidade para ampliações e modificações
Maiores distâncias em relação os sistemas centralizadas
Redução do cabeamento, instalações mais simples
Ampliação do domínio de aplicações
Redução do custo total do projeto de automação
Ferramentas para instalação, teste e gerenciamento
Interoperabilidade
04/07/2004 - CEC
***
13
Parte II – Redes de Controle
14
Redes de Controle
Viabilizam os dispositivos interagirem
Sensores e Atuadores Inteligentes (nós)
+
=> Controle Inteligente
Rede de Controle
Sensores:
– pequenos, confiáveis, coletam informação das suas vizinhanças
Atuadores Inteligentes:
– recebem ordens via rede de controle e atuam no ambiente
Vários dispositivos podem constituir um único sub-sistema autônomo
04/07/2004 - CEC
***
15
Redes de Controle
Dificuldades:
Diversidade de problemas e necessidades: muitos
tipos de redes e padrões => dependência da
categoria de aplicação:
– Embarcadas em Veículos:
• Veículos: carros, ônibus, caminhões, navios, aviões, trens, ...
– Embutidas em Ambientes
• Ambientes: casas, prédios, escolas, armazéns, granjas, ...
– Redes de Sensores Sem Fio
04/07/2004 - CEC
***
16
Redes de Controle
Redes Embarcadas em Veículos
04/07/2004 - CEC
***
17
Redes de Controle
Embarcadas em Veículos:
Últimos anos: demanda para novos sistemas em automóveis
(veículos inteligentes)
Evolução da Eletrônica Embarcada => Computador de Bordo
Objetivo: maior segurança, melhor dirigibilidade, maior conforto,
maior economia, melhor desempenho, diagnóstico mais fácil,
atendimento à legislação (controle de emissão)
Usam sensores, atuadores (controles inteligentes) e redes:
04/07/2004 - CEC
***
18
Redes de Controle
Embarcadas em Veículos:
Pesquisas envolvendo veículos agrícolas:
– estimuladas pela Agricultura
04/07/2004 - CEC
***
de Precisão
19
Redes de Controle
Fonte: Adaptado de CASE IH
04/07/2004 - CEC
***
2020
Redes de Controle
Embarcadas em Veículos Agrícolas:
Padrão utilizado:
– Baseado no CAN - Controller Area Network
– Origem: necessidades da indústria automotiva, inicialmente
caminhões e ônibus (Bosch)
– Norma ISO 11783 e ISOBUS
• Permitir interconectividade entre produtos de diversos
fabricantes:
– Tratores e implementos
– Computadores de bordo, sensores, atuadores, ...
– Grandes esforços nos EUA, Europa (e Brasil) para implantação
do padrão
04/07/2004 - CEC
***
21
Redes de Controle
Computador de
Gerenciamento
da Fazenda
GPS
Fonte: Baseado em Alexandre de A. Guimarães
04/07/2004 - CEC
***
22
Redes de Controle
23
Redes de Controle
Redes Embutidas em Ambientes
04/07/2004 - CEC
***
24
Redes de Controle
Embutidas em Ambientes:
Cada vez mais freqüentes
04/07/2004 - CEC
***
Fonte: A.A.F. Loureiro et all.
25
Redes de Controle
Embutidas em Ambientes:
Pesquisas envolvendo LonWorks
– LonWork (Local Operating Network):
• Desenvolvido por Echelon Corporation, esta baseado no
modelo ISO/OSI de 7 camadas
• É um barramento para aplicações de controle, muito
usado em automação predial
• Outras aplicações:
– automação industrial, trens, aviões, automação residencial
04/07/2004 - CEC
***
26
Redes de Controle
Objetivos Principais do padrão LonWorks:
Rede de Controle distribuída, independente de microcomputador
Sensores, Atuadores e Controladores
Interfaces e Painéis, Indicadores e Displays
Sistemas interoperáveis, beneficiando
Fabricantes
Integradores de Sistemas
Usuários Finais
Ser uma solução para qualquer tipo de controle
Predial, Residencial, Industrial, Agrícola
Transporte (embarcados): trens, aviões, …
27
Redes de Controle
Embutidas em Ambientes:
Algumas características do LonWorks
– Múltiplos meios de comunicação:
• Par trançado, fibra óptica, cabo coaxial, RF, rede elétrica
• Padrão aberto
• Construção e programação de nós: simples (ferramentas
de software + Neuron Chip)
• Número ilimitado de nós em uma rede
• Diversas topologias e interconexões: gateways, bridges,...
• Orientada a eventos
04/07/2004 - CEC
***
28
Redes de Controle
04/07/2004 - CEC
***
2929
Redes de Controle
Exemplo – Interruptor e Lâmpada
Dispositivo Interruptor
NV Estado
Interruptor
Neuron
Chip
Dispositivo Lâmpada
NV Estado
Lâmpada
Neuron
Chip
30
Redes de Controle
Dispositivo Interruptor
Instalação
NV Estado
Lâmpada
NV Estado
Interruptor
Neuron
Chip
Dispositivo Lâmpada
Binding
Neuron
Chip
Redes de Controle
Parcerias em LonWorks
Conceito Tecnologia
TAC Américas/Schineider
Loytec
PureChoice
P2S Tecnologia
Redes de Controle
Redes de Sensores Sem Fio
04/07/2004 - CEC
***
33
Redes de Controle
Redes de Sensores Sem Fio (RSSF):
Objetivo:
– Produzir informações com significado global a partir de
dados brutos gerados por sensores individuais
Requer:
–
–
–
–
Consumo mínimo de energia e dimensões reduzidas
Protocolo de comunicação simples e eficiente
Alta tecnologia
Mobilidade:
• Nós estáticos (rede planejada) ou redes ad-hoc
• Nós com mobilidade vegetativa (baterias)
• Nós que se movem com o fenômeno (animais, ...)
• Nós com mobilidade autônoma
04/07/2004 - CEC
***
34
Redes de Controle
Aplicações:
Militares:
– Num campo contaminado biológica ou quimicamente
– Num campo de batalha, entre as linhas inimigas
Saúde e auxílio a deficientes físicos
Segurança
Na estrutura de prédios e pontes
Em veículos, aeroplanos ou espaçonaves
Em máquinas (industriais, residenciais)
Teclado virtual
Monitoração de Ambiente e Habitat
– Dentro de vulcões e tornados, rios e mares (dreno de esgoto), fundo do
oceano, animais, florestas, ...
Num campo agrícola: agricultura de precisão, estufas, ...
Redes de Controle
Campo de aplicação
de uma RSSF
Redes de Controle
Algumas aplicações no Agronegócio:
Agricultura de Precisão:
Construção de mapas para:
– Captura do aspecto temporal das variáveis de solo-planta-clima
• acompanhamento da saúde da planta e sua relação com a disponibilidade de
nutrientes
• efeitos ambientais: impacto das gotas de chuva ou irrigação no solo, quebras
de agregados de solos, exposição de raízes.
– Aplicações em taxa variável
– Controle de pestes/pragas
Monitoramento Ambiental em Silos Agrícolas:
– Controle da temperatura e umidade relativa do ar:
• 20% da produção nacional de grãos é perdida por falta de controle das
variáveis
Redes de Controle
Formas convencionais:
http://www.cnpdia.embrapa.br
http://www.cnpdia.embrapa.br
Redes de Controle
Forma possível:
N
W
Microprocessador Atmel
E
S
– Transceiver
• 916MHz, alcançe ~20m, 4800 bps
– Vida util:
• 1 semana totalmente ativo, 2 anos @1%
2 Axis Magnetic
Sensor
2 Axis
Accelerometer
Light Intensity
Sensor
Humidity Sensor
Pressure Sensor
Berkeley COTS Dust - RF Motes
Temperature
Sensor
Redes de Controle
Agricultura de Precisão com RSSF: ciclo de monitoração contínuo
Redes de Controle
Sucesso da Agricultura de Precisão: depende da qualidade dos mapas
Mapas variam no tempo de forma desconhecida
Redes de Controle
RSSF para Agricultura de Precisão
Sorvedouro
(Observador)
Fonte
Dados
Fonte
Dados
Campo de
sensores
Redes de Controle
RSSF em operações de campo:
Permite melhorar e complementar outros dados
de campo, com vantagens:
–
–
–
–
–
Privilegia o aspecto temporal do dado
Infraestrutura pervasiva
Eliminação de pontos de falha únicos
Baixo custo operacional
Infra-estrutura escalável e de múltiplos usos
Existem coisas que somente uma RSSF podem
proporcionar para a AP ...
Redes de Controle
RSSF em AP - Pesquisas persistentes:
Retornar repetidamente valores anormais medidos
pelos sensores em determinada região
– Ex: Alarme de infestação por pragas
Retornar a cada 12 horas os valores medidos pelos
sensores em determinada região do campo
– Ex: Condição ideal do solo para plantio
Notificar sempre que 2 sensores, distantes em
menos do que 5 m, medirem simultaneamente um
valor anormal
– Ex: Nível de infestação por praga
Source: Bonnet, 2000
Redes de Controle
Construção de mapas com RSSF
Através de pesquisa na rede, obter o valor estimado de um parâmetro de qualquer
ponto do campo, a partir das informações dos dados sensoriados
• Investigar e propor soluções aos problemas de rede relacionados a essa operação

Parte III – Padronização
Padronização
Desafio aos Fabricantes de Sensores e Atuadores:
Interfacear dispositivos com várias redes:
– questão de sobrevivência
– mas é caro, exigindo muito esforço de software e hardware
Mercado:
– diversificado, muitos tipos de redes e protocolos: maiores custos
– alternativas que reduzam custos = simplificação do desenvolvimento
Padrões universais para interligação em redes de controle:
– menor tempo para a implementação dos sistemas
– menores custos
Padronização
IEEE 1451:
IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for
Sensors and Actuators (STIM) Network Capable
Application Processor (NCAP)
Família de normas com o objetivo de tornar mais
fácil a tarefa de criar soluções baseadas nas
tecnologias de rede existentes, conexões
padronizadas com os dispositivos inteligentes e
arquitetura de software comum.
***
04/07/2004 - CEC
48
Padronização
IEEE 1451 – Alguns objetivos:
Sensores e atuadores plug and play, com interface de
comunicação comum, independente da rede e do fabricante
Simplificar a criação de redes de transdutores inteligentes
Facilitar o suporte a múltiplas redes (inclusive sem fio)
Permitir a substituição e movimentação fácil dos transdutores
Eliminar os erros típicos nas fases de configuração manual
Especificação técnica eletrônica: permanece junto ao transdutor
Modelos gerais de dados de transdutores, controle, configuração, tempo e
calibração
04/07/2004 - CEC
***
49
Padronização
IEEE 1451
Exemplo de STIM
Exemplo de STIM
04/07/2004 - CEC
***
50
Padronização
Transdutores ligados em rede
04/07/2004 - CEC
***
51
Perguntas?
Informações e Contatos
Prof. Carlos Eduardo Cugnasca
Telefone: 11 3091 5366
[email protected]
www.pcs.usp.br/~laa